综合PNT 应用服务体系：概念框架、技术路线与应用展望

蔚保国，邓志鑫，张京奎，黄璐，贾浩男

(中国电子科技集团公司第五十四研究所 卫星导航系统与装备技术国家重点实验室,石家庄 050081)

0 引言

我国北斗卫星导航系统(BeiDou Navigation Satellite System，BDS)经历了从无到有、从服务中国到服务亚太、再到全球组网的“三步走”发展历程，北斗三号(BeiDou-3 Navigation Satellite System，BDS-3)全球覆盖并达到了国际先进水平.自北斗系统提供服务以来，已在各行各业得到广泛应用，并进入大众消费、共享经济和民生领域，产生了显著的社会效益和经济，深刻改变了人们的生产生活方式.近年来，随着“北斗+”和“+北斗”的深化发展，北斗与5G、物联网、卫星互联网、云计算、区块链、人工智能等技术的融合创新将带来数字化革命，催生出更广阔的卫星导航与位置服务产业.2035 年前，我国还将建设完善更加泛在、更加融合、更加智能的国家综合时空体系，为全球用户提供性能更高、更加可靠和更加丰富的时空信息服务，并带动综合时空信息产业跨越式发展.

当前，面向未来更为广阔的综合时空应用，我国数字化社会转型的时空基座还未完全建成，时空信息服务的泛在性、精准性和普适性问题尚未完全解决，规模化的室内外“全国一张网”尚未实现，时空信息服务技术发展明显滞后于市场需求，与“无处不在、无时不有”的时空信息服务目标尚有较大差距，传统分散的、局部的、非典型、非标准化的时空信息服务解决方案难以满足随遇接入、泛在精准、无缝衔接、安全可信的时空信息服务应用要求.时空信息服务与经济社会发展过程中的其他领域一样，必须走体系化发展之路.

国家综合定位、导航与授时(positioning,navigation and timing,PNT)体系是在国家层面统一组织协调下，服务于国防、经济和社会，承担国家时空基准建立与维持、时空信息播发与获取、PNT 服务与应用等任务的国家信息基础设施[1].文献[2]于2020 年提出了综合时空体系网络管理系统概念，建立了由7 个单元组成的网管框架，但单纯依赖网络管理无法全面解决综合PNT 应用服务问题，综合PNT 应用服务是天地协同、通导融合、软硬并举、多态服务的复杂体系，必须充分借鉴学术界关于复杂系统理论与应用的研究成果.文献[3]提出了复杂系统理论在构建生态文明指标体系中的应用方法，指出将互相交错影响的各生态文明指标因子整合起来，最大限度实现因子间的协同增效.文献[4]基于复杂系统理论提出了“精准感知-深度认知-智能推演-科学决策”的平行城市虚实互动框架，解决了复杂环境城市治理问题；工业界在传统信息网络基础上，基于复杂系统理论提出了数字化、软件化、智能化、一体化的网信体系理念，并开发了系列化规模化网络信息应用.

本文面向综合PNT 应用服务体系设计这一复杂系统性问题，充分利用复杂系统理论研究应用成果，提出“按需弹性可伸缩综合PNT 应用服务体系”概念，设计具有“开放遮蔽全域一体、网云边端泛在互联、通导感控协同增效、声光电磁多源融合”服务能力的综合PNT 应用服务体系方案，给出应用服务概念框架、技术路线和应用服务模式，最后对其应用前景进行了展望.

1 概念框架

基于更加泛在、更加融合、更加智能的体系需求，并结合各类用户的实际需要和所处应用场景，为自适应、弹性化提供PNT 应用服务是综合PNT 体系的追求目标，需要提供服务的主体和客体之间建立双向协同的机制，因此弹性可伸缩综合PNT 应用服务体系及网络应是未来的主要发展方向.

1.1 概念定义

综合PNT 应用服务体系的概念内涵：

以北斗为基石，以低轨增强为补充，联合地面5G、伪卫星、超宽带(ultra wide band,UWB)等PNT服务手段，立足“数字化、网络化、智能化”技术特征，形成天地协同时空网络；构建对应的数字孪生多域多维场图[5]，形成场图与网络的双向映射；基于场图平台构建标准化可扩展应用服务系统生态，最终实现万物互联、泛在精准的按需弹性可伸缩时空服务体系.

综合PNT 应用服务体系其目标是提供“基准统一、无缝覆盖、弹性互备、安全可信、智能精准、高效便捷”时空信息服务，具备“统一、无缝、弹性、可信、精准”的基本特征.

