綜合PNT 應(yīng)用服務(wù)體系：概念框架、技術(shù)路線與應(yīng)用展望

蔚保國，鄧志鑫，張京奎，黃璐，賈浩男

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所 衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與裝備技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,石家莊 050081)

0 引言

我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou Navigation Satellite System，BDS)經(jīng)歷了從無到有、從服務(wù)中國到服務(wù)亞太、再到全球組網(wǎng)的“三步走”發(fā)展歷程，北斗三號(hào)(BeiDou-3 Navigation Satellite System，BDS-3)全球覆蓋并達(dá)到了國際先進(jìn)水平.自北斗系統(tǒng)提供服務(wù)以來，已在各行各業(yè)得到廣泛應(yīng)用，并進(jìn)入大眾消費(fèi)、共享經(jīng)濟(jì)和民生領(lǐng)域，產(chǎn)生了顯著的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)，深刻改變了人們的生產(chǎn)生活方式.近年來，隨著“北斗+”和“+北斗”的深化發(fā)展，北斗與5G、物聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、區(qū)塊鏈、人工智能等技術(shù)的融合創(chuàng)新將帶來數(shù)字化革命，催生出更廣闊的衛(wèi)星導(dǎo)航與位置服務(wù)產(chǎn)業(yè).2035 年前，我國還將建設(shè)完善更加泛在、更加融合、更加智能的國家綜合時(shí)空體系，為全球用戶提供性能更高、更加可靠和更加豐富的時(shí)空信息服務(wù)，并帶動(dòng)綜合時(shí)空信息產(chǎn)業(yè)跨越式發(fā)展.

當(dāng)前，面向未來更為廣闊的綜合時(shí)空應(yīng)用，我國數(shù)字化社會(huì)轉(zhuǎn)型的時(shí)空基座還未完全建成，時(shí)空信息服務(wù)的泛在性、精準(zhǔn)性和普適性問題尚未完全解決，規(guī)?；氖覂?nèi)外“全國一張網(wǎng)”尚未實(shí)現(xiàn)，時(shí)空信息服務(wù)技術(shù)發(fā)展明顯滯后于市場需求，與“無處不在、無時(shí)不有”的時(shí)空信息服務(wù)目標(biāo)尚有較大差距，傳統(tǒng)分散的、局部的、非典型、非標(biāo)準(zhǔn)化的時(shí)空信息服務(wù)解決方案難以滿足隨遇接入、泛在精準(zhǔn)、無縫銜接、安全可信的時(shí)空信息服務(wù)應(yīng)用要求.時(shí)空信息服務(wù)與經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展過程中的其他領(lǐng)域一樣，必須走體系化發(fā)展之路.

國家綜合定位、導(dǎo)航與授時(shí)(positioning,navigation and timing,PNT)體系是在國家層面統(tǒng)一組織協(xié)調(diào)下，服務(wù)于國防、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)，承擔(dān)國家時(shí)空基準(zhǔn)建立與維持、時(shí)空信息播發(fā)與獲取、PNT 服務(wù)與應(yīng)用等任務(wù)的國家信息基礎(chǔ)設(shè)施[1].文獻(xiàn)[2]于2020 年提出了綜合時(shí)空體系網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)概念，建立了由7 個(gè)單元組成的網(wǎng)管框架，但單純依賴網(wǎng)絡(luò)管理無法全面解決綜合PNT 應(yīng)用服務(wù)問題，綜合PNT 應(yīng)用服務(wù)是天地協(xié)同、通導(dǎo)融合、軟硬并舉、多態(tài)服務(wù)的復(fù)雜體系，必須充分借鑒學(xué)術(shù)界關(guān)于復(fù)雜系統(tǒng)理論與應(yīng)用的研究成果.文獻(xiàn)[3]提出了復(fù)雜系統(tǒng)理論在構(gòu)建生態(tài)文明指標(biāo)體系中的應(yīng)用方法，指出將互相交錯(cuò)影響的各生態(tài)文明指標(biāo)因子整合起來，最大限度實(shí)現(xiàn)因子間的協(xié)同增效.文獻(xiàn)[4]基于復(fù)雜系統(tǒng)理論提出了“精準(zhǔn)感知-深度認(rèn)知-智能推演-科學(xué)決策”的平行城市虛實(shí)互動(dòng)框架，解決了復(fù)雜環(huán)境城市治理問題；工業(yè)界在傳統(tǒng)信息網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上，基于復(fù)雜系統(tǒng)理論提出了數(shù)字化、軟件化、智能化、一體化的網(wǎng)信體系理念，并開發(fā)了系列化規(guī)?；W(wǎng)絡(luò)信息應(yīng)用.

