“卫星定位的最后一公里,要有中国人的话语权”!

点击数:163 发布时间:2023-06-23 15:03:56

在漫长的历史中,人类为了不让自己迷失在茫茫自然中,先后发明了罗盘、指南针等工具。卫星定位的问世,解决了“我在哪里”的问题。

如今,从移动互联网到物联网,位置都是不可或缺的信息。随着卫星定位的问世,基本解决了室外开阔空间“我在哪里”的问题。在室外开阔空间,人们可以借助卫星进行准确的定位导航,但是在室内,就有些捉襟见肘了。中国自主研发的室内外高精度无缝定位导航服务系统,解决了卫星导航信号不能到达室内个人移动终端的“最后一公里”问题,使中国室内定位技术和精度领跑全球。

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国际欧亚科学院院士、灾备技术国家工程实验室主任、北京邮电大学教授邓中亮。摄影|陈美群

“卫星定位的'最后一公里',要有中国人的话语权。”国际欧亚科学院院士、灾备技术国家工程实验室主任、北京邮电大学教授邓中亮如是说。

文丨崔赫翾 李亚飞 瞭望智库

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亟待解决的全球难题

2013年10月,北京市石景山区喜隆多购物中心,一家麦当劳甜品操作间内,一辆电动自行车蓄电池在充电过程中发生电气故障,引发火灾。

灭火过程中,两名消防战士在留下“我们迷路了,氧气也不够了”的信息后就失去了联系。

电台失联,手机不通,传统的红外线感应器,也受到了高温的影响,无法发挥识别作用。在浓烟滚滚的火灾现场,战友们用手电照,用手摸,一个货架一个货架、一步一步往前找,但始终没有找到……直到9个小时之后,搜救的战友们才在废墟中看到了被埋压在倒塌墙体下的二人的遗体。而距离遗体几米外,就是商场四层的安全出口。

事后有战友悲伤地说,如果能快速精准地知道他们在哪,他们或许就不会牺牲。

北斗导航全球组网模型。图|视觉中国

在此前的2012年12月27日,北斗导航系统正式对亚太地区提供服务,成为全球第四个卫星定位系统。或许会有人问,卫星定位不能解决这个问题吗?其实,所有的卫星导航系统都只解决了室外定位问题。

室内定位是世界各国亟待解决的难题。

一方面,最适宜导航卫星的轨道,是高度约两万千米的中圆轨道,由于轨道高度较高,卫星信号到达地面时已经比较微弱。

另一方面,环境段里的地形地貌、山丘植被、房屋建筑、城市峡谷,特别是在室内、隧道、高架桥下、各种各样的覆盖遮挡,都可以影响或干扰,甚至屏蔽卫星信号。

【注,城市峡谷是一种类似自然峡谷的都市环境。以街道切割周围稠密的建筑街区,特别是摩天大楼,从而形成人造峡谷。】

国际欧亚科学院院士、灾备技术国家工程实验室主任、北京邮电大学教授邓中亮接受瞭望智库专访时表示:“目前卫星定位导航,利用四颗卫星就能算出你的位置,定位的精度可以达到十米左右。但想要进一步提高精度到米级、分米级、厘米级,就必须有星基、地基等增强体系。不过这些增强信号,在室内、地下、城市峡谷等区域还是无法实现精准定位。”

大多数人一生80%的时间都在室内,这就意味着我们大多数时间都享受不到精准的定位服务。

邓中亮在多个公开场合提及前述石景山火灾一事,不禁感慨:卫星导航与千行百业,就差这么“最后一公里”。

以井下救灾为例,大量矿难事故调查表明,因火灾、爆炸等事故导致的瞬间死亡人数只占伤亡总人数的少部分。绝大多数矿工,是因事故发生后,不能及时逃离充满高浓度有毒有害气体的现场而窒息或中毒死亡。此外,全国有近30万家危化品生产经营单位。其中安全保障能力相对较弱的小化工企业占比较大,如果可以融合室内外无缝高精度位置信息,将有望大幅提升复杂环境的隐患感知能力,支撑实现事故主动预防。

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是去是留?回国!

