刘经南：“北斗+5G”为泛在网络赋予时空智能

“教育、科技、人才是全面建设社会主义现代化国家的基础性、战略性支撑。”“坚持创新在我国现代化建设全局中的核心地位。”“坚持面向世界科技前沿、面向经济主战场、面向国家重大需求、面向人民生命健康，加快实现高水平科技自立自强。”……党的二十大报告中的一句句论述，无不昭示着党和国家对科技创新的高度重视，对科技自立自强的殷切期盼。

中国工程院院士刘经南

当记者联系刘经南院士请他谈一谈“北斗”时，他欣然允诺，在结束了一场会议后，特地抽出周末的半天时间，围绕泛在测绘和北斗时空智能等话题进行了深入解读。

自主创新，北斗精度领先世界

“创新驱动、自立自强”是时下我国科技发展的关键，也是实现高质量发展目标，全力建设中国式现代化的必然要求。提到自立自强，北斗卫星导航系统无疑是其中的标杆。

刘经南院士与北斗结缘已久，他见证并参与了我国北斗卫星导航系统的建设及其应用技术的发展全过程。“我们可以自信地说，北斗卫星导航系统是目前全球四大卫星导航系统中精度最高、功能最多的卫星导航系统，这是得到国际公认的。”刘经南院士表示，北斗的优势并不是我们自夸，而是有科学依据的。目前，我国公开宣布北斗的全球定位精度优于5m，实际定位精度其实还要高于这一指标。美国卫星导航领域的首席专家曾组织在美国和部分美洲国家区域内就北斗定位精度做过检验，其中最差的一组定位数据，据说精度也在3m-4m之间。

中国北斗之于美国GPS（全球定位系统）的技术优势是多方面的。比如，北斗星间链路实现了星间测距。美国GPS也可以测距，但它仅支持部分星间测距，而且不能满足全星座随时测量的需求，测距精度也比北斗低近一个量级，北斗星间测距已经形成业务化，实时连续可测。

北斗还支持星地之间全球短报文双向通信，不仅能让用户知道自己“在哪儿”，也能告诉别人“发生了什么”。而且北斗高轨卫星能够实现与中轨、低轨卫星之间的测距、通信，基于这些，搭建全球范围内可测距、可通信的卫星链路体系就变得可行。北斗高轨卫星和全球中轨卫星将来跟低轨卫星配合后，系统能力将得到进一步拓展和增强，所产生的效能可远超目前美国设计的星链。

不仅如此，北斗星历的鲜度也远高于美国的GPS。北斗星历的更新频率为每小时更新一次，而美国GPS是2～3小时更新一次。“越新鲜就越贴近实际情况。换言之，美国GPS星历计算时间，需要向前推算2～3个小时，而北斗只要向前推算1个小时，所以误差就小，星历精度更高，这就是我们的后发优势。此外，下一代我们的星间链路将会升级为激光链路，频率更高，容量更大，而且更加准确、安全。”刘经南院士介绍说。

此外，北斗不仅集时间、空间测量与通信于一体，能够实现通信、导航、遥感一体化，还拥有全球卫星导航系统中唯一的短报文通信能力。其他卫星导航系统，比如美国的GPS只能做到环境遥感，而北斗集成了双向通信功能，可以知道目标位置并接受反馈，因此使得目标遥测也成为可能。

“北斗的能力非常强大，这是我们的后发优势，也应该让大家都认识到北斗的能力，它可以满足各行各业的需求。北斗通信还可以跟5G通信结合起来，因此北斗能够随着5G网络进入千家万户。北斗短报文通信可以传输汉字，既然可以传输汉字，同样可以传输视频、音频和影像，这是北斗非常重要的一项能力，因为交流智能和定位、导航测时智能结合是群体性智能生物最核心的生存能力。这就是说北斗系统已经具备了全球性群体智能最核心的优势。”刘经南院士说。

“北斗+5G”助推虚拟网络实体化

北斗和5G似乎是“天生一对”，北斗作为全球性、高精度的时空基准，它的高精度导航增强技术与5G无论在需求上、还是技术上都有天然通导一体的结合倾向，能够互相赋能、彼此增强。

2016年，在推进北斗地基增强系统建设之时，刘经南院士就提出通过5G赋能北斗实现地基信号增强的技术思路。因为5G高速度、大容量的特点，可以稳定传输北斗地基增强时空位置修正信号，使得北斗的时空精度更高。

北斗赋能给5G感知、认知时空位置的功能，使所有信息能从生成开始，就能对其进行时空位置定位，使得它在网络上的活动，例如在网络上什么地方驻留以及驻留多久的时空轨迹都能知道。

