我们的目标是实现全时域、全空域、高精度、高鲁棒的定位导航。

说这话的人是北京邮电大学教授、博士生导师邓中亮。作为业界顶尖科学家,邓中亮还有多重身份,比如国际欧亚科学院院士、灾备技术国家工程技术研究中心主任、国家863项目负责人等等,也证明了邓教授在学术领域的重磅地位。

(资料图片)

北京邮电大学教授 邓中亮

许多人可能好奇,定位导航这技术的应用点在哪里?除了日常出行定位,这项技术的应用场景还有哪些?未来定位导航技术的领先会为国家发展、大众生活带来哪些变化?

从“天网”到“地网”,定位导航领域面临新课题

当今社会中,手机已经成为了我们最为依赖的数码设备,而出行使用导航也是当下许多人的习惯。但如果稍有留意你就会发现,无论是高德还是百度,都会有“北斗卫星为您导航”的提示,这也是北斗卫星导航商业化应用的最直接体现。其实从2020年7月31日我国开启了全球服务伊始,北斗卫星导航就被广泛应用于航空、航海、通信、电力、交通、测绘等多个领域,如今更是覆盖了全球200多个国家和地区用户,成为了联合国认可的四大全球卫星导航系统之一。

但卫星导航应用也不是万能的。许多人都有类似的经验——当我们身处室内,比如办公室或者商场的时候,卫星导航定位就会出现比较大的误差,手机也会提示“卫星信号弱”,这时候的定位系统就需要一种全新的室内定位方式。正如邓中亮教授在采访中提到的——“遮蔽空间和半遮蔽空间的环境非常复杂,卫星信号往往无法到达,可能被阻挡或干扰,这就产生了与我们需求之间的矛盾,而我们面临的问题是如何解决这种矛盾”。

为了解决这个问题,业界展开过很多研究,也提出了包括图像、无线、地磁、惯导等多种室内定位技术类型,其中仅就无线定位技术来说,就包括Wi-Fi、BLE、UWB、ZigBee、RFID等多种类型,可谓是五花八门、千头万绪。而面对这些选择,邓中亮教授在经过多年钻研与探索,提出了天地一体定位架构,通过北斗+移动通信网等多源融合定位等系列新技术,突破了异构系统融合定位难题,实现跨物理层的信号融合,使得天地一体定位精度进一步提高。

“5G是‘地上的网’,北斗是‘天上的网’,5G解决地面复杂空间信号覆盖的问题,北斗解决时间基准的问题,北斗+5G的融合与相互赋能带来了海量的高精度、高时效的地理大数据”,在谈到技术优势的时候,邓中亮教授介绍说。在他看来,5G网络的最大优势就是速度快、时延低、允许接入的用户多,现在也有了高精度定位的能力;而北斗系统,无论是测速精度还是授时精度、包括服务的可靠性都在行业前列。如此一来,二者的结合就可以满足全覆盖的高精度需求,发挥强强联手的优势。

这也解释了邓中亮教授研究的初衷。作为业界顶尖学者、2014年全国十大科技创新人物、2020年获全国创新争先奖获得者,邓中亮教授在无线定位理论、技术研究与工程实践领域深耕了20多年,也多次荣获国家技术发明奖和国家科技进步奖等奖项,发表核心论文超200篇,获授权发明专利超百项。在他的带领下,目前北邮核心团队已经培养了国内外博士20余名,硕士200余名,为我国网络与位置服务领域培养了一批富有创新能力的师资队伍和产学研人才,为构筑国家无线定位领域研究与教学高地做出了重要贡献。

厘米级定位,打造世界领先的定位平台

早在2014年,在国家多个部委支持下,邓中亮教授带领团队研制了“羲和”系统,提出了高精度定位与通信融合的新型信号体制,把通信网变成了一张既能通信网、又能高精度定位的网。

“羲和”,这个以中国传说中太阳神命名的称呼,正如阳光那样普照大地,其定位能力也达到了室外亚米级、城市室内优于3米的无缝定位导航能力,率先解决了北斗卫星导航系统的“最后一公里”瓶颈,是我国在室内位置服务科学研究技术的重大突破,经由多名院士专家组成的专家委员会鉴定达到国际领先水平。值得一提的是,“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突破,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。

但随着时间的发展,邓中亮教授已经不满足于这样的定位精度,为此他借助通信融合“共频带”定位方法、无线融合快速定位关联计算方法、多系统融合高可靠定位等多种前沿技术手段,打造出了天地联合定位架构,建设了世界首个室内外无缝高精度导航位置服务平台。

天地一体定位是邓中亮教授多年研究的重要成果,也是解决全时空定位导航难题的关键。上文提到,要想解决室内外定位差异的问题,就需要实现通信导航融合,将室外高精度定位延伸至室内,借助于5G技术实现位置精准感知服务,最终达到室内外全空间无缝高精度定位的效果。而在谈到为什么选择5G而不是其他技术的时候,邓中亮教授也是感悟良多。

“过去的技术限制了通信网络的位置服务应用范围和效能,但现在国家花费巨资打造了全面覆盖的5G网络。随着5G定位技术的突破,这张网络的潜力被充分释放出来,它可以实现分米级甚至更高精度的定位,这是前所未有的进步。未来全球范围内的通信、导航、定位需求都可以在这张网络上得到满足,这让它成为了全世界的共同选择和共同目标”。邓中亮教授此时有些激动,面对如此巨大投入的网络,仅产生通话价值是远远不够的,邓中亮教授更希望借助于5G的技术优势,实现无缝定位技术的突破。