“统一”是指时空基准建立、维持与传递，以及PNT 信息应用的标准与规范具备统一特征.

“无缝”是指综合PNT 应用服务范围全空间连续不中断，能够在开阔空间、半遮蔽空间以及全遮蔽空间等场景下提供连续稳定服务.

“弹性”是指PNT 服务不受环境因素干扰，具备高可用、高连续和高可靠特征.

“可信”是指能提供有保障的PNT 服务，并具备故障检测隔离与系统可重构能力.

“精准”是指所提供的导航定位精度能够满足大众与特种行业应用需求.

1.2 体系框架

综合PNT 应用服务体系框架分为节点层、网络层、管理层和决策层，基本框架示意如图1 所示.

图1 综合PNT 服务体系基本框架

节点层作为综合PNT 应用服务体系网络中面向用户的连接节点，以一体化白盒为载体，实现用户与网络间双向信息交互；网络层是时空基准传递与时空服务信息播发的统一基础网络，具备弹性可伸缩特性；管理层是为网络和用户提供PNT 信息的智能运管服务，通过构建基于数字孪生的网信场图实现；决策层是PNT 体系的智能化服务体现，通过智能博弈算法提供复杂应用任务的决策支持.

1.2.1 一体化白盒

与传统节点设备存在技术壁垒、黑盒、设备间紧耦合等局限性相比，一体化白盒旨在减少基础设施建设与运营成本，是基于全国产化通用服务器+开放软件生态的定位通信一体化基站设备，一体化白盒模型如图2 所示.其主要思路是将北斗伪卫星与5G 室内“白盒”室分基站、UWB 基站融合，结合室内外无缝导航网络[6-7]，形成智能感知、学习、认知、决策和调控能力.通过一体化白盒能够实现用户与网络按照设定协议传递当前状态、位置、时间等信息，实现节点层与网络层间的信息融合交互.一体化白盒设备区别于传统设备的特征在于通过标准且通用的硬件设计、必要固件、接口规范以承载多家厂商的软件化功能组件，可提供更灵活的基站组合方案，支持导航定位与位置服务能力的软件定义，是推动综合PNT 应用服务数字化和智能化的重要支撑.软件可定义是一体化白盒的关键技术，其主要特征是软件定义互连和软件定义节点.目前，相关技术在普适性网络安全架构、高效能处理、以及异构网络互联等方面均取得了突破性的进展[8].

图2 一体化白盒模型

1.2.2 统一网络

综合PNT 应用服务体系能力呈现必须在统一化PNT 信息网络的支撑下运行.为提升遮挡环境下PNT 服务可用性、安全需求下可信性、复杂场景下智能性，迫切需要突破北斗、低轨卫星、5G、伪卫星、UWB 等不同尺度空间下时空信息网络一体化设计与弹性组网，以及多源数据处理、终端自适应弹性导航等关键技术，构建从单一系统到综合体系，从通导融合到泛在时空的弹性可伸缩综合PNT 应用服务体系，是智能位置服务的必由之路，图3 为天地协同PNT 统一网络基本架构.

图3 天地协同PNT 统一网络基本架构

综合时空信息统一网络是以我国建设完成的BDS 为核心，融合低轨卫星导航系统及其增强系统、地面移动通信基站、空地伪卫星以及多种室内外定位导航源的“天基+地基”、“室内+室外”天地协同时空信息统一网络，借助云计算、人工智能，突破不同尺度空间时空信息云端多源数据处理和终端自适应弹性导航定位技术，实现“全球瞬时高精度定位服务、室内外无缝定位服务、大容量高并发位置服务、天地一体化应急救援服务、网络化监测评估智能推送服务”等服务能力.其中PNT 系统与通信系统的融合是时空信息统一网络的建设重点，通过通信系统内生导航能力或构建通导一体化融合网络，实现通信与导航的协同增效，提高综合PNT 服务的强健性与完好性.

1.2.3 网信场图

网信场图定义为能够综合展示地理空间、电磁空间、网络空间、认知空间信息及其叠加融合态势的可视化多域多维信息场图.网信场图是综合PNT 应用服务的可视化呈现载体，构建与利用网信场图是时空信息态势呈现、时空信息网络管理、时空信息增强服务的主要途径[9].网信场图主要特性是能够提供综合PNT 应用服务体系的网络运管、性能增强、预测决策，实现按需智能可信时空服务.

