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2020-04-16 16:03
中国新基建的法门:北斗羲和

邓中亮主持研发基于移动通信网络的室内外高精度定位实验系统,实现了导航与移动通信的融合,他使中国室外以北斗全球卫星导航系统为基础、室内以移动通信网为基础的“羲和”系统实现了室内外协同实时精密定位,定位导航精度一举超过GPS。 特别是近年来他带领团队在“远海域定位导航与通信关键技术”突破了系列国际难题,取得了多项国际首创的科研成果,并在远海作业、海上勘探、港口建设、航道疏浚、海上救援等领域得到了广泛应用,取得了显著的经济效益和社会效益。


本文来自微信公众号:CC讲坛(ID:ccjt2014),作者:邓中亮(北京邮电大学教授博士生导师智能通信、导航与微纳系统实验室主任),原标题:《邓中亮:北斗羲和比GPS更精准的定位导航》,封面图:IC photo


2013年10月11日,在石景山苹果园的一个商场着火了这场火灾夺去了,我们两位武警战士宝贵的生命。更让人记忆犹新的是这两位战士,在失去生命之前提到了两句话:第一句话是我迷路了;第二句话是我的氧气不足了。大家试想一下,在浓烟滚滚的商场里面,“看”是不解决问题的,“找”因为太大,找不到。从早上9点开始到下午4点,这一段时间都在找他们俩,没找着。到了4点左右的时候,才发现他们俩被压在一个物体下面,牺牲了。



大家或许会想,我们的科学技术发展到了今天,难道连两个人在一个商场里面还找不着吗?大家每个人都会有一个手机,请大家拿出你的手机,打开看一看定位,看看我们坐在这个大礼堂里面,能否找到我们的位置。很显然你找不着,你所在的位置是一个大的圆圈,这个圆圈的半径可能是50米,甚至是数百米。卫星导航因为在天上,离地面太远,它的信号到了地面已经很弱,特别有建筑物遮挡的时候,这个信号就变得更弱了。手机收不到这种信号,它也就不能定位导航。当然你在窗边偶尔能收着,定位误差至少得几十米以外。



空间有四大卫星系统,第一个是美国的GPS,第二个是俄罗斯的格洛纳斯,第三个是咱们国家的北斗,第四个是欧洲的伽利略。



咱们的北斗从2012年底开始,已经面向亚太地区,提供位置服务和定位导航服务。咱们发现所有的卫星系统,都在天上运行,它在室外可以成功解决好我们的定位与导航的问题。当你开车的时候,你会用你的导航仪,很方便按导航的路线行进。你要找一个餐馆或者找一个商场所在地的时候,你会打开你的手机,一样地可以找到你的位置,记住你们所有的位置都是在室外进行的。我们人们80%的时间,其实都在室内呆着,那就意味着你80%时间,享受不到这种位置导航服务。那么位置导航服务,到底有什么好处呢?



咱们经常听关爱空巢老人,所谓的空巢老人就是一个人在家,孩子们都很担心,很多老人经常会走失,或者在家里发生了事故不知道。就跟刚才我们消防救援一样的,很多人死亡一个礼拜以后才能找着,才知道发生了事故了。还有我们的儿童,我们每年走失的儿童超过20万。


我们的高铁全球第一,线路很长,占到45%。大家想想,很多高铁除了隧道就是桥梁,过了桥梁又是隧道。我们的速度300公里,现在向500公里发展,那么一个隧道的任何一个物品落下,都会造成事故。



大家想想,室内的定位,包括我们当今的智慧城市,物联网等等,都离不开精确的位置信息。我从2003年回国,就开始在思考,咱们国家2005年开始启动了,16个重大专项,当时北斗重大专项是其中之一。我们用什么方法,可以把室内室外,这种高精度定位问题能够解决。北京邮电大学是从事通讯事业发展的一个高等学府,对通讯我们很熟,无论是3G、4G,还是在未来的5G,北邮发挥了很好的作用。通讯大家不陌生,在任何地方你都能打电话,它几乎覆盖了咱们国土面积的40%多,除了海洋以外。


那既然能通讯,是否可以作为精确定位?这个问题我不是第一个来思考的,全世界所有的国家都在思考这个问题。能否用这张通讯网,来获取我们的精确位置信息呢?美国、欧洲做了很多实验,特别是用2G、3G网,他最好做到了40米,当然有人在4G网可以做出28米。


