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鄧中亮:用“通信的眼睛”看導航

發布時間:2019-06-25 來源:人民網 人氣:
   
  訪談照片
北京郵電大學教授、北斗重大專項專家鄧中亮
 
北京郵電大學教授、北斗重大專項專家鄧中亮
 
北京郵電大學教授、北斗重大專項專家鄧中亮

訪談現場
 
訪談現場
 
  訪談簡介
 
  用“通信的眼睛”看導航
 
  時間:2019-05-16 09:00:00
 
  地點:人民網
 
  簡介:2019年5月,北京郵電大學教授、北斗重大專項專家鄧中亮做客人民網,以“用‘通信的眼睛’看導航”為主題與網民交流。本訪談為“見證”改革開放40周年系列人物訪談之一,由人民網輿情數據中心、人民網強國論壇、騰訊視頻共同主辦。
 
       訪談回放
 
  主持人
 
  追隨時代的腳步,見證改革開放40年。大家好,這里是人民網大型訪談節目《見證》。今天在直播間非常榮幸邀請到了北京郵電大學教授、博士生導師鄧中亮。歡迎鄧教授。
 
  鄧中亮
 
  大家好。
 
  主持人
 
  說到改革開放40年,我們馬上浮現出來的畫面是發生了翻天覆地的變化,這樣的變化鄧老師也有很深的感受,給您的感受是怎樣的呢?
 
  鄧中亮
 
  改革開放40年,我們國家發展速度很快。在交通方面,早期是我們坐的綠皮火車,現在坐的是高鐵,每小時300公里,從這里到上海原來20個小時,現在4個多小時。在通信方面,以前用的座機電話或者固定電話,現在用的手機到處都是,大人小孩都有,通信很方便。從導航來講,原來開車要找導航問路很難,現在很方便了,拿起手機,想到哪就可以到哪。這些變化,應該說在短短40年之內,在中國共產黨的英明領導下,在全國人民的共同努力下,科技創新引領了國家的快速發展,我們從大國走向強國。
 
  主持人
 
  鄧老師三個關鍵詞都跟著我們高新技術相關聯的,代表速度、科技,您剛才提到導航,的確是,導航在生活當中應用廣泛,可以說是與我們每個人聯系非常緊密的。您所從事的工作領域是室內定位技術,能否簡單先給我們介紹一下這究竟研究哪些方面呢?
 
  鄧中亮
 
  室內定位導航,實際上也不是最近才出現的,最早從無線電導航就有。無線電導航只要信號能到達的地方,就可以算出你的距離,再選定幾個參考點就可以把你的位置解算出來。大家最熟悉的是衛星定位導航。衛星離地面很遠,高軌是36000多公里,中軌2000多公里,信息傳到地面就很弱了,在室內建筑空間和地下這個信號就進不去了。這個時候,盡管大家在室外可以用衛星定位導航,很精確的定出你的位置來,但是在室內就不行了。衛星定位導航依賴的技術是通信技術,即大家平常使用手機的移動通信技術。現在到處可以打電話,在室內、室外幾乎無縫隙的覆蓋。既然衛星定位導航,用通信方法來解決測距問題,地面有很豐富的通信網資源,我做的室內導航就是想怎樣把地面的2G、3G、4G通信網絡資源用起來,來算出你在室內什么位置,即室內定位導航,這是我做的工作。除此之外還有別的技術,比如氣壓、慣性等,也可以定出你在室內什么位置。
 
  主持人
 
  非常精確的一個定位系統,有描述說這一技術填補了定位領域的空白地帶。
 
  鄧中亮
 
  應該說某些技術方面是填補了空白地帶。室內定位導航和室外最大的區別是,在室外定位的基本原理是,測出4顆衛星到你終端的距離,就可以估算出來你的位置,這是最基本的原理。到了室內,你會發現基站到手機終端無線信號的傳播會被遮擋,不能實現直線傳播。我們可以把基站到終端的直線距離等于信號傳輸時間乘上光速,這是測距的基本原理。時間的測量精度可以到納秒,甚至零點幾納秒,一個納秒是什么意思呢?相當于光速在空間傳播0.3米,1個納秒是10的負9次方秒。你可以做到0.3米甚至0.03米。可是,這個信號不知道拐了多少彎。有人統計過,城市里無線信號平均拐彎和直線距離誤差差不多是500米。你只要拿手機接收這個信號一算,肯定不在這個房間,算到了室外。
 
