北邮邓中亮:深度融合5G+北斗,实现高精准定位
如今,万物互联时代,物与物、物与人、人与人之间需要实现更多的互联。在如此复杂多变的环境中,定位技术面临着着更多挑战和需求,需要不断的创新和改进。唯有如此,才能满足未来智能交通、无人驾驶和工业互联网等领域的高精度定位导航要求,实现全时空、全时域、全空域、高精度、高鲁棒的普适定位导航的目标。
(相关资料图)
“在国家安全、经济建设和智慧社会等方面,都需要高精度的室内外定位导航,达到米级到亚米级的水平。”国际欧亚科学院院士、灾备技术国家工程实验室主任、北京邮电大学教授邓中亮如是说。
万物互联时代
亟待解决高精度定位难题
作为高精度、高可信定位导航的主要开拓者和学术带头人,邓中亮从1996年就一直致力于无线通信网络和定位技术相关研究。然而邓中亮也承认,虽然相比之前,定位技术取得了很大的进步,但是当前复杂的环境下,在使用定位导航的过程中,仍然会遇到一系列挑战。
国际欧亚科学院院士、灾备技术国家工程实验室主任、北京邮电大学教授邓中亮
例如,在开阔空间情况下,设备可以接收到很多卫星信号,定位精准度就很高。但当设备在室内、高山、深谷等遮蔽和半遮蔽空间下,卫星定位导航无法实现精准的定位。这给定位导航系统带来了一系列新的问题:是否能像通信一样在任何地方都能进行高精度定位?
邓中亮表示:“通常情况下,卫星定位导航在开阔空间下能够达到米级左右的定位精度,但要满足车道级的定位导航需求,则需要通过地基增强或星基增强的方式,额外配备设施来提高卫星定位导航的精度,从而达到分米级、亚米级甚至厘米级、毫米级的定位精度。”
然而,无论采用何种增强方式,都必须在卫星定位导航能够正常定位的条件下进行增强。如果卫星信号都无法覆盖的区域,例如室内、地下室这种环境就无法进行增强,因为增强系统只能覆盖卫星信号覆盖的范围。
因此,室内外的定位导航技术都必须具备,才能满足不同场景下的精确定位需求。然而,遮蔽空间和半遮蔽空间的环境非常复杂,不但卫星信号往往无法到达,而且可能被阻挡或干扰,这就产生了技术与需求之间的矛盾。当前定位领域面临的问题是如何解决这种矛盾。
“5G+北斗深度融合
让信号覆盖更全面
由于卫星定位信号强度相对较弱、易受遮挡等环境因素干扰,特别是在遮蔽半遮蔽空间中,难以在室内进行定位。针对这个问题,邓中亮及其团队提出了“5G+卫星”的“通导融合”思路。
邓中亮认为,可以将导航卫星这张网和无线通信这张网结合起来,以导航卫星为核心,再整合所有通信网资源,就可以形成一张用于定位服务的“天罗地网”,不再需要单独去建设室内定位网。通过将卫星定位系统与无线通信网相结合,就可以提供更加全面和智能的定位导航服务。
实际上,从“十一五”开始,我国科技部已启动“羲和计划”,旨在解决室内定位的问题。对于卫星信号在遮蔽和半遮蔽空间的无法覆盖的问题,由通信网络对此进行补充覆盖,从而实现室内外全时空的覆盖。作为“羲和”计划室内导航系统的主要负责人和学术带头人,邓中亮通过多年攻关,目前已经形成几百项自主知识产权和一系列关键技术。
如今,邓中亮立足国家综合PNT建设大局,带领团队开展了北斗+5G室内外无缝定位技术的研究,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。邓中亮如是说:“5G+北斗的融合可以满足全覆盖、高精度需求,相互赋能,彼此增强。”
“5G+北斗”各自的优势结合在一起能产生新的火花。例如在交通领域,5G+北斗室内外无缝衔接的定位导航技术,解决了隧道场景下卫星信号缺失的问题。在智慧矿山的建设中,以5G网络为依托,结合北斗定位技术,能够实现矿山挖装、运输、监测等环节的无人化远程操控。