1987年,22岁的邓中亮做了一个在当时人看起来难以理解的决定,他放弃湖南衡山专用汽车制造厂第六分厂副厂长的职务,毅然踏上求学之路。

触动邓中亮求学神经的是国产汽车的“心脏”——发动机技术受制于他人。

邓中亮说,“汽车产业作为一个朝阳产业,固然有很大的发展前景,但是随着自己接触事情的增多,眼界的增长,我慢慢地发现,虽然改革开放以来我国经济取得了极大的进步,然而无数事实提醒我们,我国在核心科技领域仍然与西方的发达国家存在不小的差距,我感到了压力,也激起了我提升自己的动力。”

1988年邓中亮来到北京航空航天大学攻读制造工程工学学士学位,接着又在清华大学攻读机械制造的博士。1996年,邓中亮踏入了北京邮电大学的大门。随后,他遇到了职业难题:如何将原来的机械专业知识与高速发展的信息通信产业有机结合,解决其中的关键科学技术问题。

“在北邮,大家都跟通信打交道。在这里对通信不熟,好像觉得自己不是北邮人。那个时候我花费了大量的精力来实践、了解、学习。我把互联网从底层做了一遍。”从那时开始,一只无形的手将邓中亮的命运与通信捆绑到了一起。

很快,邓中亮再一次站在了人生的岔路口。2003年,他作为高级访问学者在美国南加利福尼亚大学学习期满,即将回国,此时一些国外知名企业也向他伸出了橄榄枝。

是去是留,邓中亮面临艰难的抉择。

同年10月15日,中国自行研制的神舟五号载人飞船在酒泉卫星发射中心成功发射,把中国首位航天员杨利伟送入太空。这一消息让旅美各界华人深感振奋。

回国!邓中亮当下作出了选择。

回顾当年的心路历程,邓中亮用最朴素的语言道出了他对祖国的一片热爱之情。“在国外只能服务于别人国家,在自己国家才能将自己的理想和抱负实现并助推国家的发展。”

他回国后不久,我国发布了《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006—2020年)》,确定了16个科技重大专项,北斗导航就是其中之一。

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“弯道超车”的关键

当时,邓中亮觉得“北邮百分之七八十的研究人员都驰骋在通信领域,我喜欢导航,那么我就选择导航的领域,去对应的是北斗专项。”在北斗专项中选择什么样的方向成为摆在他面前的新命题。

邓中亮发现,从室外导航定位能力来讲,北斗跟美国全球定位系统(GPS)基本接近或者一致,二者在高精度专业测量上都能达到以分米、厘米计精度。不过,无论是GPS、俄罗斯“格洛纳斯”系统、欧洲“伽利略”系统还是北斗系统,在室内定位领域仍存在空白。“卫星定位信号易受遮挡等环境因素干扰而难以在室内定位。现有的室内定位技术如WLAN、UWB等系统,要实现局域室内高精度定位,须布置大量节点,信号覆盖成本较高,不利于向广域推广,这使得室内位置服务发展遇到了很大瓶颈。”

因此,邓中亮认为室内精准定位是北斗在技术上实现“弯道超车”关键因素之一。

从“十一五”开始,我国已启动“羲和计划”,旨在解决室内定位的难题。

《尚书》记载:乃命羲和,钦若昊天,厤象日月星辰,敬授人时。羲和是中国古代神话中的太阳之母,掌握着时间,是美好、温暖的象征,是中国人最原始的崇拜对象。这样的名字已经隐含了科技工作者的初心——为人类社会提供更好的服务。

但项目尚未启动,一位业界前辈质疑:“国际上都没办法,人家研究了几十年的问题,靠我们能做成?”对此,邓中亮的体会是,“在美国学习时,总思考我们的科技为何不能超越西方。原来觉得缺钱,国外条件好,但如今国内投入并不亚于西方,再做不出来就是人的问题。”面对众多业内专家的怀疑,邓中亮到地方一线做实验,收集数据。半年后,他拿着数据回到北京验证、汇报后,才终于获得支持。

如今,已经成为“羲和计划”室内无线导航系统主要负责人的邓中亮很庆幸,人生黄金年代的每一次选择都踩对了点,完成了一次次技术迭代。

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“北斗+5G”的潜力

导航卫星很强大、手机终端也很“聪明”,假如能够把天上的卫星网与地面上的通信网有效融合起来,构成强大的“天地一体”网络,就能实现信号覆盖与服务能力的互补,进而可以推动我国定位导航从产业化走向位置服务商业化。

2021年11月12日,工作人员在湖北省襄阳市保康县马桥镇一处5G基站上进行设备调试(无人机照片)。图|IC photo

据邓中亮介绍,用通信信号替代卫星信号,定位服务就可以从室外跑到室内来了。让原本只用于通信的地面基站也能提供定位功能,两者的信号覆盖互为补充,就能大大提高位置服务能力。

5G高速度、大容量的特点,可以稳定传输北斗地基增强时空位置修正信号,使得北斗的时空精度更高,再加上移动通信网络的强覆盖能力,可以把高精度定位服务覆盖到人类、机器能涉及的所有空间。

邓中亮表示,5G和北斗的融合与相互赋能,本质上是时间和空间位置基于通信的融合,二者同时作用,能产生颠覆性的技术,在不同场景下会催生出不同应用。

在交通领域,以往卫星信号无法抵达地下,导致隧道里存在监控盲区。如今,利用“通导融合”的思路,隧道中也可以实现高精度定位,有助于提升隧道通行效率,降低隧道内事故发生频率,减少隧道事故导致的财产损失。