基于数字孪生思路进行多域多层网信场图构建，即以地理信息三维地图为底座，将多域信息态势数据库与地理、系统、服务、管理的多域数字孪生相结合，形成基础地理信息态势层、PNT 信息态势层、PNT 服务态势层、PNT 管理态势层等态势.数字孪生网信场图可实现对综合PNT 信息的全维度呈现与分析，面向用户提供多域态势呈现、服务性能评估、时空数据管理、信息健康预警等服务.

数字孪生网信场图还能提供PNT 信息辅助与增强服务，通过孪生地图生成场景和测量信息，可增强物理PNT 网络性能，实现网图约束辅助下多源融合连续定位.同时，借助于深度数字孪生多维场图，通过虚实协同，实现PNT 网络态势管控.

1.2.4 智能博弈

在非合作机动网应用条件下，导航网络无法对环境进行精确感知建模，难以对信道状态进行合理高效估计，因此如何实现网络中各个节点的导航信号在频率、时隙、带宽、功率等方面的动态优化分配，如何借助强大的网络协同、通导融合等技术提升信息网络自主决策能力，是未来综合PNT 应用服务的核心技术.未来一体化信息网络庞大、异构，应用场景繁杂多变，将面临信息环境复杂、服务需求多变、策略求解复杂等诸多挑战.博弈论是研究具有斗争或竞争性质现象的数学理论和方法，近年来智能博弈技术依赖博弈论和强化学习两种范式的结合而取得了显著成效[10-11].通过利用演化博弈、斯坦伯格博弈[12]等经典博弈理论建立综合PNT 网络中应用服务冲突与合作的数学模型，有望解决综合PNT 应用服务网络资源的最优分配难题.

随着人工智能技术快速发展，基于深度神经网络学习的方法具有较强的自我学习能力，能够自动提取特征，不仅适用于已知的场景，对未知且难于精确建模的场景也有一定的适用性.综合PNT 系统是一个集导航、通信、感知于一体的巨型复杂网络，解决智能博弈，需要突破基于深度神经网络学习技术的服务能力驱动、服务可达分析、服务效果评估等分析方法，支持对合作、非合作复杂问题的分析与决策，形成对综合PNT 应用服务复杂问题的统一认识和解决方案.

2 综合时空应用服务体系技术路线

国家综合PNT 体系是以北斗系统为核心，融合低轨卫星、地面5G 通信、伪卫星、自主传感器等其他PNT 手段融合发展的综合时空信息网络[13-14]，具有时空基准统一、网络互联互通、弹性协同运行的能力[15-16]，为达成上述能力，需按照 “固基、强网、增效”的技术路线进行实施，图4 展示了该体系架构及要素.

图4 综合时空应用服务体系架构及要素

2.1 固基

固基是构建时空统一的PNT 基础设施与保障条件.固基的演进路线主要包括六个方面：基准统一、北斗核心、精度增强、泛在覆盖、坚韧备份、自主可控.

1)基准统一：建设自主可控、稳健可用的时空基准与时空统一系统.

基准统一是构建国家综合PNT 体系的重要任务之一，通过构建多层次、多节点、分布式的时空基准网络，为各类PNT 设施提供基准服务.从根基上提升国家综合PNT 时空信息服务网络的基础能力、从源头上保证国家综合PNT 时空信息服务网络的能力上限、从体系上夯实底层资源.

2)北斗核心：进一步夯实BDS 这一核心，实现国际领先的全球时空服务.

进一步增强BDS 的PNT 服务性能，提升全球覆盖范围的服务精度、提高全球PNT 完好性能力、夯实北斗导航信号的抗干扰能力、不断巩固BDS 的国际领先地位是综合PNT 服务体系建设的重要发展方向[17].

3)精度增强：构建天地一体化增强举措，提升北斗精度优势.

提供精度、可用性更优的定位授时服务是综合时空体系的重要任务，因此需要新型增强模式弥补北斗系统自身星基差分增强能力的欠缺.为此通过低轨卫星导航、通导融合技术和完好性增强三个核心措施，解决广域空间用户快速高精度定位需求.

4)泛在覆盖：多导航网无缝融合，实现天空、地、海PNT 全域覆盖.

将定位授时能力扩展到任意区域、实现泛在PNT 能力，既是天地协同PNT 网络扩展室内、地下、水下、商业航天和公众应用优势的需要，也是满足军事活动与泛在空间科研探索的保障.构建新型水下导航网络[18]、室内外无缝定位网络、地月/深空导航网络，并将上述网络与已有PNT 服务网融合，实现“无处不在、无时不有”的时空服务.

5)坚韧备份：完善与备份相结合，增强天地协同PNT 网络安全.