5G在满足大众服务的基础上，还能够在很多细分行业领域建立专业服务网络。据2022年(第四届)全球工业互联网大会公布的数据显示，5G已经在全国1万多个行业和企业建立了专用的5G网络。

刘经南院士介绍，北斗和5G还可以更深层次地融合。北斗和5G的深耦合可以使得虚拟网络实体化，所谓实体化就是变成实体空间一样，有位置、有时间、网中信息可追溯、可量测、可计算。基于北斗精准时空体系，赋能虚拟世界中的每一个节点，包括基站、网关、路由器、云服务器中的信息包位置和驻留时延都会很清楚。换言之，就是虚拟网络里面的关键节点都有位置和时间，而且这个时间可以精准到纳秒级，位置可以精确到厘米级。这样就可以最大限度地保证网络信息安全。“在这个基础上，查处虚拟网络世界中的信息违法行为，在确定的时间和地点围剿、控制住，就像现实世界中运用定位和监控手段抓小偷一样轻松，就能做到网络安全可控。”刘经南院士补充道。

当前，工业互联网有一个难题，即实时远程控制。例如，包括现在的车联网和智能网联汽车，也是工业互联网的一种形式和实现。刘经南院士认为，要实现智能汽车的自动驾驶，首先要建设三大基础设施：

通过多种车内传感器在智能汽车内部构建一个“车内物联网”，通过传感器实时感知各部件和系统运行状态并传输到汽车主控计算机，通过主控计算机系统控制好车内物联网的运营状态，同时跟车外的车联网进行信息交互，从而实现车路/车车协同。

车联网的实现就是“北斗+5G”，再融合其他感知设备，比如雷达、摄像头等，通过车联网+车载终端，协同实现超视距感知定位，使得智能汽车在不同环境中都能实现安全驾驶，实现主动安全。

对汽车自动驾驶来说，高精地图包含详细、动态的道路环境信息，能够以云端协同和物联网方式实现信息处理，辅助实现车道级感知、定位、规划与控制。与普通车用电子导航地图相比，所谓的高精度，一方面是说高度精确的地图绝对坐标，能真实反映出地图目标在现实世界中的准确位置；另一方面，高精地图包含更丰富的道路交通信息，包括实时动态信息与静态信息以构建精密的周边环境模型。

在智能汽车实现自动驾驶过程中，车内物联网和车外车联网，二者协同一起控制智能汽车的安全运行。那么控制作用是怎么实现的？控制就是在一个精确的时间、精确的位置，实现多个连串性的动作来保持某个工作设备运行的安全和精准。

以智能汽车为例，它要有远程控制的功能，就要有实时的动态信息，如交通及道路的实时状态、交通意外事故、某些静态交通信号牌是不是倒下等，通过车联网实时地告诉运行的车辆，来确保车辆的安全可控，再加上高精地图上某些赋有精准位置坐标的静态信息和变化了的实时动态信息，这样结合起来，对车辆实现精准运控，才能够保证车辆的安全运行和自动驾驶。

当然，要实现自动驾驶技术需求，这种控制响应速度要达到微、纳秒级，因为一辆汽车如果以100千米的时速行进，一毫秒时间内汽车已经向前移动了近3厘米，这就可能存在安全风险了。所以说具有控制需求的工业互联网一定要有精确的时间控制和位置控制。

北斗赋能给5G，使它从虚拟网络走向实体化，从而给真实的物理世界以精准的控制。实现所谓的虚实结合：实体世界的实际运作情况实时映射到网络中的虚拟实体运行模型中，而网络通过精准的计算和各种模型分析，洞察实体世界运行存在的风险，然后反馈到实体世界，这就是通过虚拟网络世界可以实现直接调控实体世界以避开风险，保证实体世界的安全。即通过虚实结合使得网络中虚拟世界模型同步与实体世界运行，进而实现对实体世界运行的精准调控。

要实现虚拟世界跟实体世界的协同，就需要靠北斗或者其他GNSS（全球导航卫星系统）技术赋予通信网络时空位置，给信息打上各节点的时间戳和位置戳。那么信息就有了在网络上行为的时空记录，网络中信息延时和位置可以计算出来，这样就可通过信息在网络上的行为精准化对远程实体机器或汽车的运行进行安全性、可测性操控了。

信息网络的演化过程

泛在测绘与位置服务的分类

当然，要实现这些还需要一个过程，目前，还有很多的技术要去做，比如相关的政策标准有待确立和完善。但是只要大家都接受这个概念，再逐步把这些标准建立起来，高级别的自动驾驶乃至虚实结合的世界构建就能够逐渐变为现实。

