淺談北斗衛(wèi)星導(dǎo)航與新一代信息技術(shù)融合

文｜楊菠 王瑞巍

中國信息通信研究院融合創(chuàng)新研究中心

關(guān)鍵字：北斗衛(wèi)星導(dǎo)航；北斗短報文；新一代信息技術(shù)；技術(shù)融合

一、前言

2020年7月，中國北斗三號全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正式開通，標(biāo)志著我國已建成具備全球覆蓋能力的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是著眼國家安全和經(jīng)濟社會發(fā)展需要，自主研制、獨立運行的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，可為全球用戶提供陸、海、空、天高精度、全覆蓋、全天候、全天時的定位、導(dǎo)航與授時服務(wù)的國家重要空間基礎(chǔ)設(shè)施。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)研發(fā)起步較晚，但北斗系統(tǒng)幾十年來卻已經(jīng)逐漸趕超，并且具有自己鮮明的技術(shù)特色。北斗系統(tǒng)的特色在于短報文服務(wù)，是通信系統(tǒng)與導(dǎo)航系統(tǒng)的結(jié)合。北斗短報文服務(wù)具備地面4G/5G無線通信網(wǎng)絡(luò)和傳統(tǒng)通信衛(wèi)星所不具備的獨特優(yōu)勢，如連續(xù)覆蓋、價格低廉、抗干擾強、實時可靠等，將大大推進衛(wèi)星通信服務(wù)經(jīng)濟生活進程。

覆蓋全球具備高精度定位、授時、導(dǎo)航和短報文通信功能的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已成為我國新一代信息技術(shù)（5G、人工智能、云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)和區(qū)塊鏈）的核心支撐和創(chuàng)新驅(qū)動。新一代信息技術(shù)可以利用自主可控的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)增強自身安全能力和功能拓展能力，并與北斗系統(tǒng)融合發(fā)展、互相促進。以下分析北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與新一代信息技術(shù)的融合創(chuàng)新應(yīng)用方向。

二、北斗系統(tǒng)與5G融合，構(gòu)建天地一體的時空安全體系

當(dāng)前5G移動通信網(wǎng)絡(luò)已確立為新一代國家信息基礎(chǔ)設(shè)施，肩負(fù)支撐國家經(jīng)濟發(fā)展與社會安全雙重任務(wù)，5G移動通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)運營必須堅持走自主可控的道路。獲取準(zhǔn)確可靠的時空信息是5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)必要前提。GPS衛(wèi)星信號受到無意或有意干擾導(dǎo)致失效的情況越來越多，如果5G通信基站還依賴GPS獲取時空信息就存在重大安全隱患。

首先，地基的5G通信網(wǎng)絡(luò)同步、授時和定位應(yīng)盡早采用北斗導(dǎo)航完全替代GPS。在此基礎(chǔ)上，建立一套5G通信網(wǎng)絡(luò)時空服務(wù)監(jiān)測評估網(wǎng)絡(luò)來確保5G網(wǎng)絡(luò)“端到端”的時鐘同步、網(wǎng)元位置信息的準(zhǔn)確可靠，感知各種干擾與惡意攻擊，從而提高監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)5G系統(tǒng)的魯棒性和抗干擾能力，為特殊情況做好準(zhǔn)備。

其次，天基的北斗時空基準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)為5G通信網(wǎng)絡(luò)提供高精度的同步、時鐘和位置基準(zhǔn)服務(wù)的同時，地基5G通信網(wǎng)絡(luò)可以對接收到的北斗信號進行監(jiān)控，將監(jiān)控結(jié)果數(shù)據(jù)通過5G通信網(wǎng)絡(luò)的傳輸網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到“北斗時空服務(wù)監(jiān)測數(shù)據(jù)中心”存儲歷史數(shù)據(jù)，形成大數(shù)據(jù)資源，通過機器學(xué)習(xí)對當(dāng)前監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，發(fā)現(xiàn)問題提早預(yù)警，建立一個廣域北斗服務(wù)監(jiān)測體系，構(gòu)建天地一體時空安全體系，將中國國家時空安全提升到全球領(lǐng)先地位。