本文面向綜合PNT 應(yīng)用服務(wù)體系設(shè)計(jì)這一復(fù)雜系統(tǒng)性問題，充分利用復(fù)雜系統(tǒng)理論研究應(yīng)用成果，提出“按需彈性可伸縮綜合PNT 應(yīng)用服務(wù)體系”概念，設(shè)計(jì)具有“開放遮蔽全域一體、網(wǎng)云邊端泛在互聯(lián)、通導(dǎo)感控協(xié)同增效、聲光電磁多源融合”服務(wù)能力的綜合PNT 應(yīng)用服務(wù)體系方案，給出應(yīng)用服務(wù)概念框架、技術(shù)路線和應(yīng)用服務(wù)模式，最后對(duì)其應(yīng)用前景進(jìn)行了展望.

1 概念框架

基于更加泛在、更加融合、更加智能的體系需求，并結(jié)合各類用戶的實(shí)際需要和所處應(yīng)用場景，為自適應(yīng)、彈性化提供PNT 應(yīng)用服務(wù)是綜合PNT 體系的追求目標(biāo)，需要提供服務(wù)的主體和客體之間建立雙向協(xié)同的機(jī)制，因此彈性可伸縮綜合PNT 應(yīng)用服務(wù)體系及網(wǎng)絡(luò)應(yīng)是未來的主要發(fā)展方向.

1.1 概念定義

綜合PNT 應(yīng)用服務(wù)體系的概念內(nèi)涵：

以北斗為基石，以低軌增強(qiáng)為補(bǔ)充，聯(lián)合地面5G、偽衛(wèi)星、超寬帶(ultra wide band,UWB)等PNT服務(wù)手段，立足“數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化”技術(shù)特征，形成天地協(xié)同時(shí)空網(wǎng)絡(luò)；構(gòu)建對(duì)應(yīng)的數(shù)字孿生多域多維場圖[5]，形成場圖與網(wǎng)絡(luò)的雙向映射；基于場圖平臺(tái)構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)化可擴(kuò)展應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)生態(tài)，最終實(shí)現(xiàn)萬物互聯(lián)、泛在精準(zhǔn)的按需彈性可伸縮時(shí)空服務(wù)體系.

綜合PNT 應(yīng)用服務(wù)體系其目標(biāo)是提供“基準(zhǔn)統(tǒng)一、無縫覆蓋、彈性互備、安全可信、智能精準(zhǔn)、高效便捷”時(shí)空信息服務(wù)，具備“統(tǒng)一、無縫、彈性、可信、精準(zhǔn)”的基本特征.

“統(tǒng)一”是指時(shí)空基準(zhǔn)建立、維持與傳遞，以及PNT 信息應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范具備統(tǒng)一特征.

“無縫”是指綜合PNT 應(yīng)用服務(wù)范圍全空間連續(xù)不中斷，能夠在開闊空間、半遮蔽空間以及全遮蔽空間等場景下提供連續(xù)穩(wěn)定服務(wù).

“彈性”是指PNT 服務(wù)不受環(huán)境因素干擾，具備高可用、高連續(xù)和高可靠特征.

“可信”是指能提供有保障的PNT 服務(wù)，并具備故障檢測隔離與系統(tǒng)可重構(gòu)能力.

“精準(zhǔn)”是指所提供的導(dǎo)航定位精度能夠滿足大眾與特種行業(yè)應(yīng)用需求.

1.2 體系框架

綜合PNT 應(yīng)用服務(wù)體系框架分為節(jié)點(diǎn)層、網(wǎng)絡(luò)層、管理層和決策層，基本框架示意如圖1 所示.

圖1 綜合PNT 服務(wù)體系基本框架

節(jié)點(diǎn)層作為綜合PNT 應(yīng)用服務(wù)體系網(wǎng)絡(luò)中面向用戶的連接節(jié)點(diǎn)，以一體化白盒為載體，實(shí)現(xiàn)用戶與網(wǎng)絡(luò)間雙向信息交互；網(wǎng)絡(luò)層是時(shí)空基準(zhǔn)傳遞與時(shí)空服務(wù)信息播發(fā)的統(tǒng)一基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)，具備彈性可伸縮特性；管理層是為網(wǎng)絡(luò)和用戶提供PNT 信息的智能運(yùn)管服務(wù)，通過構(gòu)建基于數(shù)字孿生的網(wǎng)信場圖實(shí)現(xiàn)；決策層是PNT 體系的智能化服務(wù)體現(xiàn)，通過智能博弈算法提供復(fù)雜應(yīng)用任務(wù)的決策支持.

