北斗+5G 织就精确定位的“天罗地网”

今年，邓中亮更忙了。
外部会议，内部讨论，课题研究，还有疫情困扰期间没能出的差铆足劲似的补上，一天里，从离开床和回到床中间的时间都被工作冠名了。

北京邮电大学教授邓中亮
忙碌的加速键在2020年按下暂停键。2020年7月31日，天上的北斗三号全球卫星导航系统开启服务全球，与美国GPS、俄罗斯格洛纳斯、欧盟伽利略卫星导航系统并分天下。在地球上，当时很多地方开始经受疫情的考验，对于精准位置的需求更加迫切。这一年，国际欧亚科学院院士、北京邮电大学教授邓中亮带领团队的导航定位相关研究获得了“全国创先争优奖”。此后，邓中亮带领团队进行的天地一体，北斗+5G相关技术的场景落地应用规模不断广泛扩大。
打通北斗卫星导航系统“最后一公里”
十多年前，湖南老家的一位老太太来北京走丢的故事，邓中亮如今依然印象深刻：老太太在鸟巢游玩跟孩子们走散了，找了一整个晚上没找到，直到第三天孩子去派出所才把老太太领回来。
“如果当时有精准的位置导航服务，就不会等到第三天才找到人。”邓中亮感慨道。在他看来，互联网改变了人们的生活方式，位置网时空大数据将会改变整个世界，尤其是北斗与5Ｇ的深度融合可以实现能通信就能高精度定位。
的确，北斗被称为“天上的网”，解决的是时间空间高精度问题，北斗系统全球范围定位精度优于10米、测速精度优于0.2米/秒、授时精度优于20纳秒、服务可用性优于99%，“准”是北斗的优势；而5G是“地上的网”，能解决数据高速传输室内外广域覆盖的问题，最大的优势在于“快”，具有大带宽、低时延等特点，不仅比4G网络传输速度快100倍，同时时延低于1毫秒定位能力也提升到亚米级。二者合力带来了海量的高精度、高时效的地理时空大数据，并且在信号、信息、设施、应用等层面深度融合,实现互相增强,形成增量效应。

中国卫星导航系统管理办公室主任、北斗卫星导航系统新闻发言人冉承其曾表示：“5G和北斗卫星导航系统具有天然的融合性。”随着5G的到来，从互联网到物联网时代，北斗和5G、人工智能、新兴技术等的融合一定会催生出新兴产业、行业，带来新的经济增长点，并且为国防军事、智慧城市、自然资源、通信网络、交通、电力等各行各业等应用带来无限可能。
无处不在、无人不用、无所不需的位置服务都需要大规模、高可靠、高精度和低成本的不同尺度的时空信息。北斗一号系统工程建设于1994年启动，2000年建成并投入使用；2004年，北斗二号系统工程建设启动，2012年建成后面向亚太地区提供位置服务和定位导航服务，在室外可以成功解决定位与导航的问题。
然而，导航卫星距离地面距离远，遇到遮挡后信号容易被阻断。在地面生活的人们大部份时间都在室内活动，一些很多大型工程实施，例如地铁工程建设，长期在下地下环境，难以进行基于卫星的精确定位，。如何在室内卫星信号被遮挡区域进行精确定位是各国都面临的难点。
科技部2006年“十一五“开始启动了“羲和”计划，旨在构建天地一体的时空定位系统实时高精度定位系统，提高卫星定位的性能和精度的同时实现基于通信信号从室外到室内的定位全覆盖。邓中亮是“羲和”计划室内导航系统的主要负责人和学术带头人，他带领团队潜心攻关，自主研发的TC-OFDM定位与通信融合的导航一体化新型信号体制和高精度定位技术，把移动通信网变成了一张既能通信网,又能高精度定位的网。“羲和”系统得以具备室外亚米级、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，也让我国在室内位置服务科学研究技术上实现重大突破。
此后，“羲和计划”的相关研究也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。
迎难而上 关关难过关关过
邓中亮喜欢挑战，有时间便偶尔会去北京的欢乐谷，玩大摆锤等极限挑战的游乐项目。他享受挑战带来的快乐，而这种爱挑战的特质从上学期间到回归回国确定研究方向便已经明显展示出来。尤其是2003年，邓中亮交流从美国做高级访问学者归国，回到北京邮电大学，他首要面临的是如何确定自己的研究方向，怎么能够更好地为国家发展重大战略需求贡献自己的力量。
当时，北邮北京邮电大学大部分人都在研究信息与通信工程，摆在邓中亮面前的选择无非两种：一是“跟风”搞通信，加入拥挤的赛道，顺理成章搞移动通信；另一种选择是自己开拓新的方向。“弯道超车不是我的选择，另辟蹊径才是我的风格。当时很多人都做卫星定位导航，跟着走会比较艰难，怎么另辟蹊径？”邓中亮认为，应该将自己的研究重点和国家发展的重大方向进行紧密结合。
彼时，恰逢国家北斗导航事业方兴未艾，结合北邮北京邮电大学自身在通信技术方面的深厚积淀，他决定开展导航和通信技术相结合的研究，在卫星导航、无线定位、通导融合移动通信等方向上集中研究火力。
“我发现地面有很多卫星定位定位导航可以用到的资源，全球主流的定位卫星定位导航系统都只解决了室外定位问题，现有室内定位技术要实现局域泛在室内高精度定位，须布置大量节点，信号覆盖成本较高，且不利于向广域推广，阻碍了室内位置服务发展壮大和普适应用。”邓中亮回忆，“突破室内外无缝精准定位是推动我国北斗在技术上定位导航服务应用超越GPS的关键之一，因此我第一个早期承担的863项目答辩是就是关于国家大剧院大型场馆复杂建筑场景内怎么进行高精度定位导航的探索，当时用Wi-Fi、蓝牙等无线技术方式把它解决了。”

