北斗賦能萬物互聯 助推新質生產力發展

 行業新聞    |      2024-09-04
——李德仁院士談“從PNT到PNTRC”
王瑜婷
2024年6月6日，以“測繪地理信息賦能新質生產力”為主題的莫干山地信研討會在浙江德清舉辦。會上，中國科學院院士、中國工程院院士李德仁以“從PNT（定位、導航、授時服務）到PNTRC（定位、導航、授時、遙感、通信服務）”為主題，就測繪地理信息賦能新質生產力進行了詳細解讀（如圖）。


李德仁院士首先分享了他所理解的新質生產力。他認為，“新”體現在5個方面：新時代，我們正處在一個萬物互聯、數字孿生的信息化時代；新基建，用信息基礎設施來發展、融合、改造傳統基礎設施，同時為未來發展打造新的基礎設施；新能源，更多地利用太陽能、風能、水能、核能、氫能，減少對環境的污染，服務人類社會可持續發展；新產業，大力發展大數據、云計算、網絡和人工智能支撐下的未來產業；自主創新，始終堅持獨立、自主、安全、可用的創新原則。“質”主要體現在質量上有大的提升，表現為經濟社會發展數字化、信息化、人工智能化、網絡化、低碳綠色化。


李德仁院士指出，以北斗為中心的PNT是新質生產力，要努力推進“北斗+”和“+北斗”，實現無所不在的PNT服務，抓緊推進從PNT到PNTRC的“0到1”的創新，建立通導遙一體化的空天信息實時智能服務系統，創造多個萬億級空天信息產業，建設我國軟件定義的空天信息全球實時監測網，為我國和全球可持續發展服務。


基于北斗的PNT


PNT是指以提供時空基準的GPS、北斗等全球衛星定位系統及其增強系統為主體，協同其他輔助定位導航技術，利用互聯網和移動互聯網等網絡通信手段，向用戶提供位置、方向、速度、時間信息和時間同步服務。


與美國GPS相比，我國北斗系統有三大優勢。第一，北斗三代保留了北斗一代的通信功能，提供短報文服務，一次可傳送多達1000個漢字。第二，北斗采用B1/B2/B3共3個頻率調制信號和星基PPP（精密單點定位）技術，對于厘米級以上的高精度導航定位具有重要意義。第三，北斗采用了高軌同步衛星、中軌衛星和傾斜軌道衛星相結合的軌道方案，對于亞太低緯地區和高緯地區的定位均比GPS有優勢。


目前，北斗應用已經走進千行百業、千家萬戶。比如基于北斗的精準農業，支持農田自動化、智能化的播種、灌溉、面積計算、養分測定、品種分析、病蟲害監測、長勢分析等，實現了農業信息化和精準化。


基于北斗單頻RTK（實時差分定位）和導航地圖的智能電單車運維系統，通過在車輛中控上搭載單頻RTK芯片和高精度GNSS（衛星導航定位）天線，結合北斗地基增強系統和物聯網設備，實現定位信息秒級上報，能有效對車輛停放、違法行為等進行識別。


依托北斗與全息感知、時空分析、數據挖掘技術打造的道路交通智慧應急系統，可以滿足應急資源接入、一圖動態展示、一鍵視頻核查、實時調度導航、重大活動安保、綜合研判分析等多樣化應用需求。該系統在武漢市得到成功應用，使武漢在全國擁堵排名中從23位降至53位，交通擁堵延時指數從2.34降至1.676，降幅高達30%，擁堵情況大幅緩解。


李德仁院士認為，北斗是最具通導遙一體化全球性優勢的PNT服務基礎設施。這不僅標志著中國在全球衛星導航系統領域的自主創新能力得到了進一步提升，也為中國在全球航天領域的地位提升注入了新的動力。


如何實現無所不在的PNT


目前，北斗衛星導航信號還不能直接覆蓋室內、水下、遠洋海域、城市峽谷、高山密林等區域。如何實現無所不在的PNT？李德仁院士給出的答案是“著力解決好北斗導航的室內外一體化、地上地下一體化、水上水下一體化問題”。“十四五”期間，我國提出在2035年前建成以下一代北斗系統為核心，更加泛在、更加融合、更加智能的國家綜合時空體系。


