文｜楊菠 王瑞巍

中國(guó)信息通信研究院融合創(chuàng)新研究中心

關(guān)鍵字：北斗衛(wèi)星導(dǎo)航；北斗短報(bào)文；新一代信息技術(shù)；技術(shù)融合

一、前言

2020年7月，中國(guó)北斗三號(hào)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正式開(kāi)通，標(biāo)志著我國(guó)已建成具備全球覆蓋能力的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是著眼國(guó)家安全和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需要，自主研制、獨(dú)立運(yùn)行的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，可為全球用戶提供陸、海、空、天高精度、全覆蓋、全天候、全天時(shí)的定位、導(dǎo)航與授時(shí)服務(wù)的國(guó)家重要空間基礎(chǔ)設(shè)施。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)研發(fā)起步較晚，但北斗系統(tǒng)幾十年來(lái)卻已經(jīng)逐漸趕超，并且具有自己鮮明的技術(shù)特色。北斗系統(tǒng)的特色在于短報(bào)文服務(wù)，是通信系統(tǒng)與導(dǎo)航系統(tǒng)的結(jié)合。北斗短報(bào)文服務(wù)具備地面4G/5G無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)和傳統(tǒng)通信衛(wèi)星所不具備的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，如連續(xù)覆蓋、價(jià)格低廉、抗干擾強(qiáng)、實(shí)時(shí)可靠等，將大大推進(jìn)衛(wèi)星通信服務(wù)經(jīng)濟(jì)生活進(jìn)程。

覆蓋全球具備高精度定位、授時(shí)、導(dǎo)航和短報(bào)文通信功能的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已成為我國(guó)新一代信息技術(shù)（5G、人工智能、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)和區(qū)塊鏈）的核心支撐和創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)。新一代信息技術(shù)可以利用自主可控的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)增強(qiáng)自身安全能力和功能拓展能力，并與北斗系統(tǒng)融合發(fā)展、互相促進(jìn)。以下分析北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與新一代信息技術(shù)的融合創(chuàng)新應(yīng)用方向。

二、北斗系統(tǒng)與5G融合，構(gòu)建天地一體的時(shí)空安全體系

當(dāng)前5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)已確立為新一代國(guó)家信息基礎(chǔ)設(shè)施，肩負(fù)支撐國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展與社會(huì)安全雙重任務(wù)，5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)運(yùn)營(yíng)必須堅(jiān)持走自主可控的道路。獲取準(zhǔn)確可靠的時(shí)空信息是5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)必要前提。GPS衛(wèi)星信號(hào)受到無(wú)意或有意干擾導(dǎo)致失效的情況越來(lái)越多，如果5G通信基站還依賴(lài)GPS獲取時(shí)空信息就存在重大安全隱患。

首先，地基的5G通信網(wǎng)絡(luò)同步、授時(shí)和定位應(yīng)盡早采用北斗導(dǎo)航完全替代GPS。在此基礎(chǔ)上，建立一套5G通信網(wǎng)絡(luò)時(shí)空服務(wù)監(jiān)測(cè)評(píng)估網(wǎng)絡(luò)來(lái)確保5G網(wǎng)絡(luò)“端到端”的時(shí)鐘同步、網(wǎng)元位置信息的準(zhǔn)確可靠，感知各種干擾與惡意攻擊，從而提高監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)5G系統(tǒng)的魯棒性和抗干擾能力，為特殊情況做好準(zhǔn)備。

其次，天基的北斗時(shí)空基準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)為5G通信網(wǎng)絡(luò)提供高精度的同步、時(shí)鐘和位置基準(zhǔn)服務(wù)的同時(shí)，地基5G通信網(wǎng)絡(luò)可以對(duì)接收到的北斗信號(hào)進(jìn)行監(jiān)控，將監(jiān)控結(jié)果數(shù)據(jù)通過(guò)5G通信網(wǎng)絡(luò)的傳輸網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到“北斗時(shí)空服務(wù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中心”存儲(chǔ)歷史數(shù)據(jù)，形成大數(shù)據(jù)資源，通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)對(duì)當(dāng)前監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題提早預(yù)警，建立一個(gè)廣域北斗服務(wù)監(jiān)測(cè)體系，構(gòu)建天地一體時(shí)空安全體系，將中國(guó)國(guó)家時(shí)空安全提升到全球領(lǐng)先地位。