1.2.1 一體化白盒

與傳統(tǒng)節(jié)點(diǎn)設(shè)備存在技術(shù)壁壘、黑盒、設(shè)備間緊耦合等局限性相比，一體化白盒旨在減少基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)與運(yùn)營成本，是基于全國產(chǎn)化通用服務(wù)器+開放軟件生態(tài)的定位通信一體化基站設(shè)備，一體化白盒模型如圖2 所示.其主要思路是將北斗偽衛(wèi)星與5G 室內(nèi)“白盒”室分基站、UWB 基站融合，結(jié)合室內(nèi)外無縫導(dǎo)航網(wǎng)絡(luò)[6-7]，形成智能感知、學(xué)習(xí)、認(rèn)知、決策和調(diào)控能力.通過一體化白盒能夠?qū)崿F(xiàn)用戶與網(wǎng)絡(luò)按照設(shè)定協(xié)議傳遞當(dāng)前狀態(tài)、位置、時(shí)間等信息，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)層與網(wǎng)絡(luò)層間的信息融合交互.一體化白盒設(shè)備區(qū)別于傳統(tǒng)設(shè)備的特征在于通過標(biāo)準(zhǔn)且通用的硬件設(shè)計(jì)、必要固件、接口規(guī)范以承載多家廠商的軟件化功能組件，可提供更靈活的基站組合方案，支持導(dǎo)航定位與位置服務(wù)能力的軟件定義，是推動(dòng)綜合PNT 應(yīng)用服務(wù)數(shù)字化和智能化的重要支撐.軟件可定義是一體化白盒的關(guān)鍵技術(shù)，其主要特征是軟件定義互連和軟件定義節(jié)點(diǎn).目前，相關(guān)技術(shù)在普適性網(wǎng)絡(luò)安全架構(gòu)、高效能處理、以及異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)等方面均取得了突破性的進(jìn)展[8].

圖2 一體化白盒模型

1.2.2 統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)

綜合PNT 應(yīng)用服務(wù)體系能力呈現(xiàn)必須在統(tǒng)一化PNT 信息網(wǎng)絡(luò)的支撐下運(yùn)行.為提升遮擋環(huán)境下PNT 服務(wù)可用性、安全需求下可信性、復(fù)雜場景下智能性，迫切需要突破北斗、低軌衛(wèi)星、5G、偽衛(wèi)星、UWB 等不同尺度空間下時(shí)空信息網(wǎng)絡(luò)一體化設(shè)計(jì)與彈性組網(wǎng)，以及多源數(shù)據(jù)處理、終端自適應(yīng)彈性導(dǎo)航等關(guān)鍵技術(shù)，構(gòu)建從單一系統(tǒng)到綜合體系，從通導(dǎo)融合到泛在時(shí)空的彈性可伸縮綜合PNT 應(yīng)用服務(wù)體系，是智能位置服務(wù)的必由之路，圖3 為天地協(xié)同PNT 統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)基本架構(gòu).

圖3 天地協(xié)同PNT 統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)基本架構(gòu)

綜合時(shí)空信息統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)是以我國建設(shè)完成的BDS 為核心，融合低軌衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)及其增強(qiáng)系統(tǒng)、地面移動(dòng)通信基站、空地偽衛(wèi)星以及多種室內(nèi)外定位導(dǎo)航源的“天基+地基”、“室內(nèi)+室外”天地協(xié)同時(shí)空信息統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)，借助云計(jì)算、人工智能，突破不同尺度空間時(shí)空信息云端多源數(shù)據(jù)處理和終端自適應(yīng)彈性導(dǎo)航定位技術(shù)，實(shí)現(xiàn)“全球瞬時(shí)高精度定位服務(wù)、室內(nèi)外無縫定位服務(wù)、大容量高并發(fā)位置服務(wù)、天地一體化應(yīng)急救援服務(wù)、網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)測評(píng)估智能推送服務(wù)”等服務(wù)能力.其中PNT 系統(tǒng)與通信系統(tǒng)的融合是時(shí)空信息統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)重點(diǎn)，通過通信系統(tǒng)內(nèi)生導(dǎo)航能力或構(gòu)建通導(dǎo)一體化融合網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)通信與導(dǎo)航的協(xié)同增效，提高綜合PNT 服務(wù)的強(qiáng)健性與完好性.

1.2.3 網(wǎng)信場圖

網(wǎng)信場圖定義為能夠綜合展示地理空間、電磁空間、網(wǎng)絡(luò)空間、認(rèn)知空間信息及其疊加融合態(tài)勢(shì)的可視化多域多維信息場圖.網(wǎng)信場圖是綜合PNT 應(yīng)用服務(wù)的可視化呈現(xiàn)載體，構(gòu)建與利用網(wǎng)信場圖是時(shí)空信息態(tài)勢(shì)呈現(xiàn)、時(shí)空信息網(wǎng)絡(luò)管理、時(shí)空信息增強(qiáng)服務(wù)的主要途徑[9].網(wǎng)信場圖主要特性是能夠提供綜合PNT 應(yīng)用服務(wù)體系的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)管、性能增強(qiáng)、預(yù)測決策，實(shí)現(xiàn)按需智能可信時(shí)空服務(wù).