未来综合PNT 网络将面临更复杂的体系化对抗和更多不确定性因素，确保生命安全应用、用户隐私数据、对抗条件军事应用是综合PNT 应用服务的重大挑战，需要从提高PNT 系统自身安全性和做好补充备份两方面着手提升体系安全能力.

6)自主可控：提升自主核心研发能力，实现稳步可持续发展.

建立完善的自主研发体系，具备完整、开放、可自主发展的时空基础服务平台，掌握核心器部件自主可控研发能力，构建综合PNT 应用服务生态；同步建立综合时空服务体系国际化知识产权战略布局、常态化管理组织、保障性政策法规，全面保障综合时空信息服务的健康稳步可持续发展.

2.2 强网

强网是立足北斗，融合多源PNT 网络，增强PNT与信息网络的协同发展，全面提升服务能力.

目前，北斗应用依然存在“泛在-精准-普适”等痛点.在泛在覆盖方面，大量遮蔽环境下北斗导航信号无法使用；在快速精准方面，北斗全球瞬时高精度服务尚未形成；在普适通用方面，北斗综合PNT 融合服务的标准化和规模化仍有差距.

基于此，迫切需要构建天地协同统一时空信息网络，实现综合PNT 体系与网络信息体系的深度融合.具体实施路线主要包括如下四个方面：

1) 三网融合的标准化体系架构

建立“公网+专网+机动网”的三网协同标准化体系架构，从网络侧、云处理侧、用户端侧三个层次服务框架，实现“三网+三层” 的全空间智能位置服务网络总体解决方案.

2) 突破室内外混合智能PNT 关键技术

打通室内室外和地上地下空间的无缝连续精准定位.面向复杂环境下的PNT 需求，构建以北斗为核心，通信网络、惯性系统、感知系统等多源信息深度融合的泛在智能PNT 系统.

3) 落实室内外PNT 与多体系协同机制

研究室内外PNT 网络与国家综合PNT 体系的融合、各体系时空基准统一等方法，建立综合PNT 应用服务体系与网络信息体系的协同机制.

4) 实现智能位置服务验证与应用

建设天地协同智能位置服务试验验证与监测评估系统，包括平台服务能力、应用模式、信息与网络安全等多层级模拟仿真验证平台.

2.3 增效

增效是指通过构建PNT 体系生态环境，针对不同场景形成相应PNT 服务解决方案，为全空间用户提供大容量高并发的时空信息协同增效服务.

时空数据挖掘是增效的有效途径.文献[19]中介绍了基于时空大数据提升大城市轨道交通高峰期运行效率，为网络空间布局优化、出行结构绿色转型和安全高效出行引导等提供科学量化支撑.文献[20]提出通过时空数据信息挖掘，提升智能导航能力，从而推进物流业提质增效的新型发展思路.文献[21]通过分析船舶海上运行时空数据，挖掘出具有时空属性的频繁航行轨迹，实现舰船海上航行轨迹跟踪.文献[22]从时空大数据与城市规划关系入手，挖掘城市活动时空规律和演化规律、探知空间与活动的作用机理，提升未来城市交通规划前沿思路.

面对时空数据爆炸式增长的形势，如何通过有效挖掘时空数据，提供更深层次的时空信息服务，将是亟待解决的问题.时空数据类型的复杂性及跨学科性质也给统计和计算带来巨大挑战.随着人工智能的发展，基于机器学习的时空数据挖掘方法取得了显著的效果，如文献[23]中归纳的轨迹聚类与分析、融合遥感与社会感知的城市功能区提取、地理多元流分析等.文献[24]提出的基于深度学习的时空数据处理方法等，基于超优化人工神经网络(artificial neural net-

work,ANN)和长短期记忆人工神经网络(long shortterm memory,LSTM)结合，基于历史轨迹GNSS 数据来预测未来位置.总之，时空数据挖掘需要大规模运算框架、多种学习交叉理论支撑的高性能处理算法来完成.

综上所述，基于时空数据挖掘提高位置服务能力，从而对未来综合PNT 应用服务赋能增效.

3 综合PNT 应用服务模式

未来综合PNT 的应用场景大体分为大众应用、专有应用以及非合作场景下的特种应用三类，针对上述三种应用，提出“公网+专网+机动网”的综合PNT标准服务模式架构.如图5 所示，该模式涵盖了绝大部分PNT 应用场景，满足国家综合PNT 最大共性需求，确立综合PNT 应用服务能力边界.

