“5G+ BDS/GNSS”融合的意义、路径和愿景| 刘经南、高柯夫

Role, path, and vision of “5G+BDS/GNSS”

Jingnan Liu*, Kefu Gao* , Wenfei Guo, Jingsong Cui and Chi Guo

Satellite Navigation(2020)1: 23

引用文章:

Liu, J.N., Gao, K.F.,  Guo, W.F. et al.  Role, path, and vision of “5G+BDS/GNSS”. Satell Navig 1, 23 (2020). https://doi.org/10.1186/s43020-020-00024-w.

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Editorial Summary

GNSS: 5G+BDS

Communication, positioning, navigation, and decision-making abilities have evolved into Positioning, Navigation, And Timing(PNT) intelligence during the long process of human migration and hence promoted human evolution. The authors defined intelligence and smartness from the perspective of biological intelligence, and pointed out that 5G technology is also one of PNT intelligence enabled methods, as well as Global Navigation Satellite System (GNSS). The fusion of 5G and GNSS (including BeiDou Navigation Satellite System (BDS)) information with the corresponding equipment could be embedded into a machine to make it intelligent, which would extend the definition of artificial intelligence. Furthermore, the “5G+BDS/GNSS” fusion path was analyzed explicitly herein in terms of realization methods, information processing, and new application services. On the whole, an independent BDS coupled with 5G was expected to become the most important new infrastructure in the era of intelligence. As a result, widely or even globally distributed physical devices can possess integrated functions of computing, communication, remote cooperation, precision control and autonomy on the basis of perception, which would help promote unprecedented change in production and lifestyle, as well as the innovation of business models.

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本文亮点

1. 从生物智能的角度给出了智能和智慧的定义，首次提出把推动人类进化的PNT智能赋给机器和环境，增强机器和环境的智能优势，实现人类感知和调控物理世界能力在时间、空间尺度方面的延拓，也扩展了人工智能的内涵，将成为智能时代关键的信息基础设施。




2. 在卫星导航领域，首次指出5G作为新一代高速率、低延时、泛在化的移动通信网络，BDS/GNSS作为唯一的全球性、高精度的时空基准和高精度定位导航授时技术，为智能感知、认知、决策和精准协同对物理世界的调控提供了技术支撑。两者相互赋能，彼此增强，基于“5G+ BDS/GNSS”的泛在测绘能力就是人类定位、导航、感知时间的PNT智能在现代技术上的延伸。




3. 对于“5G+BDS/GNSS”融合的路径，在具体实现方法、信息内容处理和新的应用服务领域等方面进行了分析和梳理，并对“5G+BDS/GNSS+ 星基通信”作为陆海空天网实现制时空权的关键基础设施的应用愿景，阐述了构想。

内容简介

生物智能与智慧都离不开时间和空间位置上对外界的感知、认知，进而决策，并付诸行动适应生存。本文从生物智能角度，定义智能为：感知外界何处、何时发生了何种变化，学习并记忆形成经验，推理上升为知识，决策思维，实现时间、位置与姿态精准协同来调控自身，适应外界，或者局部地调控外界状态，实现趋利避害。智慧，则是在感知一定时空领域内的外界变化基础上，认知该时空域内的外界变化规律和作用机理，实现对外界在该空域内的未来和未知的变化进行预测，并对该变化预设趋利避害的调控。行走、迁徙和圈地定居就是动物和人类为生存而进化获得的定位（Positioning）、导航（Navigation）、察时知时节（Timing）的智能，简称为 PNT 智能。人类进入智能时代，是智人将各种生物智能及人类自身的智能与智慧扩展到对自然、社会和机器，以进行感知、认知、管理和调控的必然结果。而“5G+BDS/GNSS”，就是通信、导航、授时和决策智能最新、最现代版的融合。智能时代首先要把外界感知清楚，因此要用5G发展泛在感知网。而泛在网的目的就是要实现人对虚拟空间和物理空间的感知、协同、融合与控制，这就需要广域乃至全球性的高精度时间和空间位置来做技术支撑。5G 作为智能化时代的新型信息基础设施，其时延标准是1毫秒级的，这种水平还无法实现汽车运行时高速避障的远程控制需求。而且它的网络位置是虚拟的，而非物理实体空间位置，不能实现信息在网络上时空位置的感知和调控。因此，需要同其他的新基建融合创新，如BDS/GNSS。

