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高端访谈@ 泰伯网 出品
刘经南
刘经南:星地结合+通导一体,打造智能时代的时空基础设施

  随着无人驾驶、移动物联网技术的大行其道,智能时代已经到来,人类对于时间与空间位置的需求,正逐渐从粗略走向精准、从事后走向实时、从静态走向动态、从区域走向全球。

  在这场智能化浪潮中,时空基础设施的建设变得愈发重要,卫星导航系统面临着新一轮的挑战和变革。

  “现有卫星导航系统依靠地基增强技术已能实现实时厘米级和纳秒级时间同步的高精度时空定位。而在广阔的没有移动通信的地区,我们也能通过星基增强技术实现亚米级甚至厘米级定位和相应精度的时间同步。但这两个技术单独使用,都无法满足‘智能时代’的无缝和连续可用的需求。” 中国工程院院士,武汉大学教授刘经南表示,星基与地基增强技术的一体化、通信与导航功能的一体化才是“智能时代”卫星导航系统的建设方向。

  作为现有系统的重要补充,打造具备导航+定位增强能力的低轨卫星系统,将是卫星导航产业下一阶段发展重点。如果在该项目上提前布局,中国完全有望打造起“高、中、低轨卫星与地基增强系统相结合”的理想的时域和空域连续无缝的立体化时空基准服务系统。

  “那绝对是全球领先的事,整个行业的格局都会改变。” 刘经南表示,目前技术方案都已基本成熟,关键就看布局速度,“谁做得早,谁的效果就好,就会更有发展潜力。”

  从这个角度上来看,中国企业正在与力推“星链计划”的“马斯克”们,在智能时代进行抢跑。

泰伯网

本期《高端访谈》嘉宾——刘经南院士

  智能时代需要高精定位基础设施支持

  “人有智能是因为有时间、空间的感知能力,然后依据需要作出决策,并实现在精确位置精准的时刻对目标、对象或事件实现调控。现在如果让万事万物都具备精准的时空定位告知能力和对变化了场景或状态等进行适应性调控,我们就使万物具备了类人的智能,人类就进入一个智能时代。”刘经南认为,无论是正在推进的“制造业2025”计划还是“工业4.0”,都要求各类设备能在统一精准时空下协同作业,或者能自适应运行和调控。“未来工业智能运行和控制对时间精度的要求是纳秒级的,对定位的要求可能达毫米级或更高。”

  在这样的一个智能时代,精准定位技术必然要成为一个基础设施,系统提升卫星的定位、导航精度已成大势所趋。

  泰伯网:目前有哪些方法可以提高卫星的定位精度?

  刘经南:提升定位精度的方式主要有两种:一是增加用户可观测的卫星数量,包括发射更多卫星,或推进不同全球卫星导航系统间的兼容互操作,也相当于增加了用户可观测卫星的数量;另外一种就是发展地基或星基定位增强系统,地基增强可通过安装有高精度卫星定位接收机的地面基准站网络解算出用户所接收到的卫星导航信号的误差修正信息,然后通过地面通信方式告知用户来提高其定位精度,星基增强是通过卫星播发上述修正信息让用户提高精度。

  目前,地基增强系统技术已较为成熟,但也存在数据播发依赖地面现有通信网络的问题。为破解这一方式的不利和局限,业界就发展了星基增强系统,与地基增强系统进行协同使用。

  泰伯网:目前的星基增强技术是否已经成熟?

  刘经南:星基增强技术分为几种,比如北斗二代系统正在通过已有的三颗地球同步静止卫星(GEO)播发广域差分误差修正信号方法提供米级(部分区域亚米级)定位服务,这本身也算一种星基增强。类似的还有美国的WAAS系统更是发展多年??梢运得准?、亚米级水平的星基增强技术已较为成熟了。

  但厘米级定位精度的星基增强技术目前还不算很成熟,目前也有几个利用少许通信卫星播发误差修正信号的星基增强商用系统。但是,一方面通信费用价格高昂,另一方面还未完全解决信号遮挡的脆弱性问题,还有初始定位收敛时间长的问题,所以一直主要用在部分大型工程领域,如沙漠石油勘探、海上石油钻井平台等。

  从当前发展情况来看,依托地基增强等多种技术支持,单纯发展基于增加少量卫星的星基增强系统,只不过是对地基增强通信方式的改变,补充了沙漠和海上地基通信的缺失,仍无法适应智能时代对时空定位的连续性无缝性的需求。

  星地结合,通导一体才能打造实时无缝高精定位理想解决方案

  经过长时间的技术和应用积累,卫星导航产业终于在近年迎来爆发,主要是高精度时间和空间位置服务需求爆发,如智能网联汽车、智能网联船舶、无人机、智能电网、工业互联网和智能制造等等,都需要广域甚至全球性厘米级位置服务和纳秒级时间同步。因此广域和全球性高精度增强技术由于其基础性和几乎不可代替性也随之受到越来越多人的关注。

  对此,刘经南表示,“高、中、低轨卫星与地基增强系统相结合”才能构建起实时无缝理想的卫星高精定位导航系统,我们要重视低轨卫星星座的建设,以此补充当前仅依靠中、高轨导航卫星系统构成的全球性时空基准“基础设施”其高精度、高可靠、实时无缝等性能上的不足。中国卫星导航产业必须同时做好“打基础”与“抓机遇”两项工作。

  泰伯网:未来的星基增强系统应如何建设?