基于數(shù)字孿生思路進(jìn)行多域多層網(wǎng)信場圖構(gòu)建，即以地理信息三維地圖為底座，將多域信息態(tài)勢(shì)數(shù)據(jù)庫與地理、系統(tǒng)、服務(wù)、管理的多域數(shù)字孿生相結(jié)合，形成基礎(chǔ)地理信息態(tài)勢(shì)層、PNT 信息態(tài)勢(shì)層、PNT 服務(wù)態(tài)勢(shì)層、PNT 管理態(tài)勢(shì)層等態(tài)勢(shì).數(shù)字孿生網(wǎng)信場圖可實(shí)現(xiàn)對(duì)綜合PNT 信息的全維度呈現(xiàn)與分析，面向用戶提供多域態(tài)勢(shì)呈現(xiàn)、服務(wù)性能評(píng)估、時(shí)空數(shù)據(jù)管理、信息健康預(yù)警等服務(wù).

數(shù)字孿生網(wǎng)信場圖還能提供PNT 信息輔助與增強(qiáng)服務(wù)，通過孿生地圖生成場景和測量信息，可增強(qiáng)物理PNT 網(wǎng)絡(luò)性能，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)圖約束輔助下多源融合連續(xù)定位.同時(shí)，借助于深度數(shù)字孿生多維場圖，通過虛實(shí)協(xié)同，實(shí)現(xiàn)PNT 網(wǎng)絡(luò)態(tài)勢(shì)管控.

1.2.4 智能博弈

在非合作機(jī)動(dòng)網(wǎng)應(yīng)用條件下，導(dǎo)航網(wǎng)絡(luò)無法對(duì)環(huán)境進(jìn)行精確感知建模，難以對(duì)信道狀態(tài)進(jìn)行合理高效估計(jì)，因此如何實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的導(dǎo)航信號(hào)在頻率、時(shí)隙、帶寬、功率等方面的動(dòng)態(tài)優(yōu)化分配，如何借助強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)協(xié)同、通導(dǎo)融合等技術(shù)提升信息網(wǎng)絡(luò)自主決策能力，是未來綜合PNT 應(yīng)用服務(wù)的核心技術(shù).未來一體化信息網(wǎng)絡(luò)龐大、異構(gòu)，應(yīng)用場景繁雜多變，將面臨信息環(huán)境復(fù)雜、服務(wù)需求多變、策略求解復(fù)雜等諸多挑戰(zhàn).博弈論是研究具有斗爭或競爭性質(zhì)現(xiàn)象的數(shù)學(xué)理論和方法，近年來智能博弈技術(shù)依賴博弈論和強(qiáng)化學(xué)習(xí)兩種范式的結(jié)合而取得了顯著成效[10-11].通過利用演化博弈、斯坦伯格博弈[12]等經(jīng)典博弈理論建立綜合PNT 網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用服務(wù)沖突與合作的數(shù)學(xué)模型，有望解決綜合PNT 應(yīng)用服務(wù)網(wǎng)絡(luò)資源的最優(yōu)分配難題.

隨著人工智能技術(shù)快速發(fā)展，基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)的方法具有較強(qiáng)的自我學(xué)習(xí)能力，能夠自動(dòng)提取特征，不僅適用于已知的場景，對(duì)未知且難于精確建模的場景也有一定的適用性.綜合PNT 系統(tǒng)是一個(gè)集導(dǎo)航、通信、感知于一體的巨型復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，解決智能博弈，需要突破基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)技術(shù)的服務(wù)能力驅(qū)動(dòng)、服務(wù)可達(dá)分析、服務(wù)效果評(píng)估等分析方法，支持對(duì)合作、非合作復(fù)雜問題的分析與決策，形成對(duì)綜合PNT 應(yīng)用服務(wù)復(fù)雜問題的統(tǒng)一認(rèn)識(shí)和解決方案.

2 綜合時(shí)空應(yīng)用服務(wù)體系技術(shù)路線

國家綜合PNT 體系是以北斗系統(tǒng)為核心，融合低軌衛(wèi)星、地面5G 通信、偽衛(wèi)星、自主傳感器等其他PNT 手段融合發(fā)展的綜合時(shí)空信息網(wǎng)絡(luò)[13-14]，具有時(shí)空基準(zhǔn)統(tǒng)一、網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通、彈性協(xié)同運(yùn)行的能力[15-16]，為達(dá)成上述能力，需按照 “固基、強(qiáng)網(wǎng)、增效”的技術(shù)路線進(jìn)行實(shí)施，圖4 展示了該體系架構(gòu)及要素.