三、北斗系統(tǒng)與人工智能融合，加速推進智能化、無人化平臺發(fā)展

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是天基定位導(dǎo)航授時系統(tǒng)，也是重要的時空信息感知手段。當(dāng)前人工智能的熱點是深度學(xué)習(xí)，機器通過對數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)，獲得類似人類的能力如態(tài)勢感知、語言識別、圖像判斷等。從更加深遠(yuǎn)廣闊的角度看，兩者均為現(xiàn)代化的時空信息技術(shù)與服務(wù)體系中不可分割的組成部分。結(jié)合兩者的優(yōu)勢已在諸多行業(yè)和方向中有了一定的探索發(fā)現(xiàn)，取得了一定的成績。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)可為自動駕駛、機器人、無人車、無人機、無人潛航器等多種多樣的無人應(yīng)用平臺提供精確時空信息；人工智能則是基于圖像信息、雷達信息、地形地貌等對無人系統(tǒng)所處周圍環(huán)境進行目標(biāo)檢測，并結(jié)合精確時空信息和儲存的地圖信息為控制決策提供基礎(chǔ)，并可以基于強化學(xué)習(xí)等實現(xiàn)無人系統(tǒng)的控制決策。

精準(zhǔn)可靠的時空信息在智慧城市領(lǐng)域同樣不可缺少，車輛交通信息，地下管網(wǎng)位置，物流調(diào)度信息，人員流動信息都要借助北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。人工智能系統(tǒng)代替人類來實時處理智慧城市的海量數(shù)據(jù)，可以大大提高城市的運作效率和綠色減排，比如智能決策對交通燈時長進行調(diào)控提升交通效率；智能系統(tǒng)自主定位地下管網(wǎng)故障節(jié)點降低故障處理時間；智能網(wǎng)聯(lián)汽車系統(tǒng)使出行安全快捷；基于個人定位終端預(yù)測人流走向，評估風(fēng)險。

四、北斗系統(tǒng)與云計算大數(shù)據(jù)融合，利用云技術(shù)管好用好北斗大數(shù)據(jù)

亞馬遜AWS、微軟Azure已開始部署衛(wèi)星云計算市場，云計算將是各國空間實力的一個賽點。2018年亞馬遜AWS就與多家衛(wèi)星公司合作，采用其提供的地面云計算基礎(chǔ)設(shè)施來存儲、分析和傳輸衛(wèi)星數(shù)據(jù)，大幅度減少了數(shù)據(jù)傳輸延時，同時提供了充足的算力保障。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、云計算、大數(shù)據(jù)都是新基建的重要組成部分。云計算不僅能為衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)提供虛擬化資源，還將以云原生為技術(shù)體系全面提升網(wǎng)絡(luò)和算力能力水平，“北斗在天，服務(wù)在地”。北斗系統(tǒng)運營服務(wù)每時每刻產(chǎn)生著海量數(shù)據(jù)，如北斗導(dǎo)航衛(wèi)星在軌運行數(shù)據(jù)、北斗星間鏈路傳輸數(shù)據(jù)、北斗星地互通數(shù)據(jù)、北斗地面設(shè)施之間傳輸數(shù)據(jù)、終端用戶上報信息和終端行跡數(shù)據(jù)等。通過數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)流處理、數(shù)據(jù)存儲形成高價值運營大數(shù)據(jù)，再通過各種數(shù)據(jù)分析手段（如運籌優(yōu)化、人工智能等）將其用于“可視管理”“調(diào)度決策”“資源優(yōu)化”“異常預(yù)警”等領(lǐng)域提高北斗系統(tǒng)的運行管理能力，更大程度發(fā)揮北斗衛(wèi)星資源使用效率，更好服務(wù)國民經(jīng)濟千行百業(yè)。云計算、大數(shù)據(jù)技術(shù)可以將分散于不同部門和不同行業(yè)的數(shù)據(jù)資源整合起來，實現(xiàn)資源的統(tǒng)一納管，高效利用，服務(wù)的彈性伸縮、按需獲取，管控的體系運維、智能提升。

五、北斗系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)融合，短報文撐起覆蓋全球物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)回傳

短報文是北斗注冊用戶通過北斗星座與其他用戶建立無線通信鏈接。不同級別的北斗卡可得到不同類別的服務(wù)，普通用戶通信頻率是120 漢字/次；三級北斗卡發(fā)送短報文的時間頻率是1分鐘一次。根據(jù)需求，可選擇兩種數(shù)據(jù)類型的短報文服務(wù)，一種為通常漢字通信采用ASCII 碼的方式，另一種是BCD 碼方式。隨著北斗三號系統(tǒng)的開通，短報文通信服務(wù)也迎來功能全面升級，區(qū)域服務(wù)容量提高到每小時1000萬次，信息發(fā)送能力從120個漢字/次提升到了1000個漢字/次，此外，北斗三號系統(tǒng)還可支持發(fā)送圖片與聲音等多媒體信息。