  刘经南:一方面,要继续做好高轨、中轨导航卫星系统建设,打好基础,通过高轨、中轨导航卫星支持,让更多低轨卫星能实现精准定轨;另一方面,要进一步加强低轨卫星星座建设。相比于高、中轨卫星,低轨卫星星座具有卫星数量大、信号强度高的优势,一旦建设完成,就可进行卫星群协同作业,全面提升地面终端定位精度、可靠性和可用性。

  与此同时,低轨卫星系统的建设成本低,启动速度快,能作为高轨、中轨导航卫星的补充备份,增强整个导航卫星系统的稳定性。

  泰伯网:星基增强系统和地基增强系统的关系是什么?

  刘经南:目前我国地基增强系统建设已有一定成果,可在大部分地区实现亚米级甚至厘米级精度实时定位。

  我认为,星基增强系统应在地基增强系统基础上进行建设。首先,星基增强技术的大范围使用需要全球性地面基准站提供修正信号等支持,脱离地基增强系统,单一星基增强系统并不好用。

  同时,星基增强系统结合使用地基增强系统提供的差分数据和播发能力,可实现更广范围、更低成本的定位授时服务。

  我认为应该重视低轨卫星系统的发展,但不能忽视基础设施建设。低轨卫星系统,必须有高轨、中轨导航卫星及地基增强系统支持。这就像吃饼,吃到第三个饼吃饱了,就说只吃第三个,忘了前两个,这是不对的。

  总的来说,“高、中、低轨卫星与地基增强系统相结合”的导航系统,才能在定位精度与抗脆弱性上有理想的表现。这就是我们所说的星地一体。

  泰伯网:星地一体系统是否会产生更大的价值?

  刘经南:在智能时代,星地一体带来的两大系统间的优势互补很重要。比如未来各类交通工具都要实现无人驾驶,在这类涉及用户人身安全的应用场景中,必须实现无缝、连续、可靠且安全的精准定位和复杂多进程控制的时间协同。所以,单独一个定位增强系统远远不够,多个系统共同保障才能确保万无一失。

  星基与地基增强系统能力的叠加,更会产生新的应用,甚至可做到室内外定位的一体化,如有一天我们解决了弱信号接收问题,就能把接收终端植入到冰箱、微波炉中都可正常工作,万物互联就真正进入智能时代了。

  中国企业将与“马斯克”们竞逐通导一体化市场

  2015年9月,马斯克正式向美国联邦通信委员会提出申请,请求批准发射4000多颗近地轨道卫星,组建卫星宽带网络“Star ”,用于向全球提供卫星互联网服务。在刘经南院士看来,Star 星座在未来必然会具备导航功能,在通导一体化的大趋势下,中国的卫星产业要做好与“马斯克”们竞争的准备。

  泰伯网:为何要实现通导一体化?

  刘经南:首先,通导一体化是整个行业的发展趋势,是智能时代基础设施升级的必然要求。这样可以让低轨卫星和其他通信卫星、遥感卫星的信息相结合,从而实现相互赋能,达到基础设施能力的升级。

  其实,我和其他专家早几年就提出来了“PNTRC”概念,也就是定位、导航、授时、遥感、通信五位一体进行组网,打造出一个空间信息网络。

  很多人光注意马斯克星链计划的优势巨大的移动“通信”功能,我认为,未来这数千颗卫星肯定有导航功能和高精度高可用高可靠的巨大优势,既可以进行通信,也做用作厘米级定位增强、导航服务。这一方面可大大提升资源利用效率,充分发挥卫星能力,另一方面也可拓展更广阔的商业空间。当然,我们也用不着跟着马斯克方案跑,还有更经济更高效的方案。要做出中国特色的新性能的低轨星群和高、中、低轨结合的星座体系。

  总之,未来低轨卫星大规模组网发展,必然将会把卫星产业推动至新的阶段。

  泰伯网:中国低轨星座建设的情况如何?

  刘经南:国内已经有很多机构和企业都在做低轨星座的研究和建设,也在做通导一体化方面的项目,走的主要是商业化路子。我估计3年后就能出现低轨卫星星座增强系统,特别在北斗三号完成全球组网后,整个系统建设速度会大大加快。

  现在技术方面已不存在太多难点,最重要的是资金投入。我个人认为,低轨星座建设应更多交给企业来做,这样在全球布站过程中,可更多通过商业手段解决,规避敏感问题,同时也营造一个良性竞争格局,促进优胜劣汰。

  中国如能在星地一体架构建设基础上,完成大范围低轨卫星布局,那绝对是全球比较领先的事,整个行业的格局就会改变。这个产业谁做得早,技术迭代升级就多,谁的效果就会好,也就会有更大的发展潜力和市场占有率。中国企业应提前做好准备,参与到全球通导一体化市场的竞争中。

问答
之路

1962年

进入武汉测绘学院天文大地测量专业本科学习

1986年

任武汉测绘科技大学教师

1995年

任武汉测绘科技大学地学测量工程学院院长

1999年

当选为中国工程院院士

2003年

任武汉大学党委常委、校长

2012年

任昆山杜克大学校长

印象
在理论方面,他解决了二维坐标系问题,实现了三维GPS坐标与二维坐标系的转换,特别是提出了适合中国国情的“分布式广域差分”技术,解决了国内许多GPS应用技术难题。

在理论方面,他解决了二维坐标系问题,实现了三维GPS坐标与二维坐标系的转换,特别是提出了适合中国国情的“分布式广域差分”技术,解决了国内许多GPS应用技术难题。

大地测量学专家刘经南院士执掌武汉大学。上任之初,有人怀疑,工科出身的刘经南,能否把四所不同特点和文化的大学融为一体,并担负起为百年名校再续辉煌的历史重任。

大地测量学专家刘经南院士执掌武汉大学。上任之初,有人怀疑,工科出身的刘经南,能否把四所不同特点和文化的大学融为一体,并担负起为百年名校再续辉煌的历史重任。

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