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衛星導航系統,通常有定位、航定位與授時三個指標。
有了高精度的定位,精準農業讓農民不再靠天吃飯,災害精準預測可以將受災的人群和損失最小化;而高精度導航對產業的意義,則早已深入人心。既有我們所熟悉的車輛導航,也有代表著高精尖技術的航空導航和航海導航,在軍事方面的價值自然也不言而喻;授時則可以提供全球性、全天候、快速、高精度的標準時間信息,在現代社會的方方面面都離不開精確的授時。
正因為高精度導航,對國家安全和產業創新的意義之大。在2008年,科技部羲和計劃正式啟動。
中國傳統神話中,羲和是太陽神的母親,是我國上古時代時間歷法的創始人。取名羲和計劃的寓意,就是向大眾提供全空域、全時域、室內外無縫導航定位服務。
鄧中亮,一直是羲和計劃中無線網絡定位負責人和學術帶頭人。他所在解決的,正是困擾整個無線網絡定位導航業界的,那關鍵的三個字:“高精度”。
衛星定位導航可以達到從米級到分米級、厘米級,甚至毫米級的定位精度,但在收不到任何信號的遮蔽空間就完全沒有用武之地,在建筑物之間等半遮蔽空間,定位精度也會大受影響。
所以,羲和計劃的目標也是有兩個:首先,提高北斗在地面應用的精度與能力;其次,解決全球導航系統在遮蔽和半遮蔽空間中無法定位的問題。
很多國內外的科研組織也提出了很多技術解決方案,他們或將技術攻堅的重點放在了衛星導航技術上,雖有進步但收效甚微,或在室內采取激光等解決方案,成本卻又居高不下。
鄧中亮則提出了一個新的思考:如果通信網絡能夠達到與衛星導航相媲美的定位服務能力,那么這張網絡無疑將變得非常實用。
“通信和導航之間實際上是有關聯的,首先,由于衛星信號在遮蔽和半遮蔽空間的覆蓋存在問題,通信系統可以對此進行覆蓋互補,以實現室內外全時空的覆蓋。其次,對于通信系統來說,它也需要位置感知來確定用戶的分布,如5G等業務需要知道用戶的具體位置。因此,將這兩者合并整合成一體,就形成了天地一體的廣域無縫定位網。” 鄧中亮說。
這個設想本身非常有推動落地應用的重要意義。國家通信網在4G到5G的建設投入總額接近兩萬億,是衛星系統投入的20倍以上。如果能夠形成天上一張網與地上一張網的融合,它所蘊含的價值潛力,幾乎是無限大。
當然,這個設想既需要在理論和技術上實現突破,還需要結合具體場景的實踐。如果方向準確,那么在技術上是否可以實現呢?
02
解決困擾全球的技術難題
我們知道,如果無線通信網的精度不夠高,即使將通信網和衛星的定位合并在一起,也無法獲得更高的定位精度。因此,需要解決通信網在遮蔽和半遮蔽空間中定位精度差的短板問題,提高它的定位服務能力。這等于為通信網賦予了新的時空感知和定位服務能力,以實現全時空的覆蓋,包括室外、室內以及地下的定位服務。
再將通信網和衛星融合在一起后,“天網”與“地網”在覆蓋層面上形成互補:在室外,衛星定位表現優秀;而在室內和遮蔽空間,通信網的優勢顯現。兩張網絡融合,就可以實現全空間的高精度定位服務。
因此,將通信網與衛星導航系統融合,實現高精度導航,也驅動從定位導航產業化到位置服務商業化的轉變。
對于鄧中亮而言,他則要解決長期困擾全球的高精度、廣覆蓋、室內外、無縫隙、低成本定位的基礎性問題……
第一個關鍵,就是新技術的定位精度。
傳統技術,比如在室內采用WI-FI、藍牙或超寬帶技術,定位的精度最高可達3到5米左右,這在實際應用中是完全不能接受的。
通過羲和計劃的推動,“我們取得了重大的突破:定位精度在與國際巨頭的比較中處于領先地位,超過他們一個數量級,。這表明我們在定位導航領域取得了顯著的進步和成就,未來的目標是將通信網的定位精度進一步提高到厘米級甚至毫米級。”鄧中亮說。
客觀地說,對于個人用戶來說,米級定位精度是足夠的,但對于智能駕駛、機器人服務等應用來說,分米級或者厘米級的精度才可以解決大部分需求,而毫米級的精度則主要用于滑坡監測等特定領。可以說,鄧中亮的這次在定位精度上的突破,讓精準定位在產業中的應用寬度得到了大幅的提升。
第二個關鍵,是解決運營商通信資源緊缺的問題。
成本,是任何技術能否成功市場化的重要考量。在定位時,通常需要收集來自至少三個基站的信號來計算定位位置,這對運營商來說會因為加密基站信號增加成本,同時基站密度的增加也不是一個經濟上可行的解決方案。
所以鄧中亮的目標是:實現資源共享復用,既不影響正常通信,也不需要獨立頻率資源,同時不改變基站的分布密度。在一種逆向思維的邏輯驅使下,鄧中亮建立了一個定位信號與通信信號同頻融合的體系,對時域、頻域、碼域等進行了創新設計。此舉首次實現了在不占用獨立頻率、不改變原通信能力,也不改變基站分布前提下的廣域精確定位!
