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领跑世界+领航世界:5G与北斗导航融合发展意味着什么?

科技头条 2022-04-27 11:25:12

   中国4G网络建设“领跑世界”,到了5G时代,比4G多了10倍的带宽传输能力,这张网到底能做什么?     北斗导航“领航世界”,但面对GPS已占领全球90%以上市场的先发优势,它将如何破局?能够在“一带一路”上带来怎样的新商业模式?     特别是,5G与北斗导航的融合发展,将如何为十九大报告中提出的建设智慧社会的目标服务?     近日,国际欧亚科学院院士,北京邮电大学教授邓中亮博士接受媒体访谈,就上述问题展开讨论,观察者网整理访谈实录如下(限于篇幅,有删节和尽量保留愿意的调整,完整视频附后):     记者:邓老师您好,您是研究通信和导航如何结合的专家,在很多场合您都提出过“5G+北斗”的概念,能给我们介绍一下吗?     邓中亮:您好。导航爱好者都知道,美国的GPS、中国的北斗、欧洲的伽利略、俄罗斯的格洛纳斯,四大卫星导航系统,实际上都通过通信手段来做高精度测量和定位。尽管卫星在36000公里的轨道上,但它测量卫星到手机端的距离,精度可以达到厘米级,甚至毫米级。卫星系统最大的特点是全覆盖,而且不需要花太多的钱,一套系统成本600-700亿人民币。     但是如果信号被遮挡就不行,特别是在地下或建筑空间内的时候,容易收不到卫星信号,很显然,卫星定位导航在室内很难满足需求。     日常生活中,我们经常用手机打电话,手机信号是无线信号,在室内基本上都有信号能打通电话。那么,这种信号能不能反过来满足我们的定位导航的需求呢?

    2020年6月23日,我国北斗导航系统完成全面部署     记者:手机信号如何用于定位导航呢?     邓中亮:定位导航的基本原理,是测量信号源到接收端的距离,信号传播的时间乘以光速,等于距离,一般4颗卫星就能定位了。那么我们是否可以通过测4个基站到手机之间的距离来定位呢?假设能测的很准,实际上也可以算出位置。     从1996年开始,大家就在研究这个问题,2G时代、3G时代、4G时代到现在的5G时代,都希望把这个资源用好,在通信的同时,能够解决遮蔽空间的定位导航难题,定位精度希望达到米级,跟卫星定位精度一样。但大家研究发现,2G、3G、4G的定位精度达不到米级或者亚米级,所以之前定位应用不太普及。     通过什么办法来解决呢?大家经常想到WiFi、蓝牙和UWB,WiFi的覆盖范围也就十来米,所以它可以把楼层、房间区分开,至少可以解决人在室内基本活动所需要的定位服务能力。UWB的精度可能还可以更高一点,到分米级,甚至厘米级。这些网是大家在日常生产生活当中可以用到的。     但有一个问题值得大家思考,在中国建设一张4G网,投入的成本是6000亿元,5G网络的计划投资是1.2万亿元。在2000年的万国邮联,中国的通信发展路线选择了LTE,没有选择WiFi,LTE发展方向就是目前国家已经投入巨资建设的4G和5G网,很显然,我们会继续沿着LTE的路线图发展到未来的6G,不会重复投资WiF路线,它可以作为补充,但我们不会再花上万亿元来建设WiFi或者UWB网络,来满足我们室内普适的位置服务需求。     那么假设能够把5G网络反过来应用,为我们的高精度定位导航提供支撑的话,在通信的同时就解决了定位服务的问题,成本就可以达到最优了。     从全球来看,天上的卫星网络是张大网,地面的移动通信网是一张大网,这两个大网能够融合,就可以解决信号的服务覆盖,包括高精度定位服务的能力。我们实验室在“国家重大专项”、“国家863重点研发计划”等项目支持下,20多年来一直在研究通信网的高精度定位服务能力问题。研究发现,通信网络具有达到米级、分米级和厘米级服务的潜力,这意味着我们在建设通信网的同时,可以赋能这张通信网具有跟卫星网络一样的高精度定位服务能力,这两张网对接,可以满足我们的定位导航需求,特别是位置服务的商业化应用难题。