现在我们所在的这个大厅很大,在你的宿舍恐怕也就3米高,十几平米。高度方向不能超过正负1米的误差,水平方向不能超过正负3米。卫星在室外的定位能力,是10米到15米。就算把这个能力搬进到室内,也解决不了你的问题,就不能精确到楼层房间。而打电话到处都可以打,你的手机不会串音,你就是你,他就是他。


这张网如果能够作为精确定位,是非常有价值,非常有优势的。地面有600多万个基站,咱们国家有200万个基站,任何一张网的建设,我们投入都超千亿,远高于我们的卫星系统。而它每年的营业收入,也是上万亿,所以它是一张非常好的运营状态的网。那么在这张网的基础上,把它功能进一步地挖掘发挥,实现这个高精度位置服务,就可以解决卫星解决不了的问题。



当时有人提出来,国外做了那么长时间没做好,你是否可以?


所以,面对压力和挑战,我们努力去尝试。


这张图展示了我们的手机终端在室外可以接受到卫星信号,同时也可以接收到基站信号,四颗卫星就可以算出你的位置来。算的方法就是把卫星到你手机端的直线距离算出来,知道卫星的位置,就能算出你的位置。这是很简单的一个几何原理,在地面我们试想一下,是否可以测到手机到基站的距离,知道三个基站的位置,就能算出你的位置来呢?当然原理上没有问题,但你怎么去做,全世界都没有做出来。


第一,说明这个信号本身有问题,咱们回想一下,卫星导航用的就是通讯体制,没有通讯技术,就没有卫星导航。既然如此,它依托的是通讯技术,可以做出定位,在地面其实也是可以的。


第二,卫星到你手机端的定位解算是要算出直线距离,可是我们在这屋里面是看不见任何基站的。基站到你手机信号的传播的时间是把所有的传播路径都加在一起,这个路径是远超过于我们的直线距离的,在城市平均误差达500米,你必须得晓得还有多径等等。在晓得这个误差以后,你才有可能获得你的高精度位置信息。那么其他的通信技术又能怎么样呢?我们看看,大家熟悉的wifi 蓝牙,苹果手机用wifi蓝牙定位。它可以在局部范围内定得很精确,误差是10%到30%,100米的范围,可以产生30米的误差。而卫星是千分之一到万分之一的误差。我们在基站里面,它是几十米误差,基站能否做到1米,这是全世界的一个难点,是我们大家共同要攻克的一个难题。



我和我的团队,差不多将近10年的奋战,我们提出一套TC-OFDM体制。TC是导航,OFDM是通讯,导航跟通讯的紧密融合,它就可以产生新的效果。是多少?1-3米。跟全球所有的通讯体制的定位导航技术相比,它的定位能力,从40米提升到1-3米。在很多实际情况下,我们在1.5米以里,在我们实验条件下,我们可以达到亚米级。


有人说,你可以做到1个毫米,也就是说张三坐在李四的旁边,在这屋里是非常清楚的。这套技术就利用原有的资源,在功能上进一步进行挖掘,提升它的服务能力。但它可以让我们的通讯运营网,从运营的收入也好,从运营的业务也好,可以再翻上一翻,上万亿的产业链。同时通讯网的技术,它全世界是统一体制,不管4G、5G等等。那么这张网一旦做成,我们所有的通讯网,都可以变成一张高精度位置网,同时又不影响你的通讯能力。它既能定位又能通讯,这是很重要的一个突破。



咱们国家从十一五开始,启动了一个羲和计划。羲和这个名字是来源于我们上古时期一个神的传说,太阳神的母亲叫羲和,她管理的是时间和星座,所以我们把它取名为羲和系统。做这个系统的目的:第一,提升我们北斗室外的定位能力;第二,解决四大卫星导航系统没有解决的室内定位难题。


在室外我们是用北斗,还是用GPS,对老百姓来讲,他只关心哪个卫星好用就会用哪个,并不关心这个导航是哪个国家的。在这个条件下,我们只有把室外的定位能力赶上或者超越GPS,才可能得到推广应用。而GPS占了95%以上的市场,我们要从95%的市场当中,把它争夺回来。


我们的室内定位能力,这两个一对接,我们就可以实现,室外有1米,室内有3米的服务定位能力,提供大位置的服务。大家已经非常了解我们手机的位置服务业务的发展速度,它在2012年的时候,已经超过微信和微博。有了这张网,我们就可以提供,繁杂的位置服务,不管是行业还是领域。



我们在天津,在全国其他40多个城市,开展了羲和系统的应用服务。在天津用于消防,大屏幕上展示的是每一个被救援现场的设备地图,在这个地图上可以反映消防栓,消防官兵,包括被救人员所在位置,一旦清楚这些位置,你可以迅速地到达现场把人救出来。


