“千里之堤潰于蟻穴”，比喻小事不慎也可能釀出大禍，意在提醒人們要防微杜漸、防患于未然。不過，有些科學(xué)家可不止這么看：“千里之堤潰于蟻穴”背后的科學(xué)問題是什么?如果能夠與螞蟻溝通、定位蟻穴，豈不是可以挽救千里之堤于既倒?
類似地，“大雁一會(huì)兒在天上排成‘一’字、一會(huì)兒排成‘人’字……”這一自然現(xiàn)象面前，科學(xué)家想的是：那么多鳥在天上飛，它們?yōu)槭裁床?ldquo;追尾”?
北京郵電大學(xué)教授鄧中亮就是這樣的科學(xué)家。近日，他在接受《中國科學(xué)報(bào)》專訪時(shí)向記者拋出了這個(gè)命題：在萬物互聯(lián)的智能時(shí)代，人類能不能“開天眼”，打開“上帝視角”?
擁有“上帝視角”不是異想天開
在鄧中亮看來，要擁有“上帝視角”，需要構(gòu)建一個(gè)感知和網(wǎng)絡(luò)無處不在、信息安全可充分保障的、以高精度時(shí)空基準(zhǔn)為基礎(chǔ)的透明社會(huì)。“有了這個(gè)基礎(chǔ)，社會(huì)發(fā)展將被基于通信、計(jì)算、時(shí)空感知、智能控制的‘智慧’重新定義。”
這不是異想天開——發(fā)現(xiàn)新冠肺炎患者，我們希望第一時(shí)間找到病患的密切接觸者;發(fā)生地震、火災(zāi)后，我們希望能第一時(shí)間精準(zhǔn)定位救援目標(biāo);要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛，要確保智能車的定位精度在亞米級(jí)且100%在線、網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)不高于200毫秒的時(shí)延;未來無人機(jī)送貨上門，除了定位精度要求之外，還要能無縫感知，以實(shí)現(xiàn)在城市低空對無人飛行器的安全管控……凡此種種，鄧中亮認(rèn)為，高精度的時(shí)空基準(zhǔn)和萬物互聯(lián)，是智慧社會(huì)建設(shè)的一個(gè)標(biāo)志。
“以高精度時(shí)空基準(zhǔn)為基礎(chǔ)，加上通信等物聯(lián)手段，將對智慧經(jīng)濟(jì)的發(fā)展發(fā)揮重要作用。”鄧中亮說，目前許多國家已制訂了相應(yīng)的計(jì)劃，發(fā)展智慧產(chǎn)業(yè)、建設(shè)智慧社會(huì)。
可是，如何實(shí)現(xiàn)?
鄧中亮告訴記者，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和5G通信網(wǎng)絡(luò)這兩大“新基建”的融合，或?qū)檫@一圖景的實(shí)現(xiàn)提供一條行之有效的路徑。
“導(dǎo)航衛(wèi)星很強(qiáng)大、終端也很‘聰明’，但二者合在一起也無法實(shí)現(xiàn)全空域全時(shí)域的定位導(dǎo)航服務(wù)、位置服務(wù)保障。”鄧中亮說，這就需要把衛(wèi)星和地面網(wǎng)融合起來，構(gòu)成強(qiáng)大的天地一體化網(wǎng)絡(luò)，推動(dòng)定位導(dǎo)航從產(chǎn)業(yè)化走向位置服務(wù)的商業(yè)化。
北斗+5G融合發(fā)展“是時(shí)代必然”
2020年7月31日，北斗三號(hào)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建成開通，標(biāo)志著中國自主建設(shè)、獨(dú)立運(yùn)行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)開啟服務(wù)全球、造福人類的新篇章。
但在中國北斗之前，世界上已經(jīng)有了美國GPS、俄羅斯格洛納斯等衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。尤其GPS經(jīng)過長期發(fā)展，已占據(jù)了近90%的市場。中國北斗要在全球“三分天下有其一”，未來道阻且長。
不過，機(jī)遇仍然存在。由于導(dǎo)航衛(wèi)星距離地面太遠(yuǎn)，在遇到遮擋后容易信號(hào)中斷，難以提供信號(hào)全覆蓋的服務(wù)形態(tài)——這也是GPS經(jīng)歷40多年發(fā)展至今未能發(fā)展出有效商業(yè)模式的原因之一。鄧中亮說，由于缺乏米級(jí)、亞米級(jí)位置服務(wù)保障能力，衛(wèi)星導(dǎo)航的商業(yè)化一直是個(gè)空白。
北斗能不能超越GPS，實(shí)現(xiàn)一種泛在的高精度、高可靠定位導(dǎo)航服務(wù)?鄧中亮的答案是“能”，那就是“北斗+5G”。
目前我國已建成全球最大5G網(wǎng)絡(luò)。在應(yīng)用方面，自2019年開啟5G商用元年至今，5G應(yīng)用迎來導(dǎo)入期，迫切需要增強(qiáng)服務(wù)能力。
一邊，5G商用即將迎來爆發(fā)，增強(qiáng)服務(wù)能力迫在眉睫;另一邊，北斗要靠自己 “單打獨(dú)斗”發(fā)展獨(dú)立應(yīng)用也力不從心。這在鄧中亮看來，北斗+5G的融合賦能智慧社會(huì)建設(shè)，“存在時(shí)代必然性”。
“北斗和5G融合發(fā)展將給這兩大系統(tǒng)的應(yīng)用創(chuàng)新提供新思路，最顯著的就是‘北斗+5G’有望打造精準(zhǔn)位置服務(wù)能力，實(shí)現(xiàn)北斗‘在地上用好’的目標(biāo);同時(shí)，‘通導(dǎo)融合’將為5G產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用提供支撐，進(jìn)而推動(dòng)智慧社會(huì)建設(shè)。”鄧中亮說。
難關(guān)重重，通導(dǎo)融合“沒那么簡單”
通導(dǎo)融合的理論邏輯在于，衛(wèi)星系統(tǒng)可以為地面基站等提供授時(shí)、定位服務(wù)的時(shí)空基準(zhǔn)，但存在信號(hào)覆蓋不全的問題;而如果原本只用于通信的地面基站也能提供定位功能，兩者的信號(hào)覆蓋互為補(bǔ)充，再設(shè)法提高位置精度，位置服務(wù)能力就能大大提高了。
事實(shí)上，早在1996年美國就有《緊急呼叫法案》，立法約定“當(dāng)衛(wèi)星無法提供定位信號(hào)的時(shí)候，移動(dòng)通信網(wǎng)在緊急情況必須提供位置服務(wù)”。歐盟在2014年也出臺(tái)過類似法案。但為何“通導(dǎo)融合”至今沒有合體變強(qiáng)?