據李德仁院士介紹，在室內外一體化方面，武漢大學提出了音頻定位，相關室內音頻定位項目已落地南京南站、鄂州順豐機場和德清未來社區，支撐智慧公安、智慧物流、智慧社區等數字經濟建設。武漢大學還和華為合作，推出了北斗+5G室內定位方案，通過利用5G智能終端的下行鏈路信號進行測量定位。這種方案可實現亞米級定位精度，可感知人體姿態，對室內外行人進行摔倒測試及警告。這在老年人生活起居看護方面有很大的應用市場。


在自動駕駛方面，利用“北斗慣性導航+智能感知終端”的融合智能感知系統，可以代替人的眼睛、耳朵甚至大腦，通過傳感器獲取的多源信息數據和云計算、人工智能圖像理解等手段，實現城市峽谷、地下車庫等復雜條件下“最后一公里”的自動駕駛。


在智慧電網方面，裝配有電力走廊多要素精準定位、識別與建模一體化軟硬件系統的電力巡檢機器人，能夠對變電、輸電、配電設備進行全天時、全方位、全自主智能巡檢和安全防護，包括自動巡邏、智能讀表、圖像識別、紅外測溫、實時視頻回傳等，以人工智能手段代替傳統人工完成電站巡檢及設備查驗工作，大大提升了電網智能化巡檢技術水平。


李德仁院士進一步強調，要實現無所不在的PNT服務，低軌導航增強是一個重要實現路徑。北斗三號系統實現了我國衛星導航“0到1”的跨越，這不是結束，而是一個新的開始。下一步，通過建設低軌衛星導航增強系統，北斗可以進一步提升導航定位精度，提供全球領先的無縫高精度定位服務，進而提升北斗的國際競爭力。地基增強定位主要服務于我國陸地區域，通過低軌信號增強擴展服務范圍；星基增強服務能夠覆蓋亞太區域，低軌信號增強能夠降低收斂時間。


推進從PNT到PNTRC的創新


李德仁院士指出，我國的PNT體系下一步應把遙感和通信加上，構建通導遙一體化的天基信息實時服務系統——PNTRC體系。


過去10年，我國遙感衛星經歷了從“有”到“好”的跨越式發展，逐步實現業務化、商業化和國際化，特別是高分系列遙感衛星把我國對地觀測能力提到了新高度。高分辨率對地觀測系統重大專項是《國家中長期科學與技術發展規劃綱要（2006—2020年）》確定的16個重大科技專項之一，該系統與其他觀測手段結合，形成了全天候、全天時、全球覆蓋的對地觀測能力，使我國衛星遙感達到亞米級世界先進水平。尤其是高分七號衛星是我國首顆亞米級分辨率光學立體測圖衛星，主要用于獲取高分辨率立體測繪遙感數據和高精度激光測高數據，實現1∶1萬立體測圖。此外，利用高分三號衛星影像，完成了我國首個分辨率最高的全球陸地和主要島嶼雷達正射影像“一張圖”。


李德仁院士認為，目前，我國衛星遙感應用領域面臨的主要問題是衛星信息應用停留在“大事業、小產業”的局面，難以實現市場化和國際化。用戶主要是國土、規劃、水利、住建、海洋、氣象等政府部門和公益性機構，高精度快速遙感信息服務尚未服務到大眾用戶的手機和智能終端。同時，我們的通信、導航、遙感衛星系統各成體系，導致系統孤立、信息分離、服務滯后。因此，亟需建設PNTRC體系，助推天基信息從專業服務邁向大眾應用，產業發展從內部消化走向市場化、國際化。