    室内导航应用场景     记者:卫星导航系统,解决的是暴露空间的导航问题,手机通信网络要解决的是室内导航的问题。室内导航系统不依托卫星,同样也能够进行服务,那么我们为什么要把这两张网联合在一起呢?     邓中亮:这涉及几个方面,第一,原理的一致性。无论卫星定位导航还是地面通信网的定位导航,都是用通信手段,通过测距和定位计算来来满足我们米级、亚米级、分米级的定位导航。室内一般一个家居房间面积9平米,层高3米,要求米级定位精度;自动驾驶需要分米级甚至更高的精度。     第二,信号覆盖的互补性。在室外,我们通过卫星信号覆盖做导航。但是人们80%以上的时间都在室内空间,越密集的区域,建筑空间越多、遮蔽空间越多,在一个城市区域往往40%-50%的地方都收不到卫星信号,这就意味着在这些空间用卫星是很难满足位置服务的需求,地面网建设恰恰在这些空间做重点布局。5G在人口越密集区域覆盖越好,在这个网络中,定位导航信号已经变得很强了。毫无疑问,卫星与地面网在覆盖能力方面是互补的。     第三,室内室外定位有空间连续性需求。导航位置服务跟通信是分不开的,不管是未来的无人机、无人车还是自动驾驶,这一系列需要位置服务的应用,都需要打通空间的连续性,室内到室外的位置服务要做到“无缝化”,如果不做到全覆盖,很难满足这种连续性的位置服务需求。5G和卫星组合起来就能够解决信号连续覆盖问题。     第四,基准统一的要求。从位置服务体系上来讲,我们要强调基准的统一,卫星有卫星的时间空间基准,地面网有地面网的时间空间基准。如果两者不统一,会给我们的服务带来很大的挑战,所以我们必须要坚持5G跟卫星之间有统一时空基准和统一的位置服务能力,包括解决互操作问题。     一般来说,通过3颗卫星要做定位很难,4颗卫星才能满足定位的基本条件,中国的北斗系统一共30多颗卫星,四大卫星导航系统加起来才100多颗卫星,但地面通信基站资源很丰富,我国拥有好几百万个基站,基站和卫星能不能协同做精准定位导航?1颗卫星加3个基站行不行?我们可以进行组合计算,最大的好处是提高卫星定位的精度,基站的高度信息比较精确,两者组合,精度就可以提高一个数量级。     记者:目前室内定位有没有真实应用场景?     邓中亮:真实场景有很多,比如现在疫情管控中要做密接分析、动态流调监测等等,室内定位都发挥了很重要的作用。再比如现在的打车服务,我们可以发现,车在哪,人在哪,一清二楚,在几年前,即使GPS定位已经相当普及,这也是无法实现的。这并不是卫星定位精度改变了,而是地面网的接入与卫星融合,提升了服务能力。     中国4G网络建设“领跑世界”,北斗导航“领航世界”,到了5G时代,比4G多了10倍的带宽传输能力,这张网到底能做什么?有两句话可以概括:信息随心而至,万物触手可及。     从我们国家发展战略上来讲,总书记在“十九大”报告提出了建设智慧社会的目标。什么样的社会是智慧社会?这值得思考。     第一,我们认为前提条件是必须要透明化,知彼知己才能百战不殆,社会治理必须要全域的透明感知;第二,有了透明感知以后,我们强调安全。只有这两个前提条件成立,我们才能讨论如何建设智慧社会。     时空基准、超宽带通信、时空大数据、实时计算、人工智能控制等等,都是支撑我们智慧社会的重要基础。5G的业务重点是将来要满足万物互联的需求,时空基准需要放在首位,这又反过来涉及定位问题。     全球现在有四大卫星导航系统,GPS发展到现在已经48年了,它走过了定位导航的产业化过程,它现在可以卖产品,但是很少卖服务,原因是什么呢?原因在于它在这个地方能定位,可能在那个地方不能定位了,恰恰用户的服务需求在它不能提供能力的地方,所以它只能卖产品,不能卖服务。     比我们早了20年,我曾经到泰国去,对方说“我GPS用的好好的,为什么非要换你的北斗?”     如何回答这个问题?从技术路线图来看,GPS和北斗都是通过通信手段来定位导航的,GPS比我们早20年,它已经占据了90%以上的市场份额。