这十年来智能汽车和自动驾驶技术及产业推进的非常快，从概念、测试、试点到示范遍地开花。“中国的北斗在智能汽车自动驾驶领域也跑在全世界前面。目前，新能源汽车和北斗是结合最快的一个应用方向。”刘经南院士不无感慨地说。他总结道，自动驾驶要做到三点，一个是单车智能，二是车路协同智能，三是高精地图的智能，三个“智能”共同来保护车辆驾驶安全，不仅安全更有保障，还使得单车成本降低。

泛在测绘：从物理世界到人与环境

谈到“北斗+5G”与工业互联网和物联网的融合发展，其实已经触及了泛在测绘的范畴。早在2005年，刘经南院士就产生了有关泛在测绘的思想萌芽，将其视为测绘技术和应用发展的未来趋势。

比如，气象测绘就可以看作泛在测绘领域，通过测绘手段精准测量大气中水汽含量，以及不同水汽聚集区域的精准位置，甚至基于这些数据通过模型分析对地区气象进行更加精准的预测。由此可见，水汽、雾霾等都可以是测绘的对象。“泛在测绘更强调多行业融合，我们自己要有这种超前的思维和责任感。”刘经南院士强调道。

泛在测绘还将推动测绘从专业测绘向大众测绘转变。传统认知里，测绘是一个专业性较强的行当，需要专业的测绘人员。但泛在测绘将推进专业测绘走向大众。其实我们每个人都带着测绘设备，比如手机。目前，许多手机的测量精度都可以达到厘米级，而且手机还可以采集人的状态，这也是泛在测绘一个新的内涵和趋势。当然，大众化的测绘成果要成为标准化的成果表达，还要经过多种检验。

泛在测绘的基础之一就是泛在网络。“泛在网络也是刚刚起步的一个概念。现在我们知道互联网，也知道物联网，互联网主要是人与人的关系，物联网主要是物与物的关系，所以还需要一张人与物的网络，把互联网与物联网融合起来，反映人与人、物与物、人与物、人和物与计算机器之间的位置与信息互联，及其融合的需求关系。这种网络实际上就是上面提到的虚拟网络的实体化，即信息在网络中的时空位置可测可控。”刘经南院士解释道。

泛在测绘主要有三个特点：第一是空间上无所不在，时间上无时不在；第二是测绘对象由地貌地物等物理世界扩展到人自身及与人有关的环境因素；第三是动态测绘，也就是实时测绘。而要实现这些目标，不能只靠专业测绘，需要依靠大众，所以泛在测绘一定要跨界，要靠不同的行业，当然，信息也要跨界融合。北斗和5G的深度融合所带来的时空智能，无疑为泛在测绘构建了一个跨界融合的桥梁和建设应用大厦的地基。

北斗下一跳：向综合定位和深海进发

科技永远处在不断创新发展的进程中，北斗也是如此。北斗卫星定位导航技术与其他GNSS技术都有共同的弱点：一是导航卫星普遍为高轨卫星，导航信号从太空传输到地面过程中存在衰减；二是地面环境复杂，接收信号容易受到遮挡，如高山、大楼、地下空间等；三是由于地面导航信号较弱，且导航信号频点、频率都是公开的，因此也容易受到欺骗和干扰。

从基础设施角度来看，下一步需要构建低轨卫星链路，对北斗卫星导航系统进行功能拓展和精度增强。其次，深海大洋和室内空间的定位导航技术以及水下和深远海的PNT体系构建也是现在的难点和下一步发展的趋势。

从应用角度看，北斗和5G要继续深度融合，北斗应尽快把惯性导航、磁力导航、重力导航等多种导航信号和技术手段都通过低成本的手段集成到手机等移动终端上去，再依靠人工智能算法去优化多源信号融合和处理难题，从而达到真正无所不在、无时不在、无所不包的泛在测绘。

“这些方案也都在不断实践，每年都会有新的获得感和突破，比如许多手机都接入北斗导航和通信模块，但目前这种通信还是不完备的、单向的通信，未来随着卫星信息保密和安全技术的发展，双向通信也将成为现实。总而言之，我们通过北斗技术的不断完善来满足各行各业的需求，使得技术及相关产品更符合老百姓的思维和生活习惯。”刘经南院士说道。

科技创新没有终点，如今，我国的科技创新正在挺进“深水区”。测绘地理信息技术更是如此，年近耄耋的刘经南院士仍然念兹在兹的就是北斗的推广应用和测绘科技的创新突破，交谈中多次提到“尽快搞，不能等！”，对测绘科技创新的期待之情、拳拳之心溢于言表。