大家知道,这里边面临几大问题:


第一,我们的基础设施,包括我们的地图,室外地图大家很熟悉,但室内的地图,可不是那么简单,比想象得要复杂。我们把一个房间,把楼层所有都平摊开,北京市建筑的图,室内图比我们室外图要大得多,而且它也复杂得多。所有的这些图,在我们定位过程当中都必须提供好的支撑。


室外地图大家熟悉的人知道,我们开着个汽车,就可以把三维的图,给它生产出来了,边开边生产。而室内的图,在屋里面开不了汽车,而它的面积比室外更复杂,所以室内图的制作过程和它的制作流程,它的应用标准,成了近几年大家关心的重要问题。


第二,通过刚才的位置服务,实际我们就解决了,两年前在苹果园火灾当中发生的问题,有了这个精确的位置信息,至少我们不用担心武警官兵的生命安全。可以有效保障的不光是我们的救援官兵,同时包括我们所有的被救人员的生命财产安全。



刚才提到的老人关爱服务,我们国家有1.6亿的空巢老人,全球有几个亿的空巢老人,有数亿的少年儿童。而老人最害怕的是出了事,没人关心,没人知道,在室外好歹都有人看得见,在屋里没人看得见,所以当时有人说给老人装个摄像头。我跟他开玩笑说:洗澡间不能装摄像头吧,卧室是不能装摄像头,他要摔倒在洗澡间,谁知道呢,死在卧室也没人知道。所以在这个条件下,老人的位置信息非常重要。我记得我们老家,曾经有一个老太太到北京,在鸟巢就走丢了,她的孩子们找了一整个晚上没找着,第三天到收容所把老太太领回来了。老太太非常感慨说:北京人真好,饿了有吃的,还有收容所管我。这样的故事有很多,所以老人关爱变得十分重要,也非常突出。



大家看看这张图,图上的每一个红点是你的位置,当然不是我们今天会堂的位置,我没有去监测大家的位置,这是个商场。我们在全国40多个城市,很多商场都已经配上了这套系统,包括22大航站楼。大家进入商场的时候,你就被感知,被提供服务了。



图上很多区域是按柜台划分的,它不是马路上,不是一个建筑,你在这个商场里面,到过哪些柜台,待了多长时间,你和谁在一起一清二楚。一个商场十几万人,全国上千万人在商场,5秒钟刷新一次,有什么用呢?大家想一想,咱们当今的O2O最担心的是我们产品销售的成本,每个人都希望在线下看线上买,在网上购物的比例,我相信比在商店买东西比例要高得多。商家也担心我下个月生产什么,我下季度生产什么,以往靠的是人海战术,去调查去分析,获得这些数据。而现在我们就可以用这些高科技的技术来作为支撑,进行大数据的挖掘和分析来获取预测我们生产的规模。


去年的光棍节,听说产品退货率最高的达到40%。那么你有什么办法,能够控制这40%到10%,在这个条件下,我们就需要这种高端技术,知道你去过哪儿,爱好什么,喜欢什么,通过这些喜欢爱好行为的分析,来挖掘得出这个结论,货物生产流向,应该是什么样子。所以七天无条件退货,是降低成本很重要一个支撑。



当然位置信息和时间信息都是支撑所有事物运转,支撑所有的建设进程的一个重要的基础元素。有了位置,我们才能够进行各种各样的活动。把位置定位跟互联网,跟移动通讯网,紧密地融合到一起,它会带来新的业务和增值空间,它会创出新的服务模式,从而大幅地提升我们的服务能力。


比方说像咖啡店,像餐饮店,一看人排队很长,我们就走了,想喝杯咖啡,买杯水,你不乐意等。现在手机可以支付,点一下知道你的位置在哪儿,货物就可以送过来,很方便。



我们已经进入了一个大数据时代,在这个时代当中,我们通常在想,到底有什么人,在什么地方,会干什么事。有了这些精确的位置信息,你就可以很容易地联想未来的世界,比方说酒后驾车越来越严重,我相信在座各位很多人都开着车,能不能酒后还可以驾车呢?有,无人驾驶,喝酒就喝酒,喝完了以后,由车子自己驾驶。那就要求我们车道级的定位能力和室内泊车的能力,咱们从北京开到天津无所谓,没问题。


有了这些的技术,我们未来的生活,会发生很大的改变,所以有人说,互联网改变了人们的生活方式,我认为位置网将会改变整个世界。


本文来自微信公众号:CC讲坛(ID:ccjt2014),作者:邓中亮

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