还有我们常用的手机打车——一打开打车软件,车在哪里、人在哪里立马清清楚楚。这靠单纯的卫星定位是做不到的。如今,将卫星定位和地面的通信定位融合,就能实现人和车的精确定位。

在采矿领域,以5G网络为依托,结合北斗定位技术,有望实现矿山挖装、运输、监测等环节的无人化远程操控。在我国煤矿从业人员中,从事采煤、掘进、运输、安控等危险繁重岗位人员占比在60%以上,精准定位可最大限度提高生产安全性,支撑主动预防,减少事故损失。

除了交通和采矿,“5G+北斗”还可用于测量测绘、无人农机作业、无人机电力巡检、智慧养老、重大活动指挥管理等各个方面。

中国移动发布的数据显示,截至目前,我国已建成4400个高精度定位基准站,形成全球规模最大的“5G+北斗”高精定位地基增强网络。邓中亮说,“未来,‘5G+北斗’的应用潜力,将只会受限于我们的想象力。”

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“强大的网络、聪明的服务”

如今,包括北斗在内的卫星导航系统,为人类带来了巨大的经济效益和社会效益,广泛应用于航空、航海、通信、电力、交通、测绘、智慧农业等领域。我国的北斗系统也实现了定位导航的大规模产业化应用。数据显示,2022年我国卫星导航与位置服务产业总体产值达到5007亿元人民币。目前,北斗的全球用户总量突破了5亿。但面对GPS的先发优势,我们需要新的突破或抓手。邓中亮表示,最有可能的路径是通过实现位置服务的商业化。

2022年9月21日,在河南举行的中国北斗应用大会上,工作人员展示北斗短报文腕表。图|中新社

据科技行业资讯公司IDTechEx分析,2024年以前室内定位市场总规模将超过100亿美元,年复合增长率高达38%。未来将逐步细分为面向消费端的智慧商场、智慧体育等,及面向工业端的工业4.0、仓储物流等。面对巨大的行业“蛋糕”,技术突破为中国抢占市场赢得了机遇。

“羲和计划”不仅仅是研制了一套系统,更形成了几百项自主知识产权和一系列关键技术,相关研究还拉动了从芯片到终端、从基站到网络、从运营到服务的整个导航通信产业链的发展。如今,有关“羲和”系统的知识产权和相关专利共计2000多项已经在国内和国际范围得到注册和保障。邓中亮高兴地说:“这意味着国内企业走向国际市场铺设羲和系统时,企业赚的不再是辛苦钱,还有包括知识产权费在内的更多的增值费用。”

下一步,邓中亮认为,要从高精度、高可信的技术保障向高安全、高智能、高质量的服务转型,进而从“强大的卫星、聪明的终端”阶段向“强大的网络、聪明的服务”转变,最终实现可信、安全、智慧的位置导航新时代。届时,“依靠我们的技术,让大家可以在地下停车场快速找到合适的停车位;可以在展览馆找到自己感兴趣的展品;可以为地震废墟搜救的人员和机器人提供被困人员的精准位置,实现从定位导航的产业化,走向位置服务的商业化。”邓中亮说。

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得标准者得天下

在经济全球化的今天,中国的技术想要在激烈的国际竞争中脱颖而出,就一定要形成国际标准。于是,邓中亮带领团队,积极参与国际标准化组织“第三代合作伙伴计划”(3GPP)的5G标准制定工作,推动了我国5G定位信号体制的国际标准制定。目前,邓中亮团队形成了14项3GPP R16、R17国际标准提案,并收录于3GPP国际标准化组织TR38.855、TS38.211通信标准技术方案中。团队提出的5G共频带定位体制已进入R16、R1738.255标准,成为国际3GPP认可的新型5G定位方案。

邓中亮说:“我们申请了美国专利、欧洲专利和日本专利。美国高通曾经希望能买断我们的专利,站在国家利益来讲,我不能卖给他们。把技术变成国际标准,最终引领全世界的产业发展,这才能凸显我们的优势。”

从2003年回国投身室内定位至今,已经过去了20年。“当年我可以选择否回国。回顾20多年来,我深刻感受到把科研做好,报效自己的国家,这条路一生无悔。”邓中亮说。

在接下来的科研探索中,邓中亮为自己规划了三个“阶段性定位导航研究计划”:第一个阶段,为人类和平做贡献;第二个阶段,要为生态和谐做贡献;第三个阶段,只是一个“猜”字。他解译说,猜,也是定位导航,要为那些“暗物质”定位导航领域做贡献,与蚂蚁通信、和天上的飞鸟“对话”、定位蝗虫让它不再叨扰人类……运用“通导一体”,构建万物与智慧的互联。


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