我们做的跟它一样好,就已经很了不起了,怎么去超越呢?作为四大卫星导航系统之一的北斗导航系统,如何去占领四分之一以上的全球消费市场?必须要有新的抓手。     北斗的定位导航服务化如果可行,就可以提供位置服务的商业模式,自然而然能吸引很多企业和用户。     记者:室外定位可以用GPS,但是我们可以说,用我们的北斗还能做室内的定位。     邓中亮:对,把卫星定位导航的服务能力从室外延伸到室内,跟5G网服务对接。     第一,北斗可以提供时间基准,对所有的基站都要授时,我们现在5G的同步能力要求达到微秒级以下,200纳秒左右,将来6G时代可能缩短到几十纳秒,北斗卫星可以解决这个问题。     第二,所有的基站通信服务时,都需要知道用户在哪,这个时候它可以用最小的能量消耗来满足最大的服务群体,降低成本,这就叫智能基站、智能5G服务。基站需要的这种能力,恰好北斗卫星也可以提供。     反过来讲,第一,目前卫星定位导航首次定位时间需要30多秒,如果跟5G地面网对接起来,可以将首次定位时间压缩到一至两秒,大幅度减少定位导航的启动时间。第二,卫星覆盖不好的地方,基站先可以覆盖,特别对于城市区域来讲,5G覆盖可能是最好的,同样一笔钱投下去,既解决了通信问题,又解决了定位服务问题,两者结合,就可以满足位置服务的商业化需求。     领跑世界+领航世界:5G与北斗导航融合发展意味着什么?     记者:“5G+北斗”这样的系统是不是可以用在城市的智慧交通呢?     邓中亮:现在产业界都非常热衷于研究无人驾驶。无人驾驶如何实现?一种做法是让车变得更“聪明”,这样会导致车的成本越来越高。也有人提出,可以把道路建更“智慧”,路的智慧程度可以通过公共基础设施建设来实现,这样车的聪明度就可以降低一些,两者合起来,是不是可能达到一个最佳的效益?     路要怎么智慧化?毫无疑问,感知放在首位。卫星定位导航到了城市空间,在高楼之间、地下空间,定位都很难,北京的地铁,一天1300万人次,能不能随时给他们导航信号?就要靠“5G+北斗”,把时空基准体系建完以后,它就可以支撑整个城市和社会的运行。假设整个社会都能基于万物互联实现透明化,我们可以实现预测、预警,管理就变得方便多了。     目前,我们已经申请并通过了国际标准,可以实现分米级定位,理论上可以做到毫米级,而且中国对形成国际标准发挥了很重要的作用。     记者:5G之外,研发6G也已是进行时,有一个说法提出,6G未来的发展方向就是卫星通信加地面通信,您觉得会朝这个方向发展吗?     邓中亮:是这样,曾经有人提出卫星+地面网络合起来等于6G,卫星网络目前的演进速度很快,最早是高轨卫星,后来变成中轨卫星,现在谈的更多是到低轨卫星了。低轨卫星互联网目前的发展速度比预期要快的多,其中有很重要的几个原因。     第一,中国地面网络技术的演进,迫使空间资源快速开发应用,自从2000年召开的万国邮联大会确定中国的TD-SCDMA成为3G三个标准之一,4G、5G时代并没有哪个标准是由某个国家主导的,边界模糊了,美国作为通信大国、强国,它觉得有压力;第二,在市场竞争方面,中国企业竞争力很强,对国外形成了压力;第三,中国及“一带一路”沿线国家共有30多亿人口,几乎相当于划走了“半壁世界”的市场。     各种压力之下,美国和许多国家都开始分析:全球有50%左右的用户仍无法连结互联网,地面网是有国界的,卫星网是没有国界的,而且不需要太多的资金就可以进行全球覆盖。那么,能不能把卫星通信这张网建起来,重新瓜分通信服务市场?高轨卫星单颗功率很大,一颗卫星成本很高,接近10亿元,但是由于功率限制,它的用户群体数量不会太庞大,又要高带宽,又要用户多,对通信容量能力的要求很高,那么能把这50%左右的互联网潜在用户吸纳进来呢?     于是,美国启动了低轨卫星互联网的建设工作,这是一个国家战略。我们突然发现空中的频率轨位资源谁占了就是谁的,那么问题就来了,中国应该怎么做?     