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邓中亮:用“通信的眼睛”看导航

发布时间:2019-06-25 来源:人民网 人气:
   
  访谈照片
北京邮电大学教授、北斗重大专项专家邓中亮
 
北京邮电大学教授、北斗重大专项专家邓中亮
 
北京邮电大学教授、北斗重大专项专家邓中亮

访谈现场
 
访谈现场
 
  访谈简介
 
  用“通信的眼睛”看导航
 
  时间:2019-05-16 09:00:00
 
  地点:人民网
 
  简介:2019年5月,北京邮电大学教授、北斗重大专项专家邓中亮做客人民网,以“用‘通信的眼睛’看导航”为主题与网民交流。本访谈为“见证”改革开放40周年系列人物访谈之一,由人民网舆情数据中心、人民网强国论坛、腾讯视频共同主办。
 
       访谈回放
 
  主持人
 
  追随时代的脚步,见证改革开放40年。大家好,这里是人民网大型访谈节目《见证》。今天在直播间非常荣幸邀请到了北京邮电大学教授、博士生导师邓中亮。欢迎邓教授。
 
  邓中亮
 
  大家好。
 
  主持人
 
  说到改革开放40年,我们马上浮现出来的画面是发生了翻天覆地的变化,这样的变化邓老师也有很深的感受,给您的感受是怎样的呢?
 
  邓中亮
 
  改革开放40年,我们国家发展速度很快。在交通方面,早期是我们坐的绿皮火车,现在坐的是高铁,每小时300公里,从这里到上海原来20个小时,现在4个多小时。在通信方面,以前用的座机电话或者固定电话,现在用的手机到处都是,大人小孩都有,通信很方便。从导航来讲,原来开车要找导航问路很难,现在很方便了,拿起手机,想到哪就可以到哪。这些变化,应该说在短短40年之内,在中国共产党的英明领导下,在全国人民的共同努力下,科技创新引领了国家的快速发展,我们从大国走向强国。
 
  主持人
 
  邓老师三个关键词都跟着我们高新技术相关联的,代表速度、科技,您刚才提到导航,的确是,导航在生活当中应用广泛,可以说是与我们每个人联系非常紧密的。您所从事的工作领域是室内定位技术,能否简单先给我们介绍一下这究竟研究哪些方面呢?
 
  邓中亮
 
  室内定位导航,实际上也不是最近才出现的,最早从无线电导航就有。无线电导航只要信号能到达的地方,就可以算出你的距离,再选定几个参考点就可以把你的位置解算出来。大家最熟悉的是卫星定位导航。卫星离地面很远,高轨是36000多公里,中轨2000多公里,信息传到地面就很弱了,在室内建筑空间和地下这个信号就进不去了。这个时候,尽管大家在室外可以用卫星定位导航,很精确的定出你的位置来,但是在室内就不行了。卫星定位导航依赖的技术是通信技术,即大家平常使用手机的移动通信技术。现在到处可以打电话,在室内、室外几乎无缝隙的覆盖。既然卫星定位导航,用通信方法来解决测距问题,地面有很丰富的通信网资源,我做的室内导航就是想怎样把地面的2G、3G、4G通信网络资源用起来,来算出你在室内什么位置,即室内定位导航,这是我做的工作。除此之外还有别的技术,比如气压、惯性等,也可以定出你在室内什么位置。
 
  主持人
 
  非常精确的一个定位系统,有描述说这一技术填补了定位领域的空白地带。
 
  邓中亮
 
  应该说某些技术方面是填补了空白地带。室内定位导航和室外最大的区别是,在室外定位的基本原理是,测出4颗卫星到你终端的距离,就可以估算出来你的位置,这是最基本的原理。到了室内,你会发现基站到手机终端无线信号的传播会被遮挡,不能实现直线传播。我们可以把基站到终端的直线距离等于信号传输时间乘上光速,这是测距的基本原理。时间的测量精度可以到纳秒,甚至零点几纳秒,一个纳秒是什么意思呢?相当于光速在空间传播0.3米,1个纳秒是10的负9次方秒。你可以做到0.3米甚至0.03米。可是,这个信号不知道拐了多少弯。有人统计过,城市里无线信号平均拐弯和直线距离误差差不多是500米。你只要拿手机接收这个信号一算,肯定不在这个房间,算到了室外。
 
  定位到一个房间精度需求是1到3米,包括水平和垂直方向一般是正负3米,相当于一个房间大小。要达到这样高的精度,很显然,500米的误差,无论如何你是定不出来你的准确位置的。为了解决这个问题,我们就必须提出一系列的定位方法,突破一系列关键技术,把误差降低到一个房间允许的范围之内,这套技术应该说是很难的。1996年开始,美国、日本、欧洲就立法,要求通信运营商,类似我们国家的电信、联通、移动等三大运营商,必须提供室内定位服务,但是标准里面所规定的精度是多少呢?50米。这栋楼,长度宽度,我看了一下,也不到50米,高度可能超过50米。
 
  主持人
 
  等于大概定位在楼体里面。
 
  邓中亮
 
  对,至于在什么房间定位不出来。4G的标准中定位精度还在50米。毫无疑问,它满足不了室内定位的要求,我们有时候经常开玩笑,这叫室内定位吗?要达到室内定位必须要达到1-3米内的精度水平,才可能满足确定楼层房间级别的定位服务需求,包括救援也好、找人也好。我们从90年代开始到现在,差不多20多年,就一直在攻克怎么用这张无线通信网来进行室内定位,达到1-3米的定位精度。很显然,这个解决以后,你在室外可以达到米级的服务能力,到室内也可以享受米级的服务需求。
 
  主持人
 
  刚才您提到关键词,4G的时候大概在50米误差内,今年年初我们一直探讨5G时代的到来,5G时代的到来对定位的精准性会有什么样的帮助和助推呢?
 
