——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(zhì)生產(chǎn)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(zhì)生產(chǎn)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(zhì)生產(chǎn)力。他認為,“新”體現(xiàn)在5個方面:新時代,我們正處在一個萬物互聯(lián)、數(shù)字孿生的信息化時代;新基建,用信息基礎設施來發(fā)展、融合、改造傳統(tǒng)基礎設施,同時為未來發(fā)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(huán)境的污染,服務人類社會可持續(xù)發(fā)展;新產(chǎn)業(yè),大力發(fā)展大數(shù)據(jù)、云計算、網(wǎng)絡和人工智能支撐下的未來產(chǎn)業(yè);自主創(chuàng)新,始終堅持獨立、自主、安全、可用的創(chuàng)新原則?!百|(zhì)”主要體現(xiàn)在質(zhì)量上有大的提升,表現(xiàn)為經(jīng)濟社會發(fā)展數(shù)字化、信息化、人工智能化、網(wǎng)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(zhì)生產(chǎn)力,要努力推進“北斗+”和“+北斗”,實現(xiàn)無所不在的PNT服務,抓緊推進從PNT到PNTRC的“0到1”的創(chuàng)新,建立通導遙一體化的空天信息實時智能服務系統(tǒng),創(chuàng)造多個萬億級空天信息產(chǎn)業(yè),建設我國軟件定義的空天信息全球?qū)崟r監(jiān)測網(wǎng),為我國和全球可持續(xù)發(fā)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(wèi)星定位系統(tǒng)及其增強系統(tǒng)為主體,協(xié)同其他輔助定位導航技術,利用互聯(lián)網(wǎng)和移動互聯(lián)網(wǎng)等網(wǎng)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(tǒng)有三大優(yōu)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(diào)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(wèi)星、中軌衛(wèi)星和傾斜軌道衛(wèi)星相結(jié)合的軌道方案,對于亞太低緯地區(qū)和高緯地區(qū)的定位均比GPS有優(yōu)勢。
目前,北斗應用已經(jīng)走進千行百業(yè)、千家萬戶。比如基于北斗的精準農(nóng)業(yè),支持農(nóng)田自動化、智能化的播種、灌溉、面積計算、養(yǎng)分測定、品種分析、病蟲害監(jiān)測、長勢分析等,實現(xiàn)了農(nóng)業(yè)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(tǒng),通過在車輛中控上搭載單頻RTK芯片和高精度GNSS(衛(wèi)星導航定位)天線,結(jié)合北斗地基增強系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)設備,實現(xiàn)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(shù)據(jù)挖掘技術打造的道路交通智慧應急系統(tǒng),可以滿足應急資源接入、一圖動態(tài)展示、一鍵視頻核查、實時調(diào)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(tǒng)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(shù)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(yōu)勢的PNT服務基礎設施。這不僅標志著中國在全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)領域的自主創(chuàng)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(xiàn)無所不在的PNT
目前,北斗衛(wèi)星導航信號還不能直接覆蓋室內(nèi)、水下、遠洋海域、城市峽谷、高山密林等區(qū)域。如何實現(xiàn)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(nèi)外一體化、地上地下一體化、水上水下一體化問題”?!笆奈濉逼陂g,我國提出在2035年前建成以下一代北斗系統(tǒng)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(jù)李德仁院士介紹,在室內(nèi)外一體化方面,武漢大學提出了音頻定位,相關室內(nèi)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(qū),支撐智慧公安、智慧物流、智慧社區(qū)等數(shù)字經(jīng)濟建設。武漢大學還和華為合作,推出了北斗+5G室內(nèi)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(xiàn)亞米級定位精度,可感知人體姿態(tài),對室內(nèi)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(tǒng),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(shù)據(jù)和云計算、人工智能圖像理解等手段,實現(xiàn)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(wǎng)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(tǒng)的電力巡檢機器人,能夠?qū)ψ冸?、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?zhèn)鹘y(tǒng)人工完成電站巡檢及設備查驗工作,大大提升了電網(wǎng)智能化巡檢技術水平。
李德仁院士進一步強調(diào),要實現(xiàn)無所不在的PNT服務,低軌導航增強是一個重要實現(xiàn)路徑。北斗三號系統(tǒng)實現(xiàn)了我國衛(wèi)星導航“0到1”的跨越,這不是結(jié)束,而是一個新的開始。下一步,通過建設低軌衛(wèi)星導航增強系統(tǒng),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(qū)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(qū)域,低軌信號增強能夠降低收斂時間。