  定位到一個房間精度需求是1到3米,包括水平和垂直方向一般是正負3米,相當于一個房間大小。要達到這樣高的精度,很顯然,500米的誤差,無論如何你是定不出來你的準確位置的。為了解決這個問題,我們就必須提出一系列的定位方法,突破一系列關鍵技術,把誤差降低到一個房間允許的范圍之內,這套技術應該說是很難的。1996年開始,美國、日本、歐洲就立法,要求通信運營商,類似我們國家的電信、聯通、移動等三大運營商,必須提供室內定位服務,但是標準里面所規定的精度是多少呢?50米。這棟樓,長度寬度,我看了一下,也不到50米,高度可能超過50米。
 
  主持人
 
  等于大概定位在樓體里面。
 
  鄧中亮
 
  對,至于在什么房間定位不出來。4G的標準中定位精度還在50米。毫無疑問,它滿足不了室內定位的要求,我們有時候經常開玩笑,這叫室內定位嗎?要達到室內定位必須要達到1-3米內的精度水平,才可能滿足確定樓層房間級別的定位服務需求,包括救援也好、找人也好。我們從90年代開始到現在,差不多20多年,就一直在攻克怎么用這張無線通信網來進行室內定位,達到1-3米的定位精度。很顯然,這個解決以后,你在室外可以達到米級的服務能力,到室內也可以享受米級的服務需求。
 
  主持人
 
  剛才您提到關鍵詞,4G的時候大概在50米誤差內,今年年初我們一直探討5G時代的到來,5G時代的到來對定位的精準性會有什么樣的幫助和助推呢?
 
  鄧中亮
 
  大家知道1G到4G,或者2G到4G,全部是為人服務的,5G要開啟萬物互聯的新時代。習主席在十九大提出要建設智慧社會。很多國家也提出要建設數字地球、智慧地球、智慧城市等,提出了很多新概念。你發現時間和空間永遠是它們的核心基礎。時空是一個基準,要構建一個智慧城市,或者一個智慧社會、智慧海洋也好,首先這個城市要變成透明城市、安全城市才有可能是智慧城市。智慧社會,首先必須是透明社會,然后是安全的社會,才是智慧的社會。海洋也是一樣。你要想一個城市透明,毫無疑問,我們要了解這個城市所有的人和物所在的空間信息,要非常精確的了解城市的運行,比如我們的智慧交通,現在拿個手機打車很方便,只要點開一看就知道車到什么地方了,幾點幾分甚至幾秒能到達你這個位置,很清楚。這就是位置服務的最大的一個能體驗優勢。
 
  城市運行,對所有的東西都要能控制。在這種情況下,就是我們必須要構建一個精準的時空基準,來服務于城市和社會。我們依托空間信息的構建,如何支撐5G的萬物互聯,就變得十分關鍵。大家經常說導航,我剛才說的是定位。導航的概念是什么呢?導航是無縫隙的定位,加上實時的通信,加上不間斷的計算,再加上智能的控制,四大組合,才能滿足導航的需要,缺一個都不行。大家會聯想到,咱們的大數據,計算是需要大數據,導航還需要控制,所以人工智能就變得很重要。室內定位比室外定位在某些場合要求更高,比方說我們室外的手機定位精度在米級,10米左右。10米左右是什么意思呢?在路上以10米畫一個圓圈,誤差就這么大。當你站在19層窗戶邊的時候,玻璃可能是5毫米。請問,假設是1米的定位精度,你畫一個圈圈,你覺得你是在窗戶外面還是在窗戶里面。假如是在窗戶外面,就告警這個人要跳樓。如果在窗戶里面,表示這個人很安全。到底在哪?一條門的厚度是5公分,1米的誤差,請問是站在門的外面還是站在門的里面?這對應用來講變得十分關鍵。所以,很顯然,我們的定位精度,假設是1米,而我們的控制就希望能把這個精度進一步的提升、改善,來滿足我們的位置服務需求。
 
  主持人
 
  您剛才說到萬物互聯的時候,就像從導航,幾大系統來支撐,又引出通信和導航之間的事業有怎樣的意義和關聯呢?
 