“赋予通信网高精度的定位能力是全球关注的重点和核心”。据2023年全球数字经济大会报告显示:截至4月底,全国累计建成5G基站超过273万个,5G网络覆盖所有的地级市,5G移动电话用户6.34亿户,千兆光网用户突破1亿户,移动物联网用户达19.84亿户。即便承载了如此庞大的用户,5G网络依然有着充分的应用活力,5G网络的高带宽、低时延对于物联网应用等技术覆盖也起到了关键的桥梁作用。

这样一来,以导航卫星为核心,再整合所有5G通信网资源,就可以形成一张用于定位服务的网络,而且不需要单独去建设。通过将卫星定位系统与无线通信网相结合,可以实现更加全面和智能的定位导航服务,也可以应用在交通、制造等众多领域当中——“解决通信和导航之间的矛盾,将通信和导航融为一体,将产生非常巨大的应用前景。”

“我们取得了很大的突破,我们的定位精度在与国际巨头的比较中处于领先地位,这表明我们在定位导航领域取得了显著的进步和成就”。在采访中,我可以明显感觉到邓教授在谈及自身研究成果时的自信与底气。当提到该技术位于“世界前列”的时候,邓教授特别强调——不是前列,而是领先。

这也是顶尖科学家实事求是的态度。一直以来,科技被视为第一生产力,而领先的技术更可以推动产业的快速升级,从而奠定中国在该领域的领军地位。具体到定位导航领域,邓教授通过打造隐嵌信噪融合体系,解决了困扰多年的世界难题,形成了在技术上的大幅度突破。不仅如此,他已经将该体系融入新的5G国际标准,也证明了中国在这一领域研究的顶尖优势,甚至邓教授也自豪的表示——当2017-2018年,当其他国家还只有米级定位的时候,我们的北斗+5G室内外无缝定位技术已经可以实现分米级以上精度的定位。

持续保持技术领先,打造开放合作的生态系统

众所周知,全球四大导航系统中,除了我们自己的北斗,还有美国全球定位系统(GPS)、俄罗斯“格洛纳斯”系统和欧洲“伽利略”系统。如今,我们已经借助于北斗+5G室内外无缝定位技术站在了世界前列,那么我们的优势在哪里,其他国家是否具备挑战我们的实力,对我们造成威胁呢?针对这个问题,邓教授也给出了自己的回答。

在他看来,任何技术发展都需要最终的应用落地。无论是我们的北斗还是国外的GPS,也无论是5G定位还是WiFi、蓝牙乃至于伪卫星,每一种技术的落地都需要独立投资和运营。也正因为如此,如果不加以合理规划和整合,不同技术的应用智慧导致资源的浪费和效率低下。“我们的出发点是通过将5G网络赋能高精度定位能力,以便在应用时更加方便和高效。通过这种方式,我们可以利用已有的通信基础设施,同时赋能高精度定位导航的能力,从而节省大量的资源和成本,实现更好的定位服务”。

这不仅是技术问题,更是运营成本与可持续发展的问题。“卫星定位导航之所以被选择,一个重要的原因是其成本相对较低,只需投入600多亿人民币就可以实现全球覆盖,只要没有遮挡,就可以实现定位导航。对于很多空间目标来说,它已经能够解决问题,所以这是一个很有吸引力的方案。另一方面,现在通信网的能力已经相对较强,比如5G网络已经达到了Gbps级的通信能力。在这种情况下,是否还需要类似Wifi、蓝牙、超宽带和伪卫星这样的技术来建设地面定位网,确实是一个值得探讨和思考的问题。因此,未来的发展趋势需要仔细研究和评估”。

对于那些还在纠结于使用何种技术的研究人员来说,邓教授的一席话可谓是醍醐灌顶,也从技术、应用、发展等多个角度对当下的定位导航领域进行了深度分析。当然他也承认未来或许还有更先进的技术出现,这也恰恰要求科学家们持续的研发和创新,但就目前应用来说,5G已经成为业界最主流、也是最佳的选择。“我们走在世界领先地位,更是在整个通信定位技术领域的最前沿。我们将继续努力保持这一领先地位,为世界的科技进步和社会发展做出更大的贡献”。

这就是邓中亮教授的家国情怀,也是他“技术报国”精神的最好体现。当然对于应用来说,如何能够快速、高效、低成本、大范围的落地也是关乎未来国家发展与大众应用的关键问题。在谈到生态建设与合作伙伴拓展的时候,邓中亮教授也表示愿意打造“一个开放、合作的生态系统”——如果我们能够建立更加开放的共识,充分利用互联网和信息技术的优势,将我们的成果共享给需要的人,不仅可以推动技术的快速发展,也可以获得更多的合作和支持。因此,我坚信,只有形成更加开放、包容的科技生态系统,我们才能更好地促进科技成果的转化和应用,为国家和社会经济的发展作出更大的贡献。这需要我们共同努力,解决相关的问题,形成更加开放和合作的科技文化。

我们正处在一个数字化发展、万物互联的智能化时代。在这个时代中,人与人的交互已经不是全部,未来我们更多要像科幻电影中看到的那样,进行人与物甚至物与物之间的交互,这将是万物互联的世界。而要实现这一点,就意味着需要精准的感知,需要让数据在万物之间自由流动,而邓中亮教授所研究的、所要实现的也正是如此。

如今,“北斗+5G”室内外无缝定位技术凭借着技术上的领先优势,已经应用在诸多领域中,比如智慧城市管理中的城市精细化管理、现代物流中的仓储配送与存放、绿色智慧楼宇、智慧医疗、智能制造、智慧矿山等多个场景中。

正如邓中亮教授在采访中提到的:“’要服务全球、造福于人类’,这就对我们的技术和服务提出了更高的要求。我们也将积极寻求解决方案,使得整个系统能够更加精准地测量定位,实现网络之间的协同工作,并融入智能控制,以应对各种复杂场景”。

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