智慧社会与智慧城市

文｜邓中亮

一、智慧社会与数字孪生城市

习近平总书记在十九大上提出了要建设智慧社会。那么什么样的社会是智慧的？什么样的城市是智慧的？智慧的社会首先必须是透明化的。在透明化的基础上，才能做到知己知彼，百战不殆。而在透明化的同时，信息与网络的安全也必须得到保障。在透明和安全的基础上，我们才有可能谈智慧。

数字孪生正是城市的透明化管理与智能运行的关键，而高精度时空信息是城市数字孪生的重要基础，是数字孪生城市技术落地的重点之一。高精度的时空基准和万物互联的透明化时代已经到来，感知无处不在，网络无处不在。高精度时空信息已成为国家安全、经济建设，包括智慧社会发展依赖的核心基础之一，是人类活动不可或缺的基础属性。

高精度、高可靠室内外无缝定位已成为国防、经济、社会发展的迫切需要，将用于：

（1）智慧赋能制造：工业互联网是5G 最核心的应用之一，已成为新基建核心信息基础设施，而时空信息是工业大数据重要获取源头。

（2）重大安全生产保障：使保障模式从传统的被动响应为主的救援模式发展成为精准的全时空主动预防模式转变。

（3）智慧农耕：广域高精度定位、全时空精细遥感和超宽带移动通信可极大促进我国农耕水平发展。

（4）智慧交通：通过精准位置服务，可大幅提升城市交通管理水平和智慧服务能力。

（5）高安全的物件位置跟踪：米级定位精度是智慧社会现代智能化物流运输的重要保障。

（6）低空开放：无缝位置感知是“低、慢、小”无人飞行器安全管控的基础。

（7）智慧医疗：精确位置感知将赋能疫情监控、应急救援、特殊人群关爱，助力健康中国和全面小康社会建设。

除了上述的应用，位置大数据和位置服务已经成为移动运营服务和盈利增长的新动能，激发了移动社交、移动支付、移动体验、智慧物联、无人驾驶等基于位置的移动通信新业态；平安城市建设也需要物联网、视觉、位置服务等一系列基础设施；2022年智慧冬奥会上，“北斗+5G”的重要应用将提供全过程全天候的场馆与人员精细保障。

二、通信导航深度融合

（一）北斗与无线网络的融合

2020年7月31日，北斗开启导航全球服务。相比之下，美国的GPS 发展了40 多年，俄罗斯的GLONASS 比GPS 晚，但也比北斗早了20 多年，加上欧洲还没建成的伽利略，全球四大卫星导航系统为人类带来了巨大的社会和经济效益，但彼此之间路线相近、市场竞争激烈。

北斗与无线网络的结合可以形成差异化服务，带来增量效应：

（1）北斗精确授时可为电网、铁路以及通信行业等领域带来纳秒级甚至亚纳秒级的网络时间同步，提升运行的安全性、稳定性、自主可控。

（2）强大的网络可以为卫星定位导航服务带来从源到端的服务保障，将时空信息从“泛在的、精确的”提升至“可信的、安全的、智慧的”，从定位导航产业化走向位置服务商业化。

（3）卫星定位导航信号覆盖广，直接定位精度达10 米，差分增强可达厘米级，但在遮挡区域接收卫星定位信号困难。无线网络定位导航可以作为卫星在这些区域的补充，与卫星融合实现无缝定位导航。

（4）北斗与移动通信网可以在信号、信息、设施、应用等层面深度融合，既能使北斗增强移动通信网支撑网络高效、安全运行，还能用移动通信网增强北斗，实现A-BDS 快速定位、室内定位信号覆盖补充与差分增强。

（二）无线网络定位机遇与挑战

人们80%的时间都在建筑内，但室内接收卫星定位信号困难。而2G、3G、4G 网覆盖了95%以上人口，假设通信这张网能用好，跟天上的卫星网实现对接，就可以解决无缝定位导航的难题。包括我国的“羲和计划”在内，世界大国相继实施了多个重要计划推动无线网络定位的发展。同时，美日欧等已自1996年起相继立法要求移动通信运营商必须提供定位服务。无线定位技术的发展可概括为从“单网自主”到“多网智能”的转变，在未来更将向“全源智慧”发展，最终实现“万物皆知”。