      BDS /GNSS 是唯一的全球性、高精度、高稳定度的时空基准。其最大的好处是系统的全球性，能实现全球时间的精确同步，可以在广域甚至全球范围将感知时间和空间位置的能力赋给5G，或其它系统，如道路、环境甚至其他卫星网络等。高精度导航增强技术对移动通信网、互联网赋能，给信息在网上移动的瞬时位置定位，定其去向和瞬时流速，还能使移动互联网具有室内外无缝化、一体化定位功能。

智能时代的“5G+BDS/GNSS”即将这种源于生物进化而来的PNT智能赋给机器和环境，发挥机器和网络环境的智能优势。人们将自然界的生物智能赋给机器、环境使其产生的能力，就是人工智能。这是从自然智能出发定义的人工智能，比人工智能早期那样定义人工智能，视野应更宽阔一些。BDS/GNSS 与5G相互赋能，彼此增强，才能产生智能的五大能力（感知、学习、认知、决策、调控）。这五大功能，可以实现人类感知和调控物理空间和时间精准位置的能力。

      “5G+ BDS /GNSS”融合的实现路径，初步可概括为如下步骤：

       第一步，实现BDS/GNSS与5G 基站的集成融合。5G宏基站和关键微基站、重要网关、路由器，以及行业、区域的云服务中心的服务器，都加装集成以北斗为主、自主可控、多频多模、低功耗GNSS 板卡，为5G网络关键设施提供北斗精准坐标位置和以北斗时为准的全网精确时间同步，为5G全网基站、网关、路由和主要服务器提供北斗统一的纳秒级时间系统和厘米级坐标系统。这样的“5G+BDS/GNSS”系统，就被赋予很强的时空位置服务功能了。

第二步，5G网络加载BDS/GNSS地基增强信号，提供基于5G作为导航信号源和测距码的地基增强时空位置服务。让5G网络的基站本身不仅接收北斗信号给自身定位、定时，也可以发出类似北斗的导航信息和测距信号。每个基站都有精准统一的北斗系统时空位置信息，这等于增加了北斗的信号源，把天上的GNSS卫星搬到了地面5G基站，所发信号也能用北斗的模式精准定位。第三步，构建车联网与智能网联汽车运营中的应用与服务。在实现前两步的基础上，就已经能实现对车联网和网联车的精准位置控制和时间控制，精度可达厘米级和纳秒级。前面提到的无法远程控制智能汽车的问题，都将迎刃而解，就可以实现基于“5G＋BDS/GNSS”的车联网了。第四步，构建远程实时控制和信息安全的“人-机-物”工业互联网/CPS 融合系统。基于第一步构建 “ 5G+BDS/GNSS”的网络基站、路由、网关、关键服务器的高精度时空体系，实现全网信息的高精度时空位置可测量、可计算、可溯源、可调控，使虚拟空间、实体空间和人三者形成一个融合系统。通过对信息的调控实现对外部物理世界的调控，这就达到了智能的目的。第五步，实现室内外一体化的导航定位授时。构建陆、海、天、空、水下、室内和地下空间都能进入“5G+BDS/GNSS”的室内外一体化的融合网络。综上，通过整合北斗卫星系统、地基增强系统、5G通信网络、高分遥感、互联网五维空间数据资源，打造基础、绿色、智能、泛在、安全、可控六大功能，将支撑起“5G+ BDS/GNSS”在车联网、智慧能源，无线机器人、无人机云端控制等广泛的行业应用，通过“5G+BDS/GNSS”与低轨星基增强的加速融合和相互赋能，最终实现通导遥一体化，天基、地基、PNT增强一体化的愿景目标。

