片上時空系統(tǒng)及綜合時空網(wǎng)管發(fā)展分析

景貴飛

(北京航空航天大學 前沿科學技術(shù)創(chuàng)新研究院,北京 100091)

0 引 言

全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)(GNSS)有四個星座在天空運行發(fā)送信號,對于衛(wèi)星導航應用提供了良好機遇,廠商和用戶之間的互動把導航與位置服務拓展到了泛在空間,據(jù)統(tǒng)計,單純室外環(huán)境應用僅占導航與位置服務場景的20%左右,室內(nèi)(包括海洋、地下等環(huán)境)定位場景約占80%[1-2],構(gòu)建以GNSS為核心的綜合時空體系提供泛在、融合、智能的服務就成了各大國努力的熱點[3-5],在此基礎(chǔ)上，推動人、物時空標簽服務萬物互聯(lián)時代就成了技術(shù)、產(chǎn)品、服務競爭的核心．微型時空系統(tǒng)(Micro-PNT)就是一個熱點方向[6-7],片上時空系統(tǒng)(PNToC)是其更加明確的概念名稱,直觀說明其特性、數(shù)量及產(chǎn)值的最大發(fā)展方向．

1 綜合時空體系成為趨勢

GNSS系統(tǒng)具有脆弱性,這在國內(nèi)外已經(jīng)達成了共識,在無線電信號弱、穿透力差、易受干擾的環(huán)境及深空、水下、地下、室內(nèi)等特別地形環(huán)境,以及復雜電磁環(huán)境下，GNSS應用能力非常弱,甚至沒有信號．因此GNSS系統(tǒng)并不能解決所有用戶的導航需求,用戶在不同的應用場合需要不同的導航手段,以滿足自身的導航需求[8-9]．

為了解決泛在定位導航和授時問題,世界各國都進行了研究．習近平主席在2018年向聯(lián)合國GNSS國際委員會第十三屆大會致賀信中提出,2020年北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)(BDS)服務范圍覆蓋全球,2035年前還將建設(shè)完善更加泛在、更加融合、更加智能的綜合時空體系[10]．綜合時空體系是近年國際上研究定位授時系統(tǒng)發(fā)展的熱點,最具有代表性和競爭性的是美國提出的綜合定位導航授時(PNT)體系[11-12]．

美國2006年提出了國家PNT體系的構(gòu)想,但迄今為止尚未給出明確定義,美國僅僅給出了國家PNT體系的框架描述．2004年美國總統(tǒng)簽署并頒布了《美國國家天基定位、導航與授時政策》(U.S. Space-Based Positioning, Navigation, and Timing Policy),取代了1996年美國總統(tǒng)頒布的《美國全球定位系統(tǒng)政策》(U.S. Global Positioning System Policy),采用PNT概念取代GPS,標志著衛(wèi)星導航系統(tǒng)進入以PNT為基本要素的新時代,2004年美國成立“國家天基定位、導航和授時執(zhí)行委員會”(National Executive Committee for Space-Based Positioning, Navigation, and Timing),作為軍民聯(lián)合體從國家層面對GPS項目進行關(guān)注和指導,并直接向白宮匯報．美國國防部2018年公開版《定位導航與授時體系戰(zhàn)略》,闡述了國防部定位導航與授時體系的戰(zhàn)略背景、政策目標、管理體制、管理程序、軍事應用和影響力,以利用現(xiàn)代化GPS等PNT能力,采取模塊化開放系統(tǒng)集成方法,為聯(lián)合部隊提供精確、可靠和彈性的應用服務,全面提升美軍作戰(zhàn)能力[13]．雖然GPS作為美國主要的天基PNT服務設(shè)施已在美國甚至全球擁有廣泛應用,但其固有的脆弱性正逐步影響著PNT服務的可用性和魯棒性．