第三個關鍵,是無線網絡的高精度定位魯棒性的難題
定位服務也需要一種確定性,尤其在面向各種行業復雜場景應用時,高精度定位要能夠表現出更強的可靠性。
這對鄧中亮來說,則要力求極致的表現。“經過一系列技術突破后,我們在室內和室外可以實現納秒級的同步,相當于0.3米的測量誤差,同時我們采用分層融合的方法,大幅度提升了可靠性的同時,也提高了定位精度。最終,形成了一個龐大的技術體系,涵蓋了精準測量、網絡協同和智能控制。使得整個系統能夠更加精準地測量位置,實現網絡之間的協同工作,并融入智能控制,以應對各種復雜場景。”
03
做千行百業數字化轉型的“創新底座”
事實上,我們能夠感知到精準定位技術,對文明社會前行的價值不斷在向上攀升。
在今天的智能社會時代中,如果缺乏高精度、時空感知和互聯的條件,就不能稱之為真正的智慧。
鄧中亮認為,“全世界對于時空感知的要求不斷提高。在上世紀,百米級的定位精度已經算是不錯的,隨后發展到十米級、米級的定位精度。而現在,人工智能自動駕駛已經要求達到分米級的定位精度。在工業互聯網中,如果定位精度無法達到米級以下,很多問題將無法解決。這種高精度時空感知要求正是構建全行業互聯的底座,為智能社會的發展提供支持。”
確如此言,我們看到在制造業,高精度定位從原來的數十米精度提高到米級,可以實時監測移動目標,為工廠的安全管理帶來了很大的改進,如果出現意外事故,工廠可以更快速響應和決策,而不再需要被動應對,這種技術的應用,使得工業事故得到了有效的控制和防范,為工業安全帶來了顯著的好處。
再比如在智能駕駛領域,如果車輛的定位精度不能達到分米級,就可能發生車輛之間的撞車、刮蹭等事故。這種高精度定位甚至還在疫情監控、疫情救援和特殊人群關愛等應用場景中發揮出應有的光芒。
還有綠色能源領域正在面臨的巡檢難題,使得無人機巡檢成為一個有效的解決方案。而無人機可以快速準確地巡檢高壓線路、太陽能電池板和風力發電機等設施,也有賴于高精度定位技術的應用。
很明顯,高精度導航將產生巨大的經濟效益,帶動更大規模的服務業,為經濟發展和轉型做出貢獻,已經可以稱之為千行百業數字化轉型的“創新底座”。
除此之外,鄧中亮特別指出了這項技術對北斗系統的“反哺”。“GPS比北斗建設早二十,GPS在全球導航市場上已占據了90%的份額,這意味著北斗系統如果要超越GPS來爭取更大的市場份額,就必須尋找新的商業模式和新抓手來突破現狀。而信息域是一個重要的市場領域,通過在信息域中引入新的抓手和技術突破,可以帶來市場洗牌,為北斗贏得更大的市場份額提供機會。”
因此,北斗系統必須與通信網絡結合,提供更強大的能力支持,在全球開放服務的背景下,去搶占市場和保持領先地位。
“我國的衛星導航和移動通信及其融合走在世界領先地位,我們將繼續努力保持這一領先地位,為世界的科技進步和社會發展做出更大的貢獻。”鄧中亮說。