物聯(lián)網(wǎng)指通過各種激光掃描器、紅外感應(yīng)器、信息傳感器、定位裝置、射頻識別等各種裝置和技術(shù)，實時采集需要監(jiān)控、連接、互動的物體和過程，采集其電、力、化、聲、光、熱、生物、位置等各種信息，通過各種可用接入網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)物與人、物與物的泛在互聯(lián)，從而實現(xiàn)實物與過程的智能化感知、識別及管理。作為新一代信息技術(shù)的重要組成部分，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)正在推動世界邁向萬物互聯(lián)時代。

物聯(lián)網(wǎng)的一個關(guān)鍵技術(shù)難題就是如何把采集的數(shù)據(jù)回傳到物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心，如NB-IoT、LoRa、Wi-Fi 6這些先進無線傳輸技術(shù)單個發(fā)射基站只能覆蓋從幾十米到幾千米，如果要做到超大面積覆蓋如一個城市，就只能采用蜂窩方式建設(shè)基站網(wǎng)絡(luò)，此方式成本巨大，并且在無人荒漠和海洋無法實施。

北斗系統(tǒng)通信導(dǎo)航結(jié)合的短報文為全世界獨有，隨著北斗三號系統(tǒng)核心星座部署完成，北斗三號短報文通信服務(wù)也迎來功能的全面升級，將高容量、大傳輸量、小型化、低功耗的北斗三號短報文服務(wù)用于廣泛覆蓋物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)回傳，可提供一種高可靠，低成本，易部署的物聯(lián)網(wǎng)解決方案。只要北斗系統(tǒng)信號覆蓋的區(qū)域就可以快速部署物聯(lián)網(wǎng)，這就解決了在廣袤無人區(qū)、海外基地和海洋部署物聯(lián)網(wǎng)的難題。

六、北斗系統(tǒng)與區(qū)塊鏈融合，夯實我國網(wǎng)信安全時空基石

2020年國家發(fā)改委將區(qū)塊鏈技術(shù)納入信息基礎(chǔ)設(shè)施的新技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施中。區(qū)塊鏈作為一項新興技術(shù)，一方面，能夠推動數(shù)字經(jīng)濟下的數(shù)據(jù)要素流通，有效解決了數(shù)據(jù)要素流通的數(shù)據(jù)確權(quán)和數(shù)據(jù)共享、共治的問題。另一方面，區(qū)塊鏈能夠提高“新基建”中網(wǎng)絡(luò)安全能力，利用身份驗證保護邊緣設(shè)備、提升數(shù)據(jù)的保密性和完整性。目前區(qū)塊鏈已在航天、環(huán)保、金融、司法、行政執(zhí)法、公安等領(lǐng)域使用，為各行各業(yè)守護全流程數(shù)據(jù)真實。當(dāng)前區(qū)塊鏈技術(shù)推廣中最大風(fēng)險還是其安全性，區(qū)塊鏈與北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)進行融合，不僅使用精準(zhǔn)時間戳記錄數(shù)據(jù)產(chǎn)生時間，而且可以同時采用北斗定位芯片來記錄數(shù)據(jù)產(chǎn)生服務(wù)器所在的空間坐標(biāo)，即同時在時空兩個維度證明上鏈前后數(shù)據(jù)的真實性。在區(qū)塊鏈時間戳上添加北斗定位信息，這一做法的確能大大提升數(shù)據(jù)真實性，區(qū)塊鏈技術(shù)與北斗定位結(jié)合是首創(chuàng)，是兩大中國技術(shù)相結(jié)合的一大創(chuàng)新。

七、結(jié)束語

目前，北斗系統(tǒng)在應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化方面不斷邁上新臺階。隨著5G移動通信時代的到來，北斗系統(tǒng)正與大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能、區(qū)塊鏈及新一代通信等新技術(shù)快速融合，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用的新模式、新業(yè)態(tài)、新經(jīng)濟不斷涌現(xiàn)。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航相關(guān)產(chǎn)品正廣泛應(yīng)用于交通運輸、水文監(jiān)測、測繪地理信息、氣象預(yù)報、海洋漁業(yè)、森林防火、電力調(diào)度、通信時統(tǒng)、應(yīng)急搜救、救災(zāi)減災(zāi)等領(lǐng)域，逐步滲透到生產(chǎn)生活中的方方面面，為經(jīng)濟社會發(fā)展注入新血液。北斗全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是新基建的守護者，是經(jīng)濟發(fā)展的新動力，是提高人們獲得感的新抓手，是中國向全世界展示科技實力的一張亮麗名片。