记者:中国要赶紧启动这方面的工作。     邓中亮:是的,目前的规则是太空资源先占先得,作为一个通信强国,中国不能不占,所以我们必须努力突破一系列关键技术,发展我们的空中通信网络和服务能力。地面的通信能力其实中国已经走在世界前列,称得上“领跑世界”,那么定位导航呢,也要“领航世界”,这两个优势合在一起就能产生新的火花,我们就引领了整个通信和位置服务的发展,包括社会的智慧化发展进程。     刚才你提到6G,我们很多前辈和同行专家们都说,未来6G就是卫星+地面的5G网络。其实从核心内容来讲,6G标准尚未完全定义。6G的地面网到底是什么?空间资源、组网能力、服务内容、关键技术的体制体系怎么做?其实都在研究。作为通信网络迭代来讲,还得有相应的国际标准,卫星标准将来是国际化还是国家化?这都值得探讨。     某国内卫星制造企业     记者:马斯克提出星链计划,要建设3万多颗低轨卫星的网络。     邓中亮:低轨卫星的轨道一般几百公里到一千多公里,它的优势第一是对功率要求可以低一点,第二是数量可以更多,第三是通信距离更近,带宽能力可以大幅提升。劣势是低轨轨道运行很快,所以我们要组网需要100多颗卫星才能全球覆盖,3万多颗星才能满足运营能力的需求。还有几个瓶颈问题,第一,它的信号体系到底是什么?地面的通信体系能不能搬上天?第二,怎么组网和管控?第三,安全怎么办?这三大问题必须要考虑。     技术体系方面,低轨卫星网络能不能直接对接5G网络?通过大量研究工作,我们论证了5G网搬上卫星是可行的,后来也搭载了实验来验证。这样一来,卫星全球覆盖就有它的商业运营价值,而不只是一个国家战略。     我们的最终目标就是实现商业航天,这又涉及到成本问题。美国人说一颗卫星从制造到发射需要100万美金,相当于600万人民币,能不能再降低?卫星规模化生产,火箭技术成本越来越低,这会催生出许多新的问题,一系列的产业支撑、能力建设都需要保障。所以这不单是一个卫星通信问题,要解决一系列从科研、产业到服务能力的建设问题,也将带动一批制造和服务产业的发展。     记者:不久之前,银河航天发射了02批的批产卫星,您怎么看这个前进的一小步?     邓中亮:这是中国启动低轨卫星互联网建设以来的一个重要进展。银河航天第二代卫星一箭7星上天,这个成果也是国内相关单位一系列研究成果的重要验证和体现。     在通信组网方面,其单星通信能力可以达到40Gbps以上,同时,星间组网是一个重要难题,需要做一系列验证,这种验证为我们后续的低轨卫星组网运营提供了很好的参考和支撑。     商业航天的发展,最重要的是提供更强的服务能力,中国航天事业经过几十年的建设、研究和应用,最终要过渡到商业航天,这也标志了中国在核心关键技术方面取得了重大突破,相信在不久的将来,这种实验溢出的成果,能对我们未来的卫星互联网发展提供一个很好的参考。     记者:“5G+北斗”和低轨宽带卫星互联网,会在哪些方面有融合的地方?     邓中亮:刚才谈到,5G既可以通信,也可以用于定位,北斗的主要功能是定位,也有通信能力,短报文可以在海面、山区等环境发挥作用。     无线定位导航是用通信手段实现的,低轨卫星本身就是一个通信系统,跟地面通信网络一样可以变成一个高精度的定位导航网,而且由于它的覆盖广泛,在某些方面的能力可以得到扩展。     第一,低轨通信卫星可以双向控制,这能解决大量应用服务需求,比如将来的无人机、无人车可以大大增强服务能力。有通信网的地方,我们就可以做定位导航,当然核心还是以北斗或者GPS卫星导航系统为重要基准,围绕它来拓展我们的定位导航服务体系,再形成更强的服务能力。     第二,我们前面追求的泛在高精度,这解决了一大难题。卫星本身还有信号覆盖的盲区,所以它的高可靠能力满足不了,这对位置服务来讲还有不足。而低轨卫星、地面网与北斗的融合,将弥补定位信号存在的覆盖盲区问题。  

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