新的认知,源自不断地求索。

1982年,邓中亮刚刚走进大学校门,选择了当时的热门专业机械制造,在毕业后从事汽车制造工作的过程,认识到国内外制造水平的差距,诞生了对新的专业知识的渴望。

工作几年之后,邓中亮选择回到了校园,在北京航空航天大学学习计算机辅助设计与制造以及在清华大学学习超精密加工理论技术期间,他在复杂型面数控加工研究与细菌加工技术方法探索中,需要结合电子科学和微电子等相关学科知识,就这样邓中亮无形中开展了机械制造、微电子、通信等学科的交叉研究。

这种跨领域的研究,会有助于打破思维的禁锢,因而在邓中亮对导航技术产生兴趣之后,他发现了通信和测绘学科在导航领域中不同的思路和方法,在尝试从测绘角度解决导航问题的同时结合了通信技术,最终形成了新的研究方向。

欧亚科学院院士,灾备技术国家工程研究中心的主任,邓中亮

这位如今的欧亚科学院院士,灾备技术国家工程研究中心的主任,邓中亮也看到了他所主导的“高精度、高可信定位导航技术”与国家战略相结合,为国家科技发展贡献力量的可能。

“如果能够最终为国家战略增添一份力量,无论花多长时间,都是有意义的。”邓中亮说。

01

 天地一张网,解题“高精度”

卫星导航系统,通常有定位、航定位与授时三个指标。

有了高精度的定位,精准农业让农民不再靠天吃饭,灾害精准预测可以将受灾的人群和损失最小化;而高精度导航对产业的意义,则早已深入人心。既有我们所熟悉的车辆导航,也有代表着高精尖技术的航空导航和航海导航,在军事方面的价值自然也不言而喻;授时则可以提供全球性、全天候、快速、高精度的标准时间信息,在现代社会的方方面面都离不开精确的授时。

正因为高精度导航,对国家安全和产业创新的意义之大。在2008年,科技部羲和计划正式启动。

中国传统神话中,羲和是太阳神的母亲,是我国上古时代时间历法的创始人。取名羲和计划的寓意,就是向大众提供全空域、全时域、室内外无缝导航定位服务。

邓中亮,一直是羲和计划中无线网络定位负责人和学术带头人。他所在解决的,正是困扰整个无线网络定位导航业界的,那关键的三个字:“高精度”。

卫星定位导航可以达到从米级到分米级、厘米级,甚至毫米级的定位精度,但在收不到任何信号的遮蔽空间就完全没有用武之地,在建筑物之间等半遮蔽空间,定位精度也会大受影响。

所以,羲和计划的目标也是有两个:首先,提高北斗在地面应用的精度与能力;其次,解决全球导航系统在遮蔽和半遮蔽空间中无法定位的问题。

很多国内外的科研组织也提出了很多技术解决方案,他们或将技术攻坚的重点放在了卫星导航技术上,虽有进步但收效甚微,或在室内采取激光等解决方案,成本却又居高不下。

邓中亮则提出了一个新的思考:如果通信网络能够达到与卫星导航相媲美的定位服务能力,那么这张网络无疑将变得非常实用。

“通信和导航之间实际上是有关联的,首先,由于卫星信号在遮蔽和半遮蔽空间的覆盖存在问题,通信系统可以对此进行覆盖互补,以实现室内外全时空的覆盖。其次,对于通信系统来说,它也需要位置感知来确定用户的分布,如5G等业务需要知道用户的具体位置。因此,将这两者合并整合成一体,就形成了天地一体的广域无缝定位网。” 邓中亮说。

这个设想本身非常有推动落地应用的重要意义。国家通信网在4G到5G的建设投入总额接近两万亿,是卫星系统投入的20倍以上。如果能够形成天上一张网与地上一张网的融合,它所蕴含的价值潜力,几乎是无限大。

当然,这个设想既需要在理论和技术上实现突破,还需要结合具体场景的实践。如果方向准确,那么在技术上是否可以实现呢?

02

 解决困扰全球的技术难题 

我们知道,如果无线通信网的精度不够高,即使将通信网和卫星的定位合并在一起,也无法获得更高的定位精度。因此,需要解决通信网在遮蔽和半遮蔽空间中定位精度差的短板问题,提高它的定位服务能力。这等于为通信网赋予了新的时空感知和定位服务能力,以实现全时空的覆盖,包括室外、室内以及地下的定位服务。

再将通信网和卫星融合在一起后,“天网”与“地网”在覆盖层面上形成互补:在室外,卫星定位表现优秀;而在室内和遮蔽空间,通信网的优势显现。两张网络融合,就可以实现全空间的高精度定位服务。