  鄧中亮
 
  北京郵電大學是通信黃埔軍校。我做的工作是從通信看導航,剛才提到四大衛星導航系統,美國的GPS,中國的北斗,俄羅斯的格洛納斯,還有歐洲的伽利略,四大衛星導航系統,你仔細分析發現它用的是一個通信技術做的導航。通信就是從一端傳到另一端,通過這種傳輸來測量它們之間的時間。這是第一。
 
  第二,衛星的位置信息,你必須通過通信手段才能傳給你終端,告訴他現在是幾點幾分幾秒甚至到納秒級,還有通過信號傳輸時間測量才能精確算你的位置。所以,定位、導航離不開通信。
 
  另外,地面有很豐富的通信資源,全球的導航衛星目前不超過一百二三十顆,北斗現已發射44顆衛星了。地面的基站,大家可以想一下,它已經超過千萬個,能不能把千萬個基站變成導航源,定位的信號源。手機通信,信號一直在傳輸,能否用這種信號測量出基站到終端的距離,一起計算出你的位置來,假設行,移動通信網就可以賦能,在通信的同時具有高清定位能力,等于把這個資源再利用起來進行定位。我們知道通信的頻率是非常寶貴的資源,定位導航GPS最低帶寬2M,北斗最小是4M。地面通信資源的頻率多得多,當時提出現有的通信網能不能做出高精度的定位?第二,現有的頻率資源能否再重復利用,進一步提升它的定位導航性能,假設這兩件事能做好,這個豐富的資源就可以產生巨大的產業和經濟效益,對整個軍事國防也意義重大。
 
  開展了幾項研究,第一,用移動通信網不改變現有的基站設施資源,利用現有的手機、軟件和服務平臺,把性能從剛才提及的50米提升到1到3米。第二,我們提出新的一套技術方案,讓現在的通信基站的定位測距能力達到厘米級甚至毫米級,這樣在通信同時又可以高精度定位,解決通信和導航之間的矛盾,通信和導航融為一體,將來應用前景是非常巨大的。特別是我們的互聯網或是萬物互聯,還是人類社會,誰也離不開通訊。只要能通信,就給你提供精確的位置服務。
 
  主持人
 
  我想到您剛才提到智慧城市首要是透明和安全,您剛才說通信和導航之間的互相連接,融為一體,它的融為一體沉浸到生活當中究竟展現是什么樣的應用,能否給我們舉個例子。
 
  鄧中亮
 
  拿你的手機打車,這是最簡單的例子,會發現車幾點幾分在什么位置離你多遠,大概預測還有幾分到你這兒來,這是大家常用的。在城市里面,剛才提到衛星信號有時候會遮擋,不是每一個地方都能定位。把衛星和地面網對接起來,實現服務無縫隙化。任何人和任何物都可以使用連續的、服務間歇的服務導航,這是最典型的應用。第二,到了室內,大家今天發現打開手機一看,盡管我沒這個樓的圖,但這時候我已經在這里面了,這也是充分反映移動通信網對定位導航的支持。第三,我們開車還是打車,都用位置服務。大家很熟悉,位置服務一般是第三方給你提供的服務。第三方給你提供服務,中間就離不開通信,你的位置信息要傳輸出去,第三方再返回來,來對你提供有效的服務。所以,這幾個過程,你發現通信和導航之間是分不開的,兩者是融為一體。
 
  主持人
 
  剛才提到信息要透明和安全,會透明到什么樣的程度呢?
 
  鄧中亮
 
  我對透明是這樣理解,我們現在講要治理一個城市和治理一個社會,要萬物互聯,萬物連在一起有幾個含義,一是相互之間可以通信,這是一種連接關系。第二,你知道它在哪;第三,你知道在什么時間、誰跟誰之間會有一些什么故事。這樣一關聯起來后會發現,時間、地點、人物、物件,包括整個故事,還有過程,全都有記錄。這個記錄過程當中,無時無刻的離不開你的位置。只是不同的應用,可能對位置的要求不同而已,越精確,對我們來講越好。但這里面取決于我們的技術發展的水平。原來我們最早沒有衛星定位導航的時候就看月亮和星星,看天文來導航,誤差很大。到現在為止,可以用衛星進行精確定位導航,包括樓房的長度和高度,沉降1毫米、2毫米、3毫米,可以24小時進行觀測和定位導航。對人來講,一般米級就可以,我們總是每天打電話問家人,你在哪,其實用到這些技術后可以打開手機,不用問就知道他在哪。
 
  主持人
 
  透明度真的是一目了然,我想與此同時,跟著透明度一起的就是安全性了,這也是至關重要的。
 
  鄧中亮
 
  信息安全是永恒的話題,因為我們現在的技術發展越快,我們的手段越高明,信息整得越準確。信息越準確,安全越重要,這是永恒的話題。特別是從農業社會到工業社會,后來到信息社會,現在到智慧社會,就更講究安全了。
 
  主持人
 
  有這樣一種說法叫做室內定位或成為北斗領先于GPS的突破口,這句話如何來理解呢?
 