圖4 綜合時(shí)空應(yīng)用服務(wù)體系架構(gòu)及要素

2.1 固基

固基是構(gòu)建時(shí)空統(tǒng)一的PNT 基礎(chǔ)設(shè)施與保障條件.固基的演進(jìn)路線主要包括六個(gè)方面：基準(zhǔn)統(tǒng)一、北斗核心、精度增強(qiáng)、泛在覆蓋、堅(jiān)韌備份、自主可控.

1)基準(zhǔn)統(tǒng)一：建設(shè)自主可控、穩(wěn)健可用的時(shí)空基準(zhǔn)與時(shí)空統(tǒng)一系統(tǒng).

基準(zhǔn)統(tǒng)一是構(gòu)建國家綜合PNT 體系的重要任務(wù)之一，通過構(gòu)建多層次、多節(jié)點(diǎn)、分布式的時(shí)空基準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)，為各類PNT 設(shè)施提供基準(zhǔn)服務(wù).從根基上提升國家綜合PNT 時(shí)空信息服務(wù)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)能力、從源頭上保證國家綜合PNT 時(shí)空信息服務(wù)網(wǎng)絡(luò)的能力上限、從體系上夯實(shí)底層資源.

2)北斗核心：進(jìn)一步夯實(shí)BDS 這一核心，實(shí)現(xiàn)國際領(lǐng)先的全球時(shí)空服務(wù).

進(jìn)一步增強(qiáng)BDS 的PNT 服務(wù)性能，提升全球覆蓋范圍的服務(wù)精度、提高全球PNT 完好性能力、夯實(shí)北斗導(dǎo)航信號(hào)的抗干擾能力、不斷鞏固BDS 的國際領(lǐng)先地位是綜合PNT 服務(wù)體系建設(shè)的重要發(fā)展方向[17].

3)精度增強(qiáng)：構(gòu)建天地一體化增強(qiáng)舉措，提升北斗精度優(yōu)勢(shì).

提供精度、可用性更優(yōu)的定位授時(shí)服務(wù)是綜合時(shí)空體系的重要任務(wù)，因此需要新型增強(qiáng)模式彌補(bǔ)北斗系統(tǒng)自身星基差分增強(qiáng)能力的欠缺.為此通過低軌衛(wèi)星導(dǎo)航、通導(dǎo)融合技術(shù)和完好性增強(qiáng)三個(gè)核心措施，解決廣域空間用戶快速高精度定位需求.

4)泛在覆蓋：多導(dǎo)航網(wǎng)無縫融合，實(shí)現(xiàn)天空、地、海PNT 全域覆蓋.

將定位授時(shí)能力擴(kuò)展到任意區(qū)域、實(shí)現(xiàn)泛在PNT 能力，既是天地協(xié)同PNT 網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展室內(nèi)、地下、水下、商業(yè)航天和公眾應(yīng)用優(yōu)勢(shì)的需要，也是滿足軍事活動(dòng)與泛在空間科研探索的保障.構(gòu)建新型水下導(dǎo)航網(wǎng)絡(luò)[18]、室內(nèi)外無縫定位網(wǎng)絡(luò)、地月/深空導(dǎo)航網(wǎng)絡(luò)，并將上述網(wǎng)絡(luò)與已有PNT 服務(wù)網(wǎng)融合，實(shí)現(xiàn)“無處不在、無時(shí)不有”的時(shí)空服務(wù).

5)堅(jiān)韌備份：完善與備份相結(jié)合，增強(qiáng)天地協(xié)同PNT 網(wǎng)絡(luò)安全.

未來綜合PNT 網(wǎng)絡(luò)將面臨更復(fù)雜的體系化對(duì)抗和更多不確定性因素，確保生命安全應(yīng)用、用戶隱私數(shù)據(jù)、對(duì)抗條件軍事應(yīng)用是綜合PNT 應(yīng)用服務(wù)的重大挑戰(zhàn)，需要從提高PNT 系統(tǒng)自身安全性和做好補(bǔ)充備份兩方面著手提升體系安全能力.

6)自主可控：提升自主核心研發(fā)能力，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)步可持續(xù)發(fā)展.

建立完善的自主研發(fā)體系，具備完整、開放、可自主發(fā)展的時(shí)空基礎(chǔ)服務(wù)平臺(tái)，掌握核心器部件自主可控研發(fā)能力，構(gòu)建綜合PNT 應(yīng)用服務(wù)生態(tài)；同步建立綜合時(shí)空服務(wù)體系國際化知識(shí)產(chǎn)權(quán)戰(zhàn)略布局、常態(tài)化管理組織、保障性政策法規(guī)，全面保障綜合時(shí)空信息服務(wù)的健康穩(wěn)步可持續(xù)發(fā)展.