图5 三网协同的综合PNT 服务模式

3.1 “公网”服务模式及能力

面向大众用户群体，构建以北斗、低轨导航为主体，融合公用5G 通信及多源传感器的公共基础网络，基于用户智能终端(手机、平板等)以及商用地图及地理信息系统(geographic information system，GIS)信息实现全域漫游、无缝连续的消费级位置服务.

围绕上述目标，构建面向大众用户的通用技术服务体制[6，25]，研制升级北斗+5G 一体化基站，播发室外GNSS/低轨导航信号的增强信息实现大容量、低延时的泛在精准定位服务，定位精度优于1 m，首次定位时间优于1 s，授时精度优于20 ns.能够基于商用电子地图实现大众用户的泛在精准时空服务.

3.2 “专网”服务模式及能力

面向专业用户群体，构建北斗、低轨、北斗伪卫星、超宽带以及5G 通信的多源室内外空间定位网络，通过部署一体化标准化基站网络实现全域漫游定位，结合激光/视觉/惯性测量单元(inertial measurement unit,IMU)等高性能自主定位传感信息，实现超高性能定位导航能力.

在用户终端研制方面，研制集成GNSS 定位模块、伪卫星定位模块、5G 通信、微惯性导航系统(inertial navigation system,INS)、UWB、声等多源传感器的一体化定位终端是解决综合PNT 多场景应用的有力途径.通过制定相关接口协议及标准，在用户智能终端出厂前嵌入北斗伪卫星与多传感器融合的IP 定位软核，实现基于商品化智能终端的开机即用的室内外连续定位能力.

在高精度GIS 信息构建方面，基于局域高精度GIS 信息，提供目标位置的精细化显示和位置服务，同时针对空间地理结构复杂、电磁环境干扰严重的特殊场景，通过构建数字孪生综合多维信息场图，利用人工智能与大数据挖掘等技术，实现地理信息辅助条件下的目标位置反演.

综合PNT 专网服务模式可提供的服务能力[26]为：定位精度不低于0.5 m，首次定位时间优于1 s，授时精度优于20 ns，定位系统并发量不低于2 000，定位延时不高于0.5 s，测图精度优于0.1 m.

3.3 “机动网”服务模式及能力

面向特种用户群体(如战场、应急救援、遮蔽空间等)的PNT 需求，需要构建有人+无人的机动网以实现无先验信息条件下的群体协同定位与个体自主定位.重点探索基于快速机动自组网的高精度相对协同定位与导航能力，并突破基于INS、视觉、激光等传感器的自主定位技术.攻关重点主要包括：大容量异构无人集群开放式互联协议、恶劣环境下集群弹性自组织重构技术、北斗+5G+自组网通信定位一体化技术、群体即时任务规划与导航控制策略、基于云边端计算架构多维信息融合技术等.同时，开发可视化与态势分析一体化位置监控系统，嵌入轻量化地图对特种任务的决策分析、指挥调度、人员安全提供保障和支撑.

机动网用户的预期服务能力为[27]：能够在非合作场景下实现相对定位精度优于1.5‰D，即每行进1 000 m 误差不超过1.5 m；在获取绝对位置条件下，绝对定位精度优于0.3 m，定位频率不低于20 Hz，相对时间同步精度优于20 ns 的PNT 服务能力.

4 未来展望

纵观全球PNT 技术发展态势，时空大数据、机器、自然、人、智能技术将衍生出新的生产关系，从物理时空、信息时空、智慧时空，向时空孪生演进，未来人类将构建起一个以时空位置信息为基石的智慧型社会.基于全球范围大规模应用服务需求，如图6 所示，综合PNT 将趋向于“公网+专网+机动网”的多场景体系化应用和全空间智能位置服务.

图6 综合PNT 应用服务体系应用示意图

未来，面向智慧城市、应急救援等大规模综合PNT 应用需求，未来以“北斗+低轨+5G+伪卫星+位置大数据”为核心的综合时空应用服务体系将衍生出大量新型的应用场景，例如北斗+5G 系列室内外应用、基于区块链的端到端冷链监管应用、复杂山地、矿井、水下等地理环境条件下有人、无人协同应急救援、智能交通无人驾驶全链路应用、智能工厂无人化运管应用、地下城市大规模无人化物流应用，AR/VR 虚拟泛在空间应用(元宇宙)等.上述应用构想有望通过国家层面制定相关法律法规以及出台综合PNT 基础网络设施建设标准规范的方式进一步推进落地，通过构建海、陆、空、地下等多场景的综合PNT应用服务“一张网”，将实现更加泛在、更加融合、更加智能的国家综合时空应用.