天基信息實時服務系統是由若干顆同時具有遙感、導航與通信功能的低軌衛星組成的天基網與現有地面互聯網、移動網的整體集成，與北斗系統密切協同，實現對全球表面分米級空間分辨率、分鐘級時間分辨率的數據采集和亞米級精度的導航定位服務，在時空大數據、云計算、人工智能和天基信息服務智能終端支持下，通過天地通信網絡全球無縫的互聯互通，實時地為國民經濟各部門、各行業和廣大手機用戶提供快速、準確、智能化的PNTRC服務。基于天基信息實時服務系統，可以實現定位、導航、授時、遙感和通信服務的全面升級。實時導航增強，為各類用戶提供分米級高精度實時導航定位信息；精密授時，提供納秒時間信息和時間同步信息；快速遙感，分鐘級全天時、全天候、實時獲取、處理遙感和視頻數據，并將感興趣的信息及時推送給用戶的手機和各類移動終端；天地一體移動寬帶通信傳輸，克服地面通信網絡覆蓋范圍不足的局限，可為全球用戶提供安全、可靠、高速的天地一體化通信和數據傳輸服務。


2019年，李德仁院士牽頭，9位院士聯名通過中國工程院向中共中央、國務院呈送《加強軍民融合奪取空天制信息權的建議》，建議分3步走建設空天信息實時智能服務系統。


PNTRC系統的融合應用前景十分廣闊，它在智慧管網、智慧電網、智慧港口、智慧社區、智慧城管、國防安全、精準農業、森林防火、資源勘測、形變監測、物流管理、民生關愛、個人位置服務等領域都有很大的應用價值，PNTRC融合應用將是萬億級市場。


據李德仁院士介紹，圍繞PNTRC系統構建，武漢大學在海洋時敏目標智能檢測與定位（分鐘級）、衛星在軌智能處理（秒級）等方面進行了一些基礎研究。研制的衛星在軌處理系統搭載在“吉林一號”光譜01/02星上，具有森林火點自動識別、搜尋和定位功能，哪兒有著火點，在天上花兩秒鐘檢測，再用北斗短消息傳回來，十幾秒就能把火情信息傳到消防隊員的手機里，同時保證在5米內就能找到起火點，極大地提升了應急響應的時效性。


武大研制發射的“珞珈一號”夜光遙感衛星，通過捕捉地表的夜間燈光、火點等輻射源，生成的圖像能反映人類社會經濟活動，通過數據挖掘與反演，可用于人口、電力能耗、碳排放、城市擴張、環境健康、戰爭損失等方面的評估以及夜間軍事活動偵察等諸多領域，開創了衛星遙感從對地（自然）觀測到對人（社會）觀測的新紀元。“珞珈二號”01星是一顆用于科學試驗的衛星，也是國際首顆遙感成像、氣象探測和水利應用一體化衛星，其性能指標高，極具先進性和創新性。2023年海河流域性特大洪水期間，該衛星觀測到了堤防決口，衛星圖片上水流清晰，電線桿逼真，精度令人驚喜，發布預警當天幫助6300余人安全轉移。“珞珈三號”01星是首顆互聯網智能遙感科學實驗衛星，真正把人工智能送上了天，實現了全球范圍遙感數據從獲取到應用終端的分鐘級高效服務，它能自動發現目標和變化，通過通信衛星和地面互聯網，8分鐘內將信息送到用戶的手機里。該衛星支持了聯合國對阿富汗地震災害的評估工作。今年5月21日，“珞珈三號”02星（武漢一號）發射成功，該衛星具有0.5米分辨率全色成像、10米分辨率高光譜成像、高精度立體測繪、夜光成像等多種任務模式以及在軌智能圖像處理等功能，衛星入軌不到12小時，武漢大學遙感衛星地面站就成功接收了該衛星獲取的首組影像，影像拍得清、定位準、傳輸快。


在“珞珈二號”“珞珈三號”衛星基礎上，武大計劃到2030年發射200余顆衛星，構建“東方慧眼”智能遙感衛星星座，5天覆蓋地球一次，通過建立從全國到全球的服務系統，提高衛星觀測效率、時效性和準確度，拓展產業應用范圍，實現“看得快、看得清、看得準、看得全、看得懂、送到位”的目標，為各行各業服務，造福整個人類社會。


不久的將來，“東方慧眼”星座將閃耀浩瀚星河，人人都可以用手機調用頭頂的衛星，3至5分鐘就能看到自己想看的地球圖片或視頻。現在人人“玩微信”，將來人人“玩衛星”。為了這個將來，耄耋之年的李德仁院士還在努力著。