2.2 強(qiáng)網(wǎng)

強(qiáng)網(wǎng)是立足北斗，融合多源PNT 網(wǎng)絡(luò)，增強(qiáng)PNT與信息網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同發(fā)展，全面提升服務(wù)能力.

目前，北斗應(yīng)用依然存在“泛在-精準(zhǔn)-普適”等痛點(diǎn).在泛在覆蓋方面，大量遮蔽環(huán)境下北斗導(dǎo)航信號(hào)無法使用；在快速精準(zhǔn)方面，北斗全球瞬時(shí)高精度服務(wù)尚未形成；在普適通用方面，北斗綜合PNT 融合服務(wù)的標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)模化仍有差距.

基于此，迫切需要構(gòu)建天地協(xié)同統(tǒng)一時(shí)空信息網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)綜合PNT 體系與網(wǎng)絡(luò)信息體系的深度融合.具體實(shí)施路線主要包括如下四個(gè)方面：

1) 三網(wǎng)融合的標(biāo)準(zhǔn)化體系架構(gòu)

建立“公網(wǎng)+專網(wǎng)+機(jī)動(dòng)網(wǎng)”的三網(wǎng)協(xié)同標(biāo)準(zhǔn)化體系架構(gòu)，從網(wǎng)絡(luò)側(cè)、云處理側(cè)、用戶端側(cè)三個(gè)層次服務(wù)框架，實(shí)現(xiàn)“三網(wǎng)+三層” 的全空間智能位置服務(wù)網(wǎng)絡(luò)總體解決方案.

2) 突破室內(nèi)外混合智能PNT 關(guān)鍵技術(shù)

打通室內(nèi)室外和地上地下空間的無縫連續(xù)精準(zhǔn)定位.面向復(fù)雜環(huán)境下的PNT 需求，構(gòu)建以北斗為核心，通信網(wǎng)絡(luò)、慣性系統(tǒng)、感知系統(tǒng)等多源信息深度融合的泛在智能PNT 系統(tǒng).

3) 落實(shí)室內(nèi)外PNT 與多體系協(xié)同機(jī)制

研究室內(nèi)外PNT 網(wǎng)絡(luò)與國家綜合PNT 體系的融合、各體系時(shí)空基準(zhǔn)統(tǒng)一等方法，建立綜合PNT 應(yīng)用服務(wù)體系與網(wǎng)絡(luò)信息體系的協(xié)同機(jī)制.

4) 實(shí)現(xiàn)智能位置服務(wù)驗(yàn)證與應(yīng)用

建設(shè)天地協(xié)同智能位置服務(wù)試驗(yàn)驗(yàn)證與監(jiān)測評(píng)估系統(tǒng)，包括平臺(tái)服務(wù)能力、應(yīng)用模式、信息與網(wǎng)絡(luò)安全等多層級(jí)模擬仿真驗(yàn)證平臺(tái).

2.3 增效

增效是指通過構(gòu)建PNT 體系生態(tài)環(huán)境，針對(duì)不同場景形成相應(yīng)PNT 服務(wù)解決方案，為全空間用戶提供大容量高并發(fā)的時(shí)空信息協(xié)同增效服務(wù).

時(shí)空數(shù)據(jù)挖掘是增效的有效途徑.文獻(xiàn)[19]中介紹了基于時(shí)空大數(shù)據(jù)提升大城市軌道交通高峰期運(yùn)行效率，為網(wǎng)絡(luò)空間布局優(yōu)化、出行結(jié)構(gòu)綠色轉(zhuǎn)型和安全高效出行引導(dǎo)等提供科學(xué)量化支撐.文獻(xiàn)[20]提出通過時(shí)空數(shù)據(jù)信息挖掘，提升智能導(dǎo)航能力，從而推進(jìn)物流業(yè)提質(zhì)增效的新型發(fā)展思路.文獻(xiàn)[21]通過分析船舶海上運(yùn)行時(shí)空數(shù)據(jù)，挖掘出具有時(shí)空屬性的頻繁航行軌跡，實(shí)現(xiàn)艦船海上航行軌跡跟蹤.文獻(xiàn)[22]從時(shí)空大數(shù)據(jù)與城市規(guī)劃關(guān)系入手，挖掘城市活動(dòng)時(shí)空規(guī)律和演化規(guī)律、探知空間與活動(dòng)的作用機(jī)理，提升未來城市交通規(guī)劃前沿思路.