不断尝试
“抓破脑袋”寻找突破口
据邓中亮介绍,目前我国的定位技术已经处于领先地位。在邓中亮的牵头带领下,我国成功研制了高精度定位与通信融合的新型信号体制。依靠这种技术,不仅将室内定位精度提高了数十倍,突破了多项室内高精度定位关键技术瓶颈,还大大节约了成本。
据了解,邓中亮及团队已经在三方面取得了重大突破:
第一个突破是关于单个无线网络能否实现高精度定位的研究。如果能实现高精度的单个无线网络定位,就有望解决室内定位的问题。但通信网的频率资源是有限的,要实现高精度的定位,需要频率资源来支撑测量信号,进行高精度的信号强度测量和相位测量。然而定位频率的使用会带来通信资源的占用或再分配,影响通信数据率和传输速度,这就引发了通信效能和定位精度之间的矛盾。
面对这个挑战,邓中亮建立了一个隐嵌信噪融合体系,突破了困扰多年的国际难题。在此过程中,邓中亮和团队获得了多项国际专利,并得到了国外的高度评价,引起了美国国防部的重视。因此,这项技术获得了国家科技进步奖。
第二个突破是关于单个无线网络的高精度定位鲁棒性的问题。对于人类来说,当前的定位服务可能满足90%以上的需求,就会让人感觉满意。但对于机器、物体来说,要求则是更高。因为单层无线网络容易被遮挡,导致存在网络盲区,比如2G、3G、4G,以及不同运营商(移动、电信、联通)建设的网络之间也会存在盲区。盲区定位是国际上的一大难题。
为了解决这个问题,邓中亮将手机里面集成的多个网络和多个传感器融合使用,这样可以提高定位的鲁棒性和可靠性。这项技术已经得到广泛应用,特别是在疫情监控中,为国家应急安全中心提供了明确的人员和车辆定位信息。国外电信运营企业也对这项技术给予了高度评价。这一技术弥补了传统摄像监控的盲区,彰显了中国在科技领域的实力。并于2010年获得了国家科学技术进步奖。
第三个突破是天地一体的定位解决方案,解决了卫星与通信联合定位的问题。在城市智慧交通中,立交桥等复杂地形下,卫星信号可能会受阻,无法提供高精度定位服务。但一些领域对定位要求仍然非常迫切,例如地铁工程建设的时候地下环境无法获得高精度定位,建设飞机跑道的精度要求也非常高。在这些情况下,如何实现准确定位成为关键。
邓中亮通过联合利用通信基站和卫星信号来提高定位精度。利用通信基站与卫星联合不仅实现了更高的定位精度。同时也简化了设备的安装和调整过程,填补了定位盲区,为工程安全、生产安全等提供了重要保障。在2017年,这项技术获得了多项发明专利和国家技术发明奖,而且在智慧海洋建设中也有着广泛的应用。
面向未来 提供更先进
可靠且经济高效的定位服务
长期以来,邓中亮一直致力于实现更高精度、更可靠、更广泛应用的定位服务。在国家综合PNT战略规划方面,邓中亮的目标是在2035年实现以下三项重要工作:第一,推进北斗与5G技术的融合,同时着手研发北斗+6G技术,使其在更广泛的领域发挥作用;第二,持续推动全球5G高精度定位标准发展,为全球用户提供统一的高精度定位体验,并推动全球定位服务的发展;第三,开展面向重大生产领域和国防安全的研究工作。
为了推动定位技术的商业化,邓中亮团队正在与华为、展锐、中兴等大型通信企业合作,推进成果应用。未来,邓中亮将持续努力,力求在高精度、高鲁棒性和低成本的定位服务领域取得更多突破和贡献。
从当年的青年才俊,到如今的白发苍苍,邓中亮依然坚守在科研第一线,也正是因为有着像邓中亮这样一直默默风险的科研人员,才给我们的未来生活带来更多可能和精彩。
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