  鄧中亮
 
  室內定位跟衛星之間可以進行有效組合、融合,形成天地一體的定位服務的系統。在現階段,我們把它稱之為PNT體系,P是定位,N是導航,P是授時,這套體系的建立將來服務整個國家、整個社會,發揮很重要的作用。大家知道北斗,前面是比GPS起步晚。從咱們國家北斗建設目標是,在室外趕上或超越GPS。全球四大衛星導航系統,它的設計本身不是為室內服務的,GPS到現在30年,它的商業模式并不很好,原因是什么呢?衛星不具備室內定位的這種條件或者不具備這種服務能力。地面網,室內覆蓋,室外也覆蓋,而且2G、3G、4G覆蓋了50%的陸地面積,而衛星覆蓋整個全球,這兩個資源組合好之后,既可以實現室外精確定位,同時也可以滿足室內的定位需求,從室內到室外無縫隙化的定位服務,將來會產生很多新的商業模式和服務業務,與此同時,對國防建設的能力提升也發揮很大的作用。科技部啟動了“羲和”計劃來提升室內定位服務,這兩個結合起來。我們知道北斗星已經走向全球,你要服務全球,天和地包括5G網絡建設,還有原有2G、3G、4G,組合在一起,可以為全球70多億手機用戶提供無縫化的室內外定位服務,這樣才可以贏得世界市場。第二,從整個社會運行,我們可以從一個導航的大國走向一個導航強國,來推動全球經濟的發展,包括我們國家推動的“一帶一路”重大戰略。
 
  主持人
 
  聽您這樣介紹,我們在導航方面確實有很多前沿的突破。通過您專業的觀察,在導航方面還有哪些關鍵性的問題是尚待解決的?
 
  鄧中亮
 
  剛才說的是定位技術問題。作為技術工作者,或科研工作者來講,通過新的理論、新的方法來破解一個一個難題。導航來看是應用問題。應用需求仍然是超前于我們的技術。你發現我們講自動駕駛,自動駕駛汽車,它的定位精度要求多少呢?厘米級,分米級以上。我們能駕駛汽車的時候,每天有很多輛車被刮蹭或者追尾,為什么?說明你的定位性能不好,你的控制能力不強,這兩個導致操作失誤或者判定不準,判定不準是指對位置狀態判定不準。操作失誤是指控制能力比較弱。
 
  主持人
 
  實際上還有一個信號傳輸的實時性是否也在中間呢?
 
  鄧中亮
 
  現在是無人駕駛了,不管是人來控制也好,機器控制也好,如果它定不準,事故發生概率會提升多少?人判定的誤差在分米級,可能你覺得很危險了,可是自動駕駛必須按照車道運行,跨車道就會發生刮蹭,就有責任,出交通事故了。我們要解決無人駕駛的問題,就在于,第一,你能不能具備按車道自動運行,第二,泊車怎么辦,泊車要求厘米級的定位性能,才有可能自動泊好車。對這兩個問題你會發現,剛才提到,2G、3G可以做到米級的定位:1到3米。很顯然,1到3米是解決不了自動停車泊車的要求。只有到達了厘米級才能滿足需求。當然我們還有很多的技術手段來解決,但是對于大眾應用來講需要低成本高性價比,成本太高了,肯定是不行。比方說我們可以用很先進的手段-激光雷達,可是一輛車裝激光雷達成本太高了以后,一般老百姓大概消費不起。要達到大眾級的消費需求,就像手機一樣,手機一千或者幾百元就可以了。達到這種性價比,又要達到那么高的精度,這將有一系列的技術挑戰,這是第一。
 