面對(duì)時(shí)空數(shù)據(jù)爆炸式增長的形勢(shì)，如何通過有效挖掘時(shí)空數(shù)據(jù)，提供更深層次的時(shí)空信息服務(wù)，將是亟待解決的問題.時(shí)空數(shù)據(jù)類型的復(fù)雜性及跨學(xué)科性質(zhì)也給統(tǒng)計(jì)和計(jì)算帶來巨大挑戰(zhàn).隨著人工智能的發(fā)展，基于機(jī)器學(xué)習(xí)的時(shí)空數(shù)據(jù)挖掘方法取得了顯著的效果，如文獻(xiàn)[23]中歸納的軌跡聚類與分析、融合遙感與社會(huì)感知的城市功能區(qū)提取、地理多元流分析等.文獻(xiàn)[24]提出的基于深度學(xué)習(xí)的時(shí)空數(shù)據(jù)處理方法等，基于超優(yōu)化人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(artificial neural net-

work,ANN)和長短期記憶人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(long shortterm memory,LSTM)結(jié)合，基于歷史軌跡GNSS 數(shù)據(jù)來預(yù)測未來位置.總之，時(shí)空數(shù)據(jù)挖掘需要大規(guī)模運(yùn)算框架、多種學(xué)習(xí)交叉理論支撐的高性能處理算法來完成.

綜上所述，基于時(shí)空數(shù)據(jù)挖掘提高位置服務(wù)能力，從而對(duì)未來綜合PNT 應(yīng)用服務(wù)賦能增效.

3 綜合PNT 應(yīng)用服務(wù)模式

未來綜合PNT 的應(yīng)用場景大體分為大眾應(yīng)用、專有應(yīng)用以及非合作場景下的特種應(yīng)用三類，針對(duì)上述三種應(yīng)用，提出“公網(wǎng)+專網(wǎng)+機(jī)動(dòng)網(wǎng)”的綜合PNT標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)模式架構(gòu).如圖5 所示，該模式涵蓋了絕大部分PNT 應(yīng)用場景，滿足國家綜合PNT 最大共性需求，確立綜合PNT 應(yīng)用服務(wù)能力邊界.

圖5 三網(wǎng)協(xié)同的綜合PNT 服務(wù)模式

3.1 “公網(wǎng)”服務(wù)模式及能力

面向大眾用戶群體，構(gòu)建以北斗、低軌導(dǎo)航為主體，融合公用5G 通信及多源傳感器的公共基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)，基于用戶智能終端(手機(jī)、平板等)以及商用地圖及地理信息系統(tǒng)(geographic information system，GIS)信息實(shí)現(xiàn)全域漫游、無縫連續(xù)的消費(fèi)級(jí)位置服務(wù).

圍繞上述目標(biāo)，構(gòu)建面向大眾用戶的通用技術(shù)服務(wù)體制[6，25]，研制升級(jí)北斗+5G 一體化基站，播發(fā)室外GNSS/低軌導(dǎo)航信號(hào)的增強(qiáng)信息實(shí)現(xiàn)大容量、低延時(shí)的泛在精準(zhǔn)定位服務(wù)，定位精度優(yōu)于1 m，首次定位時(shí)間優(yōu)于1 s，授時(shí)精度優(yōu)于20 ns.能夠基于商用電子地圖實(shí)現(xiàn)大眾用戶的泛在精準(zhǔn)時(shí)空服務(wù).

3.2 “專網(wǎng)”服務(wù)模式及能力

面向?qū)I(yè)用戶群體，構(gòu)建北斗、低軌、北斗偽衛(wèi)星、超寬帶以及5G 通信的多源室內(nèi)外空間定位網(wǎng)絡(luò)，通過部署一體化標(biāo)準(zhǔn)化基站網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)全域漫游定位，結(jié)合激光/視覺/慣性測量單元(inertial measurement unit,IMU)等高性能自主定位傳感信息，實(shí)現(xiàn)超高性能定位導(dǎo)航能力.

在用戶終端研制方面，研制集成GNSS 定位模塊、偽衛(wèi)星定位模塊、5G 通信、微慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(inertial navigation system,INS)、UWB、聲等多源傳感器的一體化定位終端是解決綜合PNT 多場景應(yīng)用的有力途徑.通過制定相關(guān)接口協(xié)議及標(biāo)準(zhǔn)，在用戶智能終端出廠前嵌入北斗偽衛(wèi)星與多傳感器融合的IP 定位軟核，實(shí)現(xiàn)基于商品化智能終端的開機(jī)即用的室內(nèi)外連續(xù)定位能力.

在高精度GIS 信息構(gòu)建方面，基于局域高精度GIS 信息，提供目標(biāo)位置的精細(xì)化顯示和位置服務(wù)，同時(shí)針對(duì)空間地理結(jié)構(gòu)復(fù)雜、電磁環(huán)境干擾嚴(yán)重的特殊場景，通過構(gòu)建數(shù)字孿生綜合多維信息場圖，利用人工智能與大數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)地理信息輔助條件下的目標(biāo)位置反演.