為了應對在使用基于GPS的PNT服務時易受干擾和特殊環(huán)境無法訪問的挑戰(zhàn),美國國防高級研究計劃局(DARPA)提出了“適應性導航系統(tǒng)”(ANS)尋求向軍事用戶提供GPS質(zhì)量的PNT,而不管其運行環(huán)境如何．DARPA還在開發(fā)具有導航級別或更高級別芯片級慣性傳感器的Micro-PNT項目,以及使用冷原子干涉測量技術(shù)進行高精度導航而無需長時間依賴外部位置確定的慣性測量單元(IMU)[6]．

我國對于綜合時空體系(或稱綜合PNT體系)高度重視,各部門開展了不同程度的戰(zhàn)略布署、科研等工作．2015年中國衛(wèi)星導航系統(tǒng)管理辦公室發(fā)布了首批國家綜合PNT體系項目指南,包括國家綜合PNT體系需求分析、國家綜合PNT體系頂層設(shè)計、國家綜合PNT體系仿真驗證與性能評估技術(shù)研究、深空導航授時技術(shù)路線圖研究、水下PNT技術(shù)路線圖研究、遠程地基導航系統(tǒng)概念研究、基于地面射電觀測的數(shù)據(jù)庫構(gòu)建技術(shù)研究、全源融合定位導航應用關(guān)鍵技術(shù)研究、導航通信深度融合關(guān)鍵技術(shù)研究等9個項目．楊元喜院士2016年提出了綜合PNT定義[4]:基于不同原理,多種信息源,經(jīng)過云平臺控制、多傳感器高度集成和多源數(shù)據(jù)的融合,生成時空基準統(tǒng)一的、且具有抗干擾、防欺騙、穩(wěn)健、可用、連續(xù)、可靠的全空間PNT服務體系．它的核心要素在于,不同的原理、不同的信息源要形成網(wǎng)絡(luò),要經(jīng)過云平臺控制,最后實現(xiàn)智能化的服務．

我國科學家也進一步研究提出了任務設(shè)想，針對不同環(huán)境及場景,用戶可選配一種或多種PNT手段融合滿足自身導航需求[14]：1)地表及航空用戶，以BDS為主,以慣性導航為輔,以地基系統(tǒng)為備份手段,天基/地基增強系統(tǒng)、低軌衛(wèi)星增強系統(tǒng)為增強手段．2)近地空間用戶，以BDS為主,以天文導航、慣性導航為主要備份手段．3)深空用戶，以天文導航(包括X射線脈沖星導航系統(tǒng))等手段為主,以慣性導航以及BDS為主要備份手段．4)室內(nèi)及遮擋區(qū)域用戶，以地基增強、慣性導航、羲和系統(tǒng)等為主,以BDS為支撐．5)水下用戶:以慣性導航、基于BDS的水下專用導航系統(tǒng)為主,以重力/磁力導航為輔,以BDS為支撐．6)軍用及特殊用戶，通過多路、多源信號備份等方式,從系統(tǒng)層面進行導航戰(zhàn)能力設(shè)計;提高抗干擾、防欺騙能力以及導航信號增強能力,實現(xiàn)靈活、智能的防御能力及對敵方的拒止服務與欺騙干擾．

目前看來,多源PNT信息源的集成與融合應用將成為未來綜合時空服務體系的主要發(fā)展方向,即綜合時空服務體系;相應地多傳感器集成PNT服務也將成為PNT應用端的主流方向,而且多傳感器集成必須小型化且低功耗,于是微型PNT將是綜合PNT終端的核心技術(shù),片上時空系統(tǒng)是與大規(guī)模集成電路密切相關(guān)的．隨著未來綜合時空體系的建設(shè)以及微型PNT核心技術(shù)的突破,多源PNT組件集成、PNT服務體系建設(shè)將成為研究熱點．各國的工作、不同科學家的工作,盡管名稱不同、布設(shè)項目內(nèi)容有差別,但都是在探索綜合時空體系的未來框架、技術(shù)和模式,目前在具體包含的內(nèi)容、實施步驟、服務模式等工作還未達成共識,更談不上開展建設(shè)和運行了．