推進從PNT到PNTRC的創(chuàng)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(tǒng)——PNTRC體系。
過去10年,我國遙感衛(wèi)星經(jīng)歷了從“有”到“好”的跨越式發(fā)展,逐步實現(xiàn)業(yè)務化、商業(yè)化和國際化,特別是高分系列遙感衛(wèi)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(tǒng)重大專項是《國家中長期科學與技術發(fā)展規(guī)劃綱要(2006—2020年)》確定的16個重大科技專項之一,該系統(tǒng)與其他觀測手段結(jié)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(wèi)星遙感達到亞米級世界先進水平。尤其是高分七號衛(wèi)星是我國首顆亞米級分辨率光學立體測圖衛(wèi)星,主要用于獲取高分辨率立體測繪遙感數(shù)據(jù)和高精度激光測高數(shù)據(jù),實現(xiàn)1∶1萬立體測圖。此外,利用高分三號衛(wèi)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(wèi)星遙感應用領域面臨的主要問題是衛(wèi)星信息應用停留在“大事業(yè)、小產(chǎn)業(yè)”的局面,難以實現(xiàn)市場化和國際化。用戶主要是國土、規(guī)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(wèi)星系統(tǒng)各成體系,導致系統(tǒng)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(yè)服務邁向大眾應用,產(chǎn)業(yè)發(fā)展從內(nèi)部消化走向市場化、國際化。
天基信息實時服務系統(tǒng)是由若干顆同時具有遙感、導航與通信功能的低軌衛(wèi)星組成的天基網(wǎng)與現(xiàn)有地面互聯(lián)網(wǎng)、移動網(wǎng)的整體集成,與北斗系統(tǒng)密切協(xié)同,實現(xiàn)對全球表面分米級空間分辨率、分鐘級時間分辨率的數(shù)據(jù)采集和亞米級精度的導航定位服務,在時空大數(shù)據(jù)、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(wǎng)絡全球無縫的互聯(lián)互通,實時地為國民經(jīng)濟各部門、各行業(yè)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(tǒng),可以實現(xiàn)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(shù)據(jù),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(wǎng)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(shù)據(jù)傳輸服務。
2019年,李德仁院士牽頭,9位院士聯(lián)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(tǒng)。
PNTRC系統(tǒng)的融合應用前景十分廣闊,它在智慧管網(wǎng)、智慧電網(wǎng)、智慧港口、智慧社區(qū)、智慧城管、國防安全、精準農(nóng)業(yè)、森林防火、資源勘測、形變監(jiān)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(jù)李德仁院士介紹,圍繞PNTRC系統(tǒng)構建,武漢大學在海洋時敏目標智能檢測與定位(分鐘級)、衛(wèi)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(wèi)星在軌處理系統(tǒng)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(nèi)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(fā)射的“珞珈一號”夜光遙感衛(wèi)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(jīng)濟活動,通過數(shù)據(jù)挖掘與反演,可用于人口、電力能耗、碳排放、城市擴張、環(huán)境健康、戰(zhàn)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(chuàng)了衛(wèi)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(wèi)星,也是國際首顆遙感成像、氣象探測和水利應用一體化衛(wèi)星,其性能指標高,極具先進性和創(chuàng)新性。2023年海河流域性特大洪水期間,該衛(wèi)星觀測到了堤防決口,衛(wèi)星圖片上水流清晰,電線桿逼真,精度令人驚喜,發(fā)布預警當天幫助6300余人安全轉(zhuǎn)移?!扮箸烊枴?1星是首顆互聯(lián)網(wǎng)智能遙感科學實驗衛(wèi)星,真正把人工智能送上了天,實現(xiàn)了全球范圍遙感數(shù)據(jù)從獲取到應用終端的分鐘級高效服務,它能自動發(fā)現(xiàn)目標和變化,通過通信衛(wèi)星和地面互聯(lián)網(wǎng),8分鐘內(nèi)將信息送到用戶的手機里。該衛(wèi)星支持了聯(lián)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(fā)射成功,該衛(wèi)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(wèi)星入軌不到12小時,武漢大學遙感衛(wèi)星地面站就成功接收了該衛(wèi)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(wèi)星基礎上,武大計劃到2030年發(fā)射200余顆衛(wèi)星,構建“東方慧眼”智能遙感衛(wèi)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(tǒng),提高衛(wèi)星觀測效率、時效性和準確度,拓展產(chǎn)業(yè)應用范圍,實現(xiàn)“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(yè)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(diào)用頭頂?shù)男l(wèi)星,3至5分鐘就能看到自己想看的地球圖片或視頻?,F(xiàn)在人人“玩微信”,將來人人“玩衛(wèi)星”。為了這個將來,耄耋之年的李德仁院士還在努力著。