三、北斗系統(tǒng)與人工智能融合，加速推進(jìn)智能化、無(wú)人化平臺(tái)發(fā)展

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是天基定位導(dǎo)航授時(shí)系統(tǒng)，也是重要的時(shí)空信息感知手段。當(dāng)前人工智能的熱點(diǎn)是深度學(xué)習(xí)，機(jī)器通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)，獲得類(lèi)似人類(lèi)的能力如態(tài)勢(shì)感知、語(yǔ)言識(shí)別、圖像判斷等。從更加深遠(yuǎn)廣闊的角度看，兩者均為現(xiàn)代化的時(shí)空信息技術(shù)與服務(wù)體系中不可分割的組成部分。結(jié)合兩者的優(yōu)勢(shì)已在諸多行業(yè)和方向中有了一定的探索發(fā)現(xiàn)，取得了一定的成績(jī)。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)可為自動(dòng)駕駛、機(jī)器人、無(wú)人車(chē)、無(wú)人機(jī)、無(wú)人潛航器等多種多樣的無(wú)人應(yīng)用平臺(tái)提供精確時(shí)空信息；人工智能則是基于圖像信息、雷達(dá)信息、地形地貌等對(duì)無(wú)人系統(tǒng)所處周?chē)h(huán)境進(jìn)行目標(biāo)檢測(cè)，并結(jié)合精確時(shí)空信息和儲(chǔ)存的地圖信息為控制決策提供基礎(chǔ)，并可以基于強(qiáng)化學(xué)習(xí)等實(shí)現(xiàn)無(wú)人系統(tǒng)的控制決策。

精準(zhǔn)可靠的時(shí)空信息在智慧城市領(lǐng)域同樣不可缺少，車(chē)輛交通信息，地下管網(wǎng)位置，物流調(diào)度信息，人員流動(dòng)信息都要借助北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。人工智能系統(tǒng)代替人類(lèi)來(lái)實(shí)時(shí)處理智慧城市的海量數(shù)據(jù)，可以大大提高城市的運(yùn)作效率和綠色減排，比如智能決策對(duì)交通燈時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行調(diào)控提升交通效率；智能系統(tǒng)自主定位地下管網(wǎng)故障節(jié)點(diǎn)降低故障處理時(shí)間；智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)系統(tǒng)使出行安全快捷；基于個(gè)人定位終端預(yù)測(cè)人流走向，評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)。

四、北斗系統(tǒng)與云計(jì)算大數(shù)據(jù)融合，利用云技術(shù)管好用好北斗大數(shù)據(jù)

亞馬遜AWS、微軟Azure已開(kāi)始部署衛(wèi)星云計(jì)算市場(chǎng)，云計(jì)算將是各國(guó)空間實(shí)力的一個(gè)賽點(diǎn)。2018年亞馬遜AWS就與多家衛(wèi)星公司合作，采用其提供的地面云計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施來(lái)存儲(chǔ)、分析和傳輸衛(wèi)星數(shù)據(jù)，大幅度減少了數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)，同時(shí)提供了充足的算力保障。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)都是新基建的重要組成部分。云計(jì)算不僅能為衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)提供虛擬化資源，還將以云原生為技術(shù)體系全面提升網(wǎng)絡(luò)和算力能力水平，“北斗在天，服務(wù)在地”。北斗系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)服務(wù)每時(shí)每刻產(chǎn)生著海量數(shù)據(jù)，如北斗導(dǎo)航衛(wèi)星在軌運(yùn)行數(shù)據(jù)、北斗星間鏈路傳輸數(shù)據(jù)、北斗星地互通數(shù)據(jù)、北斗地面設(shè)施之間傳輸數(shù)據(jù)、終端用戶上報(bào)信息和終端行跡數(shù)據(jù)等。通過(guò)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)流處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)形成高價(jià)值運(yùn)營(yíng)大數(shù)據(jù)，再通過(guò)各種數(shù)據(jù)分析手段（如運(yùn)籌優(yōu)化、人工智能等）將其用于“可視管理”“調(diào)度決策”“資源優(yōu)化”“異常預(yù)警”等領(lǐng)域提高北斗系統(tǒng)的運(yùn)行管理能力，更大程度發(fā)揮北斗衛(wèi)星資源使用效率，更好服務(wù)國(guó)民經(jīng)濟(jì)千行百業(yè)。云計(jì)算、大數(shù)據(jù)技術(shù)可以將分散于不同部門(mén)和不同行業(yè)的數(shù)據(jù)資源整合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)資源的統(tǒng)一納管，高效利用，服務(wù)的彈性伸縮、按需獲取，管控的體系運(yùn)維、智能提升。

五、北斗系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)融合，短報(bào)文撐起覆蓋全球物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)回傳

短報(bào)文是北斗注冊(cè)用戶通過(guò)北斗星座與其他用戶建立無(wú)線通信鏈接。不同級(jí)別的北斗卡可得到不同類(lèi)別的服務(wù)，普通用戶通信頻率是120 漢字/次；三級(jí)北斗卡發(fā)送短報(bào)文的時(shí)間頻率是1分鐘一次。根據(jù)需求，可選擇兩種數(shù)據(jù)類(lèi)型的短報(bào)文服務(wù)，一種為通常漢字通信采用ASCII 碼的方式，另一種是BCD 碼方式。隨著北斗三號(hào)系統(tǒng)的開(kāi)通，短報(bào)文通信服務(wù)也迎來(lái)功能全面升級(jí)，區(qū)域服務(wù)容量提高到每小時(shí)1000萬(wàn)次，信息發(fā)送能力從120個(gè)漢字/次提升到了1000個(gè)漢字/次，此外，北斗三號(hào)系統(tǒng)還可支持發(fā)送圖片與聲音等多媒體信息。