誰能夠在綜合時空體系研發(fā)和建設(shè)中先行一步、取得突破進展,就意味著在今后時空領(lǐng)域應用中占得先機,取得戰(zhàn)術(shù)上的優(yōu)勢．

2 片上時空系統(tǒng)將成為綜合時空體系發(fā)展的核心

片上時空系統(tǒng)概念與片上系統(tǒng)(SoC)類似,指的是利用芯片和微機電系統(tǒng)(MEMS)等技術(shù),在單個芯片上進行集成構(gòu)建一個完整的PNT系統(tǒng)的技術(shù)、以及由此形成的相應產(chǎn)品．

片上時空體系就是指微PNT芯片產(chǎn)品,是在泛在時空服務的需求下,服務終端的便攜、可嵌入、低能耗、待機時間長等成為新的數(shù)字技術(shù)應用社會里的必然趨勢,其發(fā)展受到業(yè)界的高度重視,各國投入巨資進行研發(fā),并取得了很好的成果．其主要是利用高精度MEMS、陀螺、加速度計及多模多頻GNSS接收機,實現(xiàn)快速高精度定向和組合導航功能,實時解算載體的位置、航向、姿態(tài)、速度等信息,抗遮擋及多路徑干擾,實現(xiàn)山區(qū)隧道、城市峽谷、高架等環(huán)境中車輛的長時間、高精度、高可靠性導航．支持GNSS RTK功能,提供標準化用戶通用協(xié)議,具備良好可擴展性．

美國微PNT在充分吸收原有研究成果基礎(chǔ)上,通過整合舊有項目和增加新項目以實現(xiàn)更高要求,2001年開始計劃芯片級原子鐘(CSAC)相關(guān)研究,2005年支持導航級集成微陀螺儀(NGIMG)研究,2008年支持微慣性導航技術(shù)(MINT)和集成化微型主原子鐘技術(shù)(IMPACT)研究,2009年支持MEMS自主旋轉(zhuǎn)平臺研究,2010年啟動微PNT計劃并新增5個項目[6]．

經(jīng)過多年的發(fā)展,目前市場上已經(jīng)具備了多款產(chǎn)品．目前從市場容量和訂單現(xiàn)實性來看,片上PNT在車輛導航上發(fā)揮越來越重要的作用,對于衛(wèi)星定位信號出現(xiàn)問題時的保障得到了市場認可[15],其目前被寄予厚望的最為重要的切入點和核心內(nèi)容之一是在智能駕駛汽車領(lǐng)域[16-17],據(jù)統(tǒng)計，智能駕駛汽車產(chǎn)值52%來自車輛本身,26%來自傳感器硬件,17%來自計算硬件,5%來自集成,片上PNT被做為自動駕駛系統(tǒng)必備的核心傳感器,每輛車的正常行駛都離不開．未來引用的“車路協(xié)同”、V2X,將車和路視為一個大系統(tǒng),全部智能化、物聯(lián)網(wǎng)化,每個設(shè)備端自成一體又與云端通訊交互,都需要配備價格、體積、精度適宜的片上PNT系統(tǒng),這對片上PNT技術(shù)、工藝、配套集成上的發(fā)展是一個巨大的拉動[18-19]．