回望过去，探索5G与北斗融合的研究道路并非坦途，各种艰难关卡横亘在前。邓中亮不是没有过退缩的念头，“我憋着想着来回思考走好几回了，但创新哪有那么容易，但我老是想起老家耕地的牛，他就在那慢慢埋头向前，笨牛耕地首要一点是能坚持。”
喜欢挑战且不断攻坚克难的结果是，他们解答他解决了一个个看似无解的难题。在研究过程中，团队发现，5G和北斗作为有着不同的信号，体制，通信频率资源十分宝贵，很难寻找出独立的频率资源来支持无线通信王的定位导航，但所有无线通信信号都会有“噪声”存在，要想能否把微弱的信号藏在噪声底下，同频共载，让通信和定位各司其职且能相互增强并非易事。对此，邓中亮团队研发出提出了定位—通信融合“共频带”定位方法，依靠“隐嵌信噪”技术解决了在不改变基站分布密度的情况下，通过技术手段突破提高信号接收能力，做到了只要能通信，一个蜂窝网就能实现三、四重以上的定位信号覆盖，测距和定位问题迎刃而解同时有效节约了室内定位成本。并且已经成为了3GPP国际标准的一部分，制定了通信领域全球第一个高精度定位国际标准。
更进一步，面对异构信号该如何融合，跨系统时间同步问题能否解决等一系列挑战，邓中亮团队教授提出了天地联合定位架构，他创造性构建了包括单无线网络高精度定位、异构多网多源协同高可靠定位、天地一体高可信位置服务在内的无线网络定位理论方法与异构多网多源协同定位技术体系，进一步提高天地一体定位精度，解决了多年困扰学术界的复杂遮挡多径环境下无线网络实时精确定位的难题。邓中亮教授以第一完成人，先后获得了一项国家技术发明二等奖，两项国家科技进步二等奖，以及十余项其他省部级奖项。
技术找到应用场景 商用创造更大价值
据了解，我国5G网络建设投资规模超过1.2万亿元，北斗卫星实现全球覆盖投资规模约为600多亿元。巨额的投入需要拓展更多的应用场景，挖掘更丰富的商业模式，从而让其为经济社会的发展创造更大的价值。《新时代的中国北斗》白皮书显示，截至2021年，中国卫星导航与位置服务总体产业规模达到约4700亿元，年均复合增长率超过20%。第三方机构预测，按照目前北斗系统的产值增加速度，预计2025年其产业规模有望达到万亿元。
“建好5G网对于国家构建导航、通信、计算、控制一体化体系,服务社会发展、经济建设将发挥关键作用。”邓中亮说，“天地一体、时空一体、通导一体的网络基础设施将会给人类带来巨大的经济和社会价值。”
因此，邓中亮和团队积极和国内优势企业合作，开发了系列终端、基站、平台等设备,并与多个通信技术研究机构等联手探索北斗与5G通导融合的室内外混合智能定位测试，开展了商场室内导航、大型室内停车位寻找、共享停车、智慧医疗、大型综合体室内导航等领域的应用，为灾害救援、矿井、地下工程等迫切需要无卫星信号盲区提供更精准的定位服务。
比如，在危险化学品、石油、冶炼、钢铁等重大工业生产领域，工人作业时容易出现定位盲区，产生人员误入危险区的风险，同时也容易出现非实时监测的问题，以及出现危机问题时无法实时应对的情况。借由通信与导航合力，园区的空间分辨能力由国际上数十米提升至1米以内，包括人员分布、实时监控、轨迹跟踪、风险感知，可以实现作业园区内精准无缝定位、危险区透明监控，实时连续岗位监控、规范巡查，也能提早主动预防危机事件产生。
在民生方面，室内精准定位可以助推养老服务。一方面居家养老，据调查，我国老年人口中空巢老人占比目前已超过一半，部分大城市和农村地区，空巢老年人比例甚至超过70%，大量老年人不与子女或其他家人共同居住生活，面临着居家养老的许多生活不便或困难，甚至是安全风险隐患。孩子们担心，老人经会走失或者在家里发生了事故不知道，在这个条件下，老人的位置信息非常重要。另一方面，着养老机构，中老人，、护工的位置信息同样有助于提升养老服务质量。
不容忽视的是，即使应用广泛，技术想要在激烈的国际竞争中脱颖而出,就一定要形成国际标准。邓中亮带领团队,积极参与3GPP国际标准化组织的5G标准制定工作,也推动了我国5G高精度定位信号体制的进入国际标准制定。
如今，我国5G通信技术手段可以达到亚米级、分米级的定位服务能力，未来可以获得更高的定位精度。北斗支撑着5G网络安全高效运行，5G能增强北斗导航服务能力，北斗+5G正在形成泛在、无缝、高精度、高可信的PNT（即Positing定位、Navigating导航、Timing授时）体系，横向无缝覆盖室内、纵向拓展到水下地下及深空，且能在复杂环境下提供高精度、连续稳定的时空信息服务。
下一步，怎么走？邓中亮坦言，6G时代已经不远，定位技术也从“强大的卫星、聪明的终端”阶段向“强大的网络、聪明的服务”转变，实现从定位导航的产业化走向位置服务的商业化，最终实现可信、安全、智慧的位置导航新时代。