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  图文导读 

     I.亚纳秒级的高精度、高稳定度BDS/GNSS授时型终端

现有的GPS/GNSS接收机终端授时精度为20ns~50ns，不能满足更苛刻的高精度时间传递应用，无法直接应用于BDS/GNSS与5G 基站的集成融合。在国家重点研发计划支持下，作者提出了一种基于地基增强系统的PPP实时授时方法，该方法利用地基增强网对高精度卫星钟差进行实时估算来引入时间基准，然后通过实时PPP算法和时钟调控将时间基准传递到终端，最终实现了实时高精度授时。基于该方法，研制了亚纳秒级的高精度、高稳定度BDS/GNSS授时型终端，该终端以OCXO晶振做主频，以北斗自主可控为主，兼容其他GNSS，以特殊的精密单点定位PPP模式工作。将终端实时输出的秒脉冲（1PPS）与权威时频检测机构所维持的时间基准秒脉冲进行了六天实时比对（图1）。结果表明，内符合和外符合精度在一天之内优于1ns，阿兰方差分析显示万秒稳可达6*10^-14（图2）。

图 1  秒脉冲（1PPS）的日标准差

图 2  自研授时终端的频率稳定性

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     II.基于高精度授时终端的网络安全试验

基于高精度授时终端，精确测量网络设备（如路由器等）处理网络数据包的延时。如图3所示，发现6种不同型号的路由器处理数据包的延时分布相异，这可能是由于网络设备内部硬件或者软件程序造成的。另外，尽管软件程序发生指令级别的改变，这些改变造成的延时波动同样可以被检测出来。这表明该高精度授时终端可以用来检测网络设备（例如路由器、服务器）的改变，包括硬件变化和软件变化。实验表明，通过高精、高稳北斗终端时间戳，能够清楚检测到网络中网络设备时延的变化。这些实验可以给网络安全研究带来新的视角和参考。图 3  6种不同路由器的时延分布比较

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作者简介

 刘经南 院士

 本文第一作者和通讯作者

武汉大学

▍作者简介

刘经南，大地测量与卫星导航专家，北斗/GNSS技术应用和工程领域专家。1967年在武汉测绘学院天文大地测量专业五年制本科毕业，1982年研究生毕业于武汉测绘学院天文大地测量专业，获工学硕士学位。2003~2008年任武汉大学校长，2012年起任昆山杜克大学校长。现任武汉大学教授，博士生导师，国家卫星定位系统工程技术研究中心主任，中国测绘学会常务理事，国际“GPS WORLD”杂志编委，国际GPS地球动力学服务组织协调成员，中国兵器工业集团公司双跨院士，中国北斗卫星导航系统专家委员会委员。刘经南院士上世纪九十年代初负责完成了中国南海诸岛大地控制网的建立和数据处理以及国家GPS A、 B级网的设计方案和数据处理、湖北清江隔河岩大坝GPS形变监测系统的总体设计方案和软件开发、中国广域差分GPS建设方案等多项科研项目，在大地测量坐标系理论、卫星定位应用、软件开发和重大工程应用方面做出了一系列开创性工作，主持研发的深圳市连续运行卫星定位服务系统，推动了省级及城市连续运行卫星定位服务系统在中国的建设。先后获得五次国家科技进步奖，多次省部级科技进步奖和一次国家教委教学成果一等奖。还曾获得中国科协“全国先进科技工作者”等多项荣誉称号。

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 高柯夫 博士

  本文通讯作者

 武汉大学卫星导航定位技术研究中心

▍作者简介

本文通讯作者毕业于武汉大学并获得博士学位，是武汉大学卫星导航定位技术研究中心讲师。主要从事位置服务、智能计算、信息安全、北斗应用等方面的工作，发表SCI/EI期刊论文9篇。

撰稿：本文作者

编辑：《卫星导航（英文）》编辑部

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