因此,将通信网与卫星导航系统融合,实现高精度导航,也驱动从定位导航产业化到位置服务商业化的转变。

对于邓中亮而言,他则要解决长期困扰全球的高精度、广覆盖、室内外、无缝隙、低成本定位的基础性问题……

第一个关键,就是新技术的定位精度。

传统技术,比如在室内采用WI-FI、蓝牙或超宽带技术,定位的精度最高可达3到5米左右,这在实际应用中是完全不能接受的。

通过羲和计划的推动,“我们取得了重大的突破:定位精度在与国际巨头的比较中处于领先地位,超过他们一个数量级,。这表明我们在定位导航领域取得了显著的进步和成就,未来的目标是将通信网的定位精度进一步提高到厘米级甚至毫米级。”邓中亮说。

客观地说,对于个人用户来说,米级定位精度是足够的,但对于智能驾驶、机器人服务等应用来说,分米级或者厘米级的精度才可以解决大部分需求,而毫米级的精度则主要用于滑坡监测等特定领。可以说,邓中亮的这次在定位精度上的突破,让精准定位在产业中的应用宽度得到了大幅的提升。

第二个关键,是解决运营商通信资源紧缺的问题。

成本,是任何技术能否成功市场化的重要考量。在定位时,通常需要收集来自至少三个基站的信号来计算定位位置,这对运营商来说会因为加密基站信号增加成本,同时基站密度的增加也不是一个经济上可行的解决方案。

所以邓中亮的目标是:实现资源共享复用,既不影响正常通信,也不需要独立频率资源,同时不改变基站的分布密度。在一种逆向思维的逻辑驱使下,邓中亮建立了一个定位信号与通信信号同频融合的体系,对时域、频域、码域等进行了创新设计。此举首次实现了在不占用独立频率、不改变原通信能力,也不改变基站分布前提下的广域精确定位!

第三个关键,是无线网络的高精度定位鲁棒性的难题

定位服务也需要一种确定性,尤其在面向各种行业复杂场景应用时,高精度定位要能够表现出更强的可靠性。

这对邓中亮来说,则要力求极致的表现。“经过一系列技术突破后,我们在室内和室外可以实现纳秒级的同步,相当于0.3米的测量误差,同时我们采用分层融合的方法,大幅度提升了可靠性的同时,也提高了定位精度。最终,形成了一个庞大的技术体系,涵盖了精准测量、网络协同和智能控制。使得整个系统能够更加精准地测量位置,实现网络之间的协同工作,并融入智能控制,以应对各种复杂场景。”

03

 做千行百业数字化转型的“创新底座”

事实上,我们能够感知到精准定位技术,对文明社会前行的价值不断在向上攀升。

在今天的智能社会时代中,如果缺乏高精度、时空感知和互联的条件,就不能称之为真正的智慧。

邓中亮认为,“全世界对于时空感知的要求不断提高。在上世纪,百米级的定位精度已经算是不错的,随后发展到十米级、米级的定位精度。而现在,人工智能自动驾驶已经要求达到分米级的定位精度。在工业互联网中,如果定位精度无法达到米级以下,很多问题将无法解决。这种高精度时空感知要求正是构建全行业互联的底座,为智能社会的发展提供支持。”

确如此言,我们看到在制造业,高精度定位从原来的数十米精度提高到米级,可以实时监测移动目标,为工厂的安全管理带来了很大的改进,如果出现意外事故,工厂可以更快速响应和决策,而不再需要被动应对,这种技术的应用,使得工业事故得到了有效的控制和防范,为工业安全带来了显著的好处。

再比如在智能驾驶领域,如果车辆的定位精度不能达到分米级,就可能发生车辆之间的撞车、刮蹭等事故。这种高精度定位甚至还在疫情监控、疫情救援和特殊人群关爱等应用场景中发挥出应有的光芒。

还有绿色能源领域正在面临的巡检难题,使得无人机巡检成为一个有效的解决方案。而无人机可以快速准确地巡检高压线路、太阳能电池板和风力发电机等设施,也有赖于高精度定位技术的应用。

很明显,高精度导航将产生巨大的经济效益,带动更大规模的服务业,为经济发展和转型做出贡献,已经可以称之为千行百业数字化转型的“创新底座”。

除此之外,邓中亮特别指出了这项技术对北斗系统的“反哺”。“GPS比北斗建设早二十,GPS在全球导航市场上已占据了90%的份额,这意味着北斗系统如果要超越GPS来争取更大的市场份额,就必须寻找新的商业模式和新抓手来突破现状。而信息域是一个重要的市场领域,通过在信息域中引入新的抓手和技术突破,可以带来市场洗牌,为北斗赢得更大的市场份额提供机会。”

因此,北斗系统必须与通信网络结合,提供更强大的能力支持,在全球开放服务的背景下,去抢占市场和保持领先地位。

“我国的卫星导航和移动通信及其融合走在世界领先地位,我们将继续努力保持这一领先地位,为世界的科技进步和社会发展做出更大的贡献。”邓中亮说。

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