未來片上時空系統(tǒng)的重要性在產(chǎn)業(yè)上的體現(xiàn)將主要由物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展引發(fā)．物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展是以美國麻省理工學院自動化識別系統(tǒng)中心一研究的產(chǎn)品電子代碼為核心,利用射頻識別技術(shù)、無線數(shù)據(jù)通信技術(shù)等理論知識為背景,結(jié)合計算機技術(shù)和以互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為依托,構(gòu)建以實物為研究對象的互聯(lián)網(wǎng)平臺．物聯(lián)網(wǎng)可以將所有物品利用射頻識別設(shè)備、傳感器等技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)進行有機的融合,實現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)的智能化和集中化,增加了人類對身邊物品的管理程度[20]．物聯(lián)網(wǎng)通過二維碼識別設(shè)備、射頻識別(RFID)裝置、紅外感應器、全球定位系統(tǒng)和激光掃描器等信息傳感設(shè)備,按約定的協(xié)議把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)相連接,進行信息交換和通信,以實現(xiàn)識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理智能化.定位、授時的屬性是與網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建和應用密不可分、天然交融的,國內(nèi)外科學家對于實現(xiàn)這種信號服務進行了較多的研究,但目前尚未取得一致性的室內(nèi)覆蓋信號[21-22]．Gartner的數(shù)據(jù)顯示,2020年全球范圍內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)終端安裝數(shù)量預計將達到197.8億個,較2015年的45.8億個增長332%．由于物聯(lián)網(wǎng)終端安裝數(shù)量的快速增長,物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備所需物聯(lián)網(wǎng)連接芯片數(shù)量也將按比例快速增長[23]．定位、授時成為物聯(lián)網(wǎng)不可缺少的技術(shù),片上時空系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)芯片相結(jié)合也成為綜合時空體系應用最大的、最具前景的方向．也是體現(xiàn)泛在、融合、智能定位導航授時等時空服務的核心內(nèi)容．

3 綜合時空體系網(wǎng)絡(luò)運管系統(tǒng)助力集成

綜合時空體系的云平臺控制雖然在定義中被提及[4，24],但其研究幾乎是被忽視的,綜合時空體系的網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)是云平臺控制的一種探討模式．相較云平臺控制的概念,綜合時空體系的網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)的概念更具體、更容易說明其內(nèi)涵．

衛(wèi)星導航系統(tǒng)的主控中心運行的就是衛(wèi)星導航系統(tǒng)及其服務的網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng),只是它僅限于衛(wèi)星導航系統(tǒng),有不多的情況下可能還包括增強或差分系統(tǒng)．我們提到的網(wǎng)管系統(tǒng)希望是能夠管理協(xié)調(diào)全空間泛在覆蓋的導航定位授時信號、調(diào)控萬物互聯(lián)物體的導航與位置服務、具備系統(tǒng)性能保障和增值運行的系統(tǒng),要求信號更加復雜多樣、終端管理數(shù)量更加龐大、對終端性能和網(wǎng)絡(luò)故障診斷保障要求更高、商業(yè)增值服務可支撐性更強．

信號源的調(diào)控和面向終端用戶的服務需要網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)．室外環(huán)境有衛(wèi)星導航和慣導作為整體比較單一的信號供應,管理上有很好的運行系統(tǒng),但是室內(nèi)環(huán)境由于每一個小型區(qū)域例如一個房間、一座大樓、一個機構(gòu)等都可能是一個獨立的室內(nèi)定位信號系統(tǒng),具備自己的坐標系、體制、頻點、功率等要素,因此管理信號源對于網(wǎng)管系統(tǒng)有極高的要求．

終端用戶是在不同的信號源之間運動穿越的,需要網(wǎng)管系統(tǒng)對于信號和終端之間的適配及時作出反應,在一定數(shù)量的請求頻率、動態(tài)、用戶數(shù)情況下,保證每個用戶都得到良好服務,目前我國每天定位請求服務已經(jīng)超過1500億次,隨著未來物聯(lián)網(wǎng)的逐步壯大，這個數(shù)字也將會巨量膨脹．同時,網(wǎng)管系統(tǒng)還需要對信號到終端的整體流程的服務質(zhì)量、故障診斷進行隨時的檢測,對各類事故作出及時應對．