鄧中亮說，通導(dǎo)融合沒那么簡單，其中的關(guān)鍵在于，通信網(wǎng)用于精準(zhǔn)導(dǎo)航定位，還需要解決一系列技術(shù)難題。
首先，通信網(wǎng)絡(luò)目前還沒有精確測距的能力，這是通信網(wǎng)提供位置服務(wù)的關(guān)鍵;其次是可靠性問題，通信網(wǎng)絡(luò)雖說覆蓋更廣，但還達(dá)不到100%，手機(jī)“信號(hào)弱”“無信號(hào)”的情況仍偶有發(fā)生;第三，在定位精度方面，通信網(wǎng)絡(luò)能否達(dá)到厘米級(jí)、毫米級(jí)以滿足特殊應(yīng)用，還是一個(gè)問號(hào);第四，在復(fù)雜空間內(nèi)的定位導(dǎo)航，還要排除環(huán)境干擾問題——這需要關(guān)聯(lián)環(huán)境大數(shù)據(jù)，并進(jìn)行計(jì)算加以智能控制。此外，還要通過端計(jì)算實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)計(jì)算，以響應(yīng)數(shù)以千億計(jì)的位置服務(wù)請求。
“用最小的代價(jià)、很高的性價(jià)比、最低的成本來實(shí)現(xiàn)這種能力，是全球性的新挑戰(zhàn)，我們的大量研究工作就圍繞這個(gè)開展。”鄧中亮介紹道。
關(guān)鍵技術(shù)的突破
在這些問題上，鄧中亮已經(jīng)帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)取得一些技術(shù)突破。比如為解決通信網(wǎng)高精度定位中的頻率復(fù)用、信號(hào)干擾、測距精度低等問題，他們提出“定位—通信融合‘共頻帶’相位定位方法”，將基于無線網(wǎng)絡(luò)基站的室內(nèi)外3D定位精度提升至米級(jí)以下?；谠摷夹g(shù)的測距方案可將測距能力提高至厘米級(jí)以下。鄧中亮告訴《中國科學(xué)報(bào)》，這一技術(shù)相比國際上已有方案將通信網(wǎng)定位導(dǎo)航能力提升一個(gè)數(shù)量級(jí)，并已于2020年7月獲得國際專利授權(quán)、成為國際標(biāo)準(zhǔn)。
此外，研究團(tuán)隊(duì)還針對模糊環(huán)境定位導(dǎo)航普適性難題(單種信號(hào)易被遮擋的盲區(qū)定位問題)，創(chuàng)造性提出“圖像—無線融合快速定位關(guān)聯(lián)計(jì)算”方法，建立從信號(hào)測量、估計(jì)、預(yù)測到校正的多網(wǎng)融合定位方法與模型，實(shí)現(xiàn)了國際最優(yōu)的多邊界約束尋優(yōu)厘米級(jí)定位，使現(xiàn)有“無線網(wǎng)絡(luò)+實(shí)時(shí)圖像”定位精度小于2厘米。
同時(shí)，將地面基站視作衛(wèi)星的“天地一體定位”，是構(gòu)建更大范圍高精度無縫定位的有效手段，但存在信號(hào)異構(gòu)的挑戰(zhàn)。鄧中亮團(tuán)隊(duì)提出了融合定位、可重構(gòu)、低功耗設(shè)計(jì)與全鏈路仿真測試等方法，實(shí)現(xiàn)跨物理層的信號(hào)融合，使天地一體定位精度進(jìn)一步提高。
回到“千里之堤潰于蟻穴”的問題上，假設(shè)螞蟻是一個(gè)智能終端，只要它可通信、有信號(hào)，通過衛(wèi)星和通信基站就可以對它定位，且定位精度可達(dá)厘米級(jí)。
鄧中亮說，相關(guān)的解決方案已在一些工程實(shí)踐中得到了應(yīng)用。比如在APEC峰會(huì)、奧運(yùn)會(huì)等重大活動(dòng)以及相關(guān)重點(diǎn)工程建設(shè)中，解決了人員和貴重物資室內(nèi)外無縫精確定位的難題，為預(yù)警、透明化應(yīng)急指揮提供了重要保障。他也提出，這些成果的應(yīng)用場景可挖潛力還很大，希望社會(huì)各界能夠增進(jìn)對北斗+5G的應(yīng)用能力的了解。“這些成果可以服務(wù)社會(huì)，而不只是‘服務(wù)’我們實(shí)驗(yàn)室設(shè)備。”(記者 趙廣立)