  第二,我們現在的地圖,基本上是給人看的,你要給無人機、機器人、自動駕駛機器去閱讀的地圖,跟人看的地圖還是有區別的,所以我們要有新的地圖標準才能滿足服務需求。
 
  第三,室外地圖,目前發展速度很快,室內到底叫地圖還是不叫地圖,或叫空間信息。剛才說了,室外,公共場所,大家還沒有覺得隱私安全有那么突出。到了室內以后,我們的政策法規應該怎么約定。與此同時,我們的服務體系怎么保障,包括信息安全,這些可能會是我們在未來定位導航發展當中遇到新的問題。我們希望定位導航變得越來越精確,萬物互聯,工業互聯網,可能要求達到毫米級甚至毫米以下的定位服務,等等,這一系列的需求會牽引新的科學技術發展。
 
  主持人
 
  您為我們描述未來發展的場景和畫面,對于未來導航的發展,您有什么樣的期待?在您心目當中又會有怎樣的場景呢?
 
  鄧中亮
 
  未來導航,當時我們有幾個不成熟的構想。前面我們說定位導航,主要是為人類社會服務的,為人類和平提供有效保障。大家知道,現階段面臨很多安全問題,包括食品安全、自然災害等。其實定位導航提供的是一種基礎位置服務再加上服務業務,這是導航的基本服務目標。關于食品安全,大家會聯想到我們很多蔬菜會打農藥。蔬菜打農藥,毫無疑問,覺得吃了不安全。有人研究發現,在自然界,生態之間會發展一種固有關系。有人說,有一種蜂,白天可以到蔬菜地里捉蟲,還有一種蜂,晚上可以到蔬菜地里捉蟲,這樣一來,他可以養一群蜂,把整個蟲子捉掉了,說明什么?說明這個蜂有一定的導航和通訊能力,它能把蟲子捉到,達到毫米級定位。我們前階段是為解決人類的和平和應用發展提供保障服務,未來是怎樣用仿生的技術,包括仿生通信、仿生定位導航,解決自然界和諧問題。我們今天講,可上九天攬月,可下五洋捉鱉(這是毛主席的詩詞)。攬月我們國家已經實現了,可是下洋捉鱉仍未實現。首先告訴我的鱉在什么地方,然后,你告訴鱉,誰來捉你,還要告訴鱉,哪個地方是安全的,你可以躲避,這樣才能確保生態安全,這才能成為智慧海洋、智慧社會。確定鱉在哪個地方,第一要通信,第二要精準定位,這些問題,在未來是全世界需要攻克的難題。最終,大家會猜想,我猜它在哪,為什么你能猜得著,我猜不著。我們機器能猜在哪里等等。定位導航已經取得了突飛猛進的發展,但是面向我們整個社會的發展需求來講,還有很多問題、有很多技術需要我們去攻關。從國家發展來講,北斗導航衛星,包括地面的無線網,無論5G還是未來的6G將向全人類提供更精準的、更可靠的低價的導航定位服務。
 
  主持人
 
  鄧老師為我們談了有關您工作當中的定位導航相關的話題,我們回到改革開放40年,當然您的工作節奏也是跟隨著這40年改革開放巨大的變化來相輔相成的。說起這40年,如果讓您用一個詞來形容的話,您會想到什么樣的詞?
 
  鄧中亮
 
  “快”,兩個字:“很快”,三個字:“非常快”。我們發現人的思想應該是無邊界的,這種“快”有時候讓你覺得想不到,有點跟不上的感覺。比方說我是2002年出國,出國之前,在90年代,改革開放的春天、科學的春天,國家投入很大的資源來支持科學研究。那個時候,我們總的感覺,我們科技發展水平和國外有不小的距離。改革開放到現在,到今天,我們回過頭來看,我們的進步非常的大。無論是剛才說的登月計劃,還是高鐵,還是剛才說的4G通信也好,還是北斗導航也好。咱們的高鐵,在全球是走得最快的,我們的通信,叫領跑世界。北斗導航,大家覺得它是領航世界了。從整個發展速度來看,體現一個字就是“快”。對科技工作者來講,我們責無旁貸,要擔負起科學研究的使命,怎么樣推動科學技術的快速進步,來引領行業或者產業的發展,這是從大國走向強國的重大戰略。
 
  主持人
 
  通過鄧老師剛才說的關鍵詞“快”,我也想到現在大家熱衷于的一句話,面對快速的變化,唯一不變的就是變化。
 
  非常感謝鄧老師為我們帶來的分享,謝謝您。今天節目就是這樣的,感謝您的收看,再見!
責任編輯:艾米杰

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