物聯(lián)網(wǎng)指通過(guò)各種激光掃描器、紅外感應(yīng)器、信息傳感器、定位裝置、射頻識(shí)別等各種裝置和技術(shù)，實(shí)時(shí)采集需要監(jiān)控、連接、互動(dòng)的物體和過(guò)程，采集其電、力、化、聲、光、熱、生物、位置等各種信息，通過(guò)各種可用接入網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)物與人、物與物的泛在互聯(lián)，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)物與過(guò)程的智能化感知、識(shí)別及管理。作為新一代信息技術(shù)的重要組成部分，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)正在推動(dòng)世界邁向萬(wàn)物互聯(lián)時(shí)代。

物聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)難題就是如何把采集的數(shù)據(jù)回傳到物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心，如NB-IoT、LoRa、Wi-Fi 6這些先進(jìn)無(wú)線傳輸技術(shù)單個(gè)發(fā)射基站只能覆蓋從幾十米到幾千米，如果要做到超大面積覆蓋如一個(gè)城市，就只能采用蜂窩方式建設(shè)基站網(wǎng)絡(luò)，此方式成本巨大，并且在無(wú)人荒漠和海洋無(wú)法實(shí)施。

北斗系統(tǒng)通信導(dǎo)航結(jié)合的短報(bào)文為全世界獨(dú)有，隨著北斗三號(hào)系統(tǒng)核心星座部署完成，北斗三號(hào)短報(bào)文通信服務(wù)也迎來(lái)功能的全面升級(jí)，將高容量、大傳輸量、小型化、低功耗的北斗三號(hào)短報(bào)文服務(wù)用于廣泛覆蓋物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)回傳，可提供一種高可靠，低成本，易部署的物聯(lián)網(wǎng)解決方案。只要北斗系統(tǒng)信號(hào)覆蓋的區(qū)域就可以快速部署物聯(lián)網(wǎng)，這就解決了在廣袤無(wú)人區(qū)、海外基地和海洋部署物聯(lián)網(wǎng)的難題。

六、北斗系統(tǒng)與區(qū)塊鏈融合，夯實(shí)我國(guó)網(wǎng)信安全時(shí)空基石

2020年國(guó)家發(fā)改委將區(qū)塊鏈技術(shù)納入信息基礎(chǔ)設(shè)施的新技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施中。區(qū)塊鏈作為一項(xiàng)新興技術(shù)，一方面，能夠推動(dòng)數(shù)字經(jīng)濟(jì)下的數(shù)據(jù)要素流通，有效解決了數(shù)據(jù)要素流通的數(shù)據(jù)確權(quán)和數(shù)據(jù)共享、共治的問(wèn)題。另一方面，區(qū)塊鏈能夠提高“新基建”中網(wǎng)絡(luò)安全能力，利用身份驗(yàn)證保護(hù)邊緣設(shè)備、提升數(shù)據(jù)的保密性和完整性。目前區(qū)塊鏈已在航天、環(huán)保、金融、司法、行政執(zhí)法、公安等領(lǐng)域使用，為各行各業(yè)守護(hù)全流程數(shù)據(jù)真實(shí)。當(dāng)前區(qū)塊鏈技術(shù)推廣中最大風(fēng)險(xiǎn)還是其安全性，區(qū)塊鏈與北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行融合，不僅使用精準(zhǔn)時(shí)間戳記錄數(shù)據(jù)產(chǎn)生時(shí)間，而且可以同時(shí)采用北斗定位芯片來(lái)記錄數(shù)據(jù)產(chǎn)生服務(wù)器所在的空間坐標(biāo)，即同時(shí)在時(shí)空兩個(gè)維度證明上鏈前后數(shù)據(jù)的真實(shí)性。在區(qū)塊鏈時(shí)間戳上添加北斗定位信息，這一做法的確能大大提升數(shù)據(jù)真實(shí)性，區(qū)塊鏈技術(shù)與北斗定位結(jié)合是首創(chuàng)，是兩大中國(guó)技術(shù)相結(jié)合的一大創(chuàng)新。

七、結(jié)束語(yǔ)

目前，北斗系統(tǒng)在應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化方面不斷邁上新臺(tái)階。隨著5G移動(dòng)通信時(shí)代的到來(lái)，北斗系統(tǒng)正與大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能、區(qū)塊鏈及新一代通信等新技術(shù)快速融合，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用的新模式、新業(yè)態(tài)、新經(jīng)濟(jì)不斷涌現(xiàn)。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航相關(guān)產(chǎn)品正廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸、水文監(jiān)測(cè)、測(cè)繪地理信息、氣象預(yù)報(bào)、海洋漁業(yè)、森林防火、電力調(diào)度、通信時(shí)統(tǒng)、應(yīng)急搜救、救災(zāi)減災(zāi)等領(lǐng)域，逐步滲透到生產(chǎn)生活中的方方面面，為經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展注入新血液。北斗全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是新基建的守護(hù)者，是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的新動(dòng)力，是提高人們獲得感的新抓手，是中國(guó)向全世界展示科技實(shí)力的一張亮麗名片。