如果能对移动通信网进行赋能，实现高精度定位，将能极大地激发位置服务产业发展。需要突破以下挑战：

挑战一：可测性。城市峡谷和桥梁下环境复杂，多径非视距效应严重，对无线网络高精度定位带来极大挑战。

挑战二：可靠性。单一网络存在覆盖盲区，异构多源网络融合导航基准、观测量，方式、能力差异大，存在异构多网融合定位难题。

挑战三：精确性。传统无线网络定位存在瓶颈，如何实现低成本优于厘米级测距是需要解决的问题。

挑战四：鲁棒性。大、中、小多尺度覆盖网络融合可以通过大数据关联测算技术与智能控制，提高导航控制与决策的鲁棒性，但相应技术需要进一步突破。

挑战五：实时性。巨量位置感知计算的实时性处理（＞2000 亿人次/天）为位置服务计算能力带来挑战。

（三）单无线网络定位

为应对这些挑战，北京邮电大学邓中亮教授团队在科技部“羲和计划”和国家重点研发计划“室内混合智能定位与室内GIS 技术研究及示范应用”项目的支持下形成了通导融合“共频带”定位理论技术体系，成功实现了基于移动通信网的高可用、高精度、高可信定位，成为了国际5G 高精度定位标准，并在项目支持下于天津搭建了基于5G 网络的室内外无缝定位示范系统验证。国际标准制定过程中，团队在工业互联网场景下实现了0.2 米的定位精度。

图1 测试人员在示范区进行室内定位测试

（四）异构多网多源协同定位

移动通信网的建设要求是实现90%以上覆盖，剩下的百分之几，可以用多网融合来解决。邓中亮教授团队针对模糊环境定位导航普适性难题，创新提出图像-无线融合快速定位关联计算方法，实现国际最优的多边界约束寻优厘米级定位。

（五）天地一体定位

物联网、智慧交通、重大工程建设迫切需要更大范围高精度无缝定位。卫星网覆盖全球，但在地面覆盖有限，如室内、地下等，需要无线通信网的补充；而无线通信网在边远地区覆盖稀疏，卫星可以解决这个问题。将卫星地面网和无线通信网结合，可以实现低成本差分增强与信号无缝覆盖的定位系统与服务，能够做到天网恢恢疏而不漏。

三、新基建“北斗+5G”发展机遇

（一）北斗+5G——支撑PNT新体系（天地一体）

结合北斗/GNSS、高中低轨卫星、地面网络等，基于5G 建立新型泛在、无缝、通导一体化位置服务基础设施，构建全空域、全时域、全频域、高精度、高可靠、高可用的位置服务体系。基于天地一体高精度无缝定位服务应用架构，充分利用已有基础设施，统一开发复制推广，建立覆盖全国的集基础观测网络、室内外高精度定位一体的综合位置服务系统。

中国在轨卫星数量逐年递增，通信卫星占比19%，提交的卫星申请数已超过3000 颗，将这些卫星与北斗、5G 结合起来将能极大降低服务延迟，提高用户规模，增强系统抗毁能力。

（二）5G 愿景：信息随心至，万物触手及

5G 业务在于万物互联，而高精度时空信息可为万物互联提供支撑，是5G 服务的产业化应用的重要抓手。

5G 大带宽、低时延、高容量的特性，可支撑虚拟双频、三频差分定位、降低多径/非视距对定位影响、降低站间系统误差，对导航定位性能提升具有重要意义。

四、展望

（一）空间信息无缝感知是数字孪生的重要支撑，未来城市中的万物即是感知源也是应用终端。

（二）我国位置服务用户激增，泛在化的位置服务计算是演进的方向，需结合云计算、边缘计算进行位置大数据处理。

（三）仿生通信定位导航是实现无人化、智能化、高安全的重要潜在手段。

（四）基于人工智能的认知与控制结合全源定位、通信与计算，实现智慧导航是未来的发展方向之一。

（五）室内外通信与无缝、高精度、高可靠定位可为多机协同及自组网为无人机集群作业等提供支撑，是未来低空安全开放的关键之一。

（六）构建时空服务安全保障服务体系是预防未来智慧社会中隐私与安全问题的关键。

（七）还需进行智慧城市创新应用，提升社会治理水平、运行效率和服务能力，实现城市精细化管理、智能交通、现代物流等应用，将带来万亿产业链。

（八）需要制定通信-导航融合位置服务标准、政策、法规，促进技术向产业、向应用服务转化。

（九）新一代信息技术产业存在产值大、人才缺的问题，需要加强通信与导航复合人才的培养。

祝愿未来虚实孪生演绎，城市更美好！