綜合時空體系的網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)在全國甚至全球的布設(shè)需要認真研究和模擬分析．用戶是多方面的,既有全國范圍、全球范圍不同城市之間流動的,也有城市內(nèi)部不同社區(qū)之間流動的,目前看起來,全球移動通信系統(tǒng)的建設(shè)和運行為綜合時空體系網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)的建設(shè)提供了良好的條件,剖析和學習移動通信系統(tǒng)顯得非常重要．移動通信網(wǎng)管系統(tǒng)的基本概念也就是提供一個有組織的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),以取得各種類型的操作系統(tǒng)之間、操作系統(tǒng)與電信設(shè)備之間的互連,它采用一定的體系結(jié)構(gòu)通過標準協(xié)議和信息接口進行管理信息交換,來支撐移動通信網(wǎng)絡(luò)和其業(yè)務的規(guī)劃、配置、安裝、操作及組織．因此網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)需要在體系結(jié)構(gòu)、協(xié)議、接口等方面進行相應理論研究、技術(shù)開發(fā)．

綜合時空體系的網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)必須要支持管理業(yè)務的實現(xiàn),滿足對被管理網(wǎng)絡(luò)的操作、維護和管理的需要．綜合時空體系的網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)的應用領(lǐng)域幾乎涉及PNT的方方面面,從業(yè)務預測到網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃,從時空工程、系統(tǒng)安裝到運行維護、網(wǎng)絡(luò)組織;從業(yè)務控制和質(zhì)量保證到運行企業(yè)的事務管理等．業(yè)務范圍至少包括綜合時空體系日常業(yè)務和網(wǎng)絡(luò)運行管理業(yè)務、綜合時空體系的檢測,測試和故障處理等網(wǎng)絡(luò)維護管理業(yè)務、綜合時空體系網(wǎng)路控制和異常業(yè)務處理等網(wǎng)絡(luò)控制業(yè)務．

4 發(fā)展片上時空系統(tǒng)設(shè)想

片上時空系統(tǒng)產(chǎn)品畢竟是在集成電路上實現(xiàn)定位、導航、授時的專業(yè)性服務,因此首先符合大規(guī)模集成電路的技術(shù)和生產(chǎn)要求;同時作為專業(yè)性的產(chǎn)品,也同樣具有自身的要求．從大規(guī)模集成電路技術(shù)來看,我國與國際領(lǐng)先水平相比存在較大的差距,這兩年中美之間不斷爆發(fā)的芯片方面的貿(mào)易沖突充分顯示了這一點;其次是涉及片上集成所需要的微小型化高精度陀螺、加速度計等器件研制、制造尚有較大差距．上述兩類主要差距都不是一朝一夕、僅僅依靠資金投入就能夠解決的,需要國家花大力氣參照集成電路基金的模式支持科研攻關(guān)、市場開拓．

鑒于上述兩方面的較大約束,建議通過綜合時空體系的網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng),加強云平臺控制能力,通過向片上時空系統(tǒng)提供更加精細、多樣的PNT信號,減少片上系統(tǒng)單獨運作的計算、校準等壓力,提高多信號集成融合能力,在同樣成本、組件性能條件下提高服務精度和整體性能．

因此對于發(fā)展我國片上時空系統(tǒng)提出以下設(shè)想:

1)加強微小型化高精度器件研發(fā)．片上時空系統(tǒng)依賴于小型化陀螺等器件與MEMS技術(shù)的融合．MEMS慣性傳感器對于慣性導航系統(tǒng)的小型化具有關(guān)鍵意義．MEMS創(chuàng)造了慣性導航應用的新市場,MEMS具有體積小、成本低廉等潛力,吸引了全世界的科研人員致力于發(fā)展民用和戰(zhàn)術(shù)級別的MEMS導航系統(tǒng)．當前已經(jīng)實用的最好 MEMS IMU陀螺漂移為5°/h～20°/h,加速度計零偏約為1 mg,還未真正達到戰(zhàn)術(shù)應用的精度．MEMS IMU將逐漸滲透進光纖陀螺和環(huán)形激光陀螺占據(jù)統(tǒng)治地位的應用市場,并將開辟新的需要更小體積和更低成本的應用領(lǐng)域．現(xiàn)在市場上已經(jīng)提供民用級的MEMS,其中很多可以與GPS進行組合導航．近幾年,民用級的MEMS系統(tǒng)角速度敏感精度為1°/h,加速度敏感精度為幾百μg,但還沒有產(chǎn)品化[18]．對于MEMS 慣性系統(tǒng)而言,獲得精度合適的陀螺比加速度計更加困難．MEMS IMUs 的性能主要受限于陀螺的性能．