綜合PNT 專網(wǎng)服務(wù)模式可提供的服務(wù)能力[26]為：定位精度不低于0.5 m，首次定位時(shí)間優(yōu)于1 s，授時(shí)精度優(yōu)于20 ns，定位系統(tǒng)并發(fā)量不低于2 000，定位延時(shí)不高于0.5 s，測圖精度優(yōu)于0.1 m.

3.3 “機(jī)動(dòng)網(wǎng)”服務(wù)模式及能力

面向特種用戶群體(如戰(zhàn)場、應(yīng)急救援、遮蔽空間等)的PNT 需求，需要構(gòu)建有人+無人的機(jī)動(dòng)網(wǎng)以實(shí)現(xiàn)無先驗(yàn)信息條件下的群體協(xié)同定位與個(gè)體自主定位.重點(diǎn)探索基于快速機(jī)動(dòng)自組網(wǎng)的高精度相對(duì)協(xié)同定位與導(dǎo)航能力，并突破基于INS、視覺、激光等傳感器的自主定位技術(shù).攻關(guān)重點(diǎn)主要包括：大容量異構(gòu)無人集群開放式互聯(lián)協(xié)議、惡劣環(huán)境下集群彈性自組織重構(gòu)技術(shù)、北斗+5G+自組網(wǎng)通信定位一體化技術(shù)、群體即時(shí)任務(wù)規(guī)劃與導(dǎo)航控制策略、基于云邊端計(jì)算架構(gòu)多維信息融合技術(shù)等.同時(shí)，開發(fā)可視化與態(tài)勢(shì)分析一體化位置監(jiān)控系統(tǒng)，嵌入輕量化地圖對(duì)特種任務(wù)的決策分析、指揮調(diào)度、人員安全提供保障和支撐.

機(jī)動(dòng)網(wǎng)用戶的預(yù)期服務(wù)能力為[27]：能夠在非合作場景下實(shí)現(xiàn)相對(duì)定位精度優(yōu)于1.5‰D，即每行進(jìn)1 000 m 誤差不超過1.5 m；在獲取絕對(duì)位置條件下，絕對(duì)定位精度優(yōu)于0.3 m，定位頻率不低于20 Hz，相對(duì)時(shí)間同步精度優(yōu)于20 ns 的PNT 服務(wù)能力.

4 未來展望

縱觀全球PNT 技術(shù)發(fā)展態(tài)勢(shì)，時(shí)空大數(shù)據(jù)、機(jī)器、自然、人、智能技術(shù)將衍生出新的生產(chǎn)關(guān)系，從物理時(shí)空、信息時(shí)空、智慧時(shí)空，向時(shí)空孿生演進(jìn)，未來人類將構(gòu)建起一個(gè)以時(shí)空位置信息為基石的智慧型社會(huì).基于全球范圍大規(guī)模應(yīng)用服務(wù)需求，如圖6 所示，綜合PNT 將趨向于“公網(wǎng)+專網(wǎng)+機(jī)動(dòng)網(wǎng)”的多場景體系化應(yīng)用和全空間智能位置服務(wù).

圖6 綜合PNT 應(yīng)用服務(wù)體系應(yīng)用示意圖

未來，面向智慧城市、應(yīng)急救援等大規(guī)模綜合PNT 應(yīng)用需求，未來以“北斗+低軌+5G+偽衛(wèi)星+位置大數(shù)據(jù)”為核心的綜合時(shí)空應(yīng)用服務(wù)體系將衍生出大量新型的應(yīng)用場景，例如北斗+5G 系列室內(nèi)外應(yīng)用、基于區(qū)塊鏈的端到端冷鏈監(jiān)管應(yīng)用、復(fù)雜山地、礦井、水下等地理環(huán)境條件下有人、無人協(xié)同應(yīng)急救援、智能交通無人駕駛?cè)溌窇?yīng)用、智能工廠無人化運(yùn)管應(yīng)用、地下城市大規(guī)模無人化物流應(yīng)用，AR/VR 虛擬泛在空間應(yīng)用(元宇宙)等.上述應(yīng)用構(gòu)想有望通過國家層面制定相關(guān)法律法規(guī)以及出臺(tái)綜合PNT 基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的方式進(jìn)一步推進(jìn)落地，通過構(gòu)建海、陸、空、地下等多場景的綜合PNT應(yīng)用服務(wù)“一張網(wǎng)”，將實(shí)現(xiàn)更加泛在、更加融合、更加智能的國家綜合時(shí)空應(yīng)用.