2)以綜合時空體系網(wǎng)絡(luò)運管系統(tǒng)助力片上時空系統(tǒng)的實用化．對于片上時空系統(tǒng)來說,與網(wǎng)管系統(tǒng)之間的協(xié)議可能是最重要的．通過協(xié)議,及時獲知不同定位信號的參數(shù),對于片上系統(tǒng)組合集成來說通過網(wǎng)管系統(tǒng)可調(diào)整主要定位功能,節(jié)省能耗.同時形成相互校正機制,對其他導航定位機制提供參考,保證高精度服務和可靠性能.

3)降低集成難度,降低對單純靠慣導、原子鐘等自身高性能獲得良好服務的依賴.通過網(wǎng)管系統(tǒng)服務參數(shù),在目前慣導、原子鐘等低精度的情況下,也能夠滿足更多的應用需求,畢竟量子導航、芯片原子鐘的創(chuàng)新是非常困難的,獲得突破需要一定的時間．

4)加強衛(wèi)星導航信號、慣導、授時、室內(nèi)定位信號在片上的融合集成．從中美對綜合時空體系的研究現(xiàn)狀可以看出,目前室內(nèi)室外環(huán)境的1米級高精度定位導航的可靠實現(xiàn)還是有很大的距離的．首先是室外環(huán)境的衛(wèi)星導航系統(tǒng)具有脆弱性,慣導系統(tǒng)雖然能夠補充衛(wèi)星導航系統(tǒng)的一些不足,但是尚未解決小型化和高精度的難題,Micro-PNT、量子導航等雖然有了一定進展,但目前看來在3～5年實現(xiàn)小型化和1 m導航能力還是非常困難的．其次，對于室內(nèi)導航，目前還沒有發(fā)現(xiàn)可在廣域范圍內(nèi)通過單獨一個信號體制進行建設(shè)的有效方法：中美歐各國經(jīng)過多年的科研攻關(guān),目前Wifi/iBeacon/UWB/TC-OFDM/偽衛(wèi)星等技術(shù)分別在不同的用戶、地點、范圍布設(shè)并得以應用,但還沒有提出一個類似室外衛(wèi)星導航能夠整體布設(shè)、統(tǒng)一服務的系統(tǒng),室內(nèi)定位的巨大需求已經(jīng)促使用戶在各自局域范圍內(nèi)快速布設(shè)不同的室內(nèi)定位信號系統(tǒng),這在提供室內(nèi)服務的同時也進一步增加室內(nèi)信號服務的多樣性、廣域統(tǒng)一的復雜性,極大增加了廣域范圍用戶應用的難度．目前各國科學家的研究重點大多集中在終端集成上,希望通過終端集成提供可適應各類信號源的服務．

5 結(jié)束語

針對泛在融合智能的綜合時空體系建設(shè)要求,推動了PNT技術(shù)應用的進步和跨學科領(lǐng)域的合作,分析了市場競爭催生的片上時空系統(tǒng)/微PNT產(chǎn)品的研發(fā)和市場供給,提出片上時空系統(tǒng)作為綜合時空體系最普遍的一種產(chǎn)品形式,具有與物聯(lián)網(wǎng)密切結(jié)合的需求特性,必將成為下一階段技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的熱點,我國面對大規(guī)模集成電路、微小型化慣導研制等競爭局面,應當開拓思路,拓展構(gòu)建良好的綜合時空體系網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)，減輕片上系統(tǒng)壓力,提高整體服務性能．突破這些技術(shù)難題,將會把BDS、導航與位置服務拓展到千億級、萬億級用戶的市場空間,向能隨時隨地為人們提供時間空間信息服務的智慧時代邁出扎實的一步．