  邓中亮
 
  大家知道1G到4G,或者2G到4G,全部是为人服务的,5G要开启万物互联的新时代。习主席在十九大提出要建设智慧社会。很多国家也提出要建设数字地球、智慧地球、智慧城市等,提出了很多新概念。你发现时间和空间永远是它们的核心基础。时空是一个基准,要构建一个智慧城市,或者一个智慧社会、智慧海洋也好,首先这个城市要变成透明城市、安全城市才有可能是智慧城市。智慧社会,首先必须是透明社会,然后是安全的社会,才是智慧的社会。海洋也是一样。你要想一个城市透明,毫无疑问,我们要了解这个城市所有的人和物所在的空间信息,要非常精确的了解城市的运行,比如我们的智慧交通,现在拿个手机打车很方便,只要点开一看就知道车到什么地方了,几点几分甚至几秒能到达你这个位置,很清楚。这就是位置服务的最大的一个能体验优势。
 
  城市运行,对所有的东西都要能控制。在这种情况下,就是我们必须要构建一个精准的时空基准,来服务于城市和社会。我们依托空间信息的构建,如何支撑5G的万物互联,就变得十分关键。大家经常说导航,我刚才说的是定位。导航的概念是什么呢?导航是无缝隙的定位,加上实时的通信,加上不间断的计算,再加上智能的控制,四大组合,才能满足导航的需要,缺一个都不行。大家会联想到,咱们的大数据,计算是需要大数据,导航还需要控制,所以人工智能就变得很重要。室内定位比室外定位在某些场合要求更高,比方说我们室外的手机定位精度在米级,10米左右。10米左右是什么意思呢?在路上以10米画一个圆圈,误差就这么大。当你站在19层窗户边的时候,玻璃可能是5毫米。请问,假设是1米的定位精度,你画一个圈圈,你觉得你是在窗户外面还是在窗户里面。假如是在窗户外面,就告警这个人要跳楼。如果在窗户里面,表示这个人很安全。到底在哪?一条门的厚度是5公分,1米的误差,请问是站在门的外面还是站在门的里面?这对应用来讲变得十分关键。所以,很显然,我们的定位精度,假设是1米,而我们的控制就希望能把这个精度进一步的提升、改善,来满足我们的位置服务需求。
 
  主持人
 
  您刚才说到万物互联的时候,就像从导航,几大系统来支撑,又引出通信和导航之间的事业有怎样的意义和关联呢?
 
  邓中亮
 
  北京邮电大学是通信黄埔军校。我做的工作是从通信看导航,刚才提到四大卫星导航系统,美国的GPS,中国的北斗,俄罗斯的格洛纳斯,还有欧洲的伽利略,四大卫星导航系统,你仔细分析发现它用的是一个通信技术做的导航。通信就是从一端传到另一端,通过这种传输来测量它们之间的时间。这是第一。
 
  第二,卫星的位置信息,你必须通过通信手段才能传给你终端,告诉他现在是几点几分几秒甚至到纳秒级,还有通过信号传输时间测量才能精确算你的位置。所以,定位、导航离不开通信。
 
  另外,地面有很丰富的通信资源,全球的导航卫星目前不超过一百二三十颗,北斗现已发射44颗卫星了。地面的基站,大家可以想一下,它已经超过千万个,能不能把千万个基站变成导航源,定位的信号源。手机通信,信号一直在传输,能否用这种信号测量出基站到终端的距离,一起计算出你的位置来,假设行,移动通信网就可以赋能,在通信的同时具有高清定位能力,等于把这个资源再利用起来进行定位。我们知道通信的频率是非常宝贵的资源,定位导航GPS最低带宽2M,北斗最小是4M。地面通信资源的频率多得多,当时提出现有的通信网能不能做出高精度的定位?第二,现有的频率资源能否再重复利用,进一步提升它的定位导航性能,假设这两件事能做好,这个丰富的资源就可以产生巨大的产业和经济效益,对整个军事国防也意义重大。
 
  开展了几项研究,第一,用移动通信网不改变现有的基站设施资源,利用现有的手机、软件和服务平台,把性能从刚才提及的50米提升到1到3米。第二,我们提出新的一套技术方案,让现在的通信基站的定位测距能力达到厘米级甚至毫米级,这样在通信同时又可以高精度定位,解决通信和导航之间的矛盾,通信和导航融为一体,将来应用前景是非常巨大的。特别是我们的互联网或是万物互联,还是人类社会,谁也离不开通讯。只要能通信,就给你提供精确的位置服务。
 
  主持人
 
  我想到您刚才提到智慧城市首要是透明和安全,您刚才说通信和导航之间的互相连接,融为一体,它的融为一体沉浸到生活当中究竟展现是什么样的应用,能否给我们举个例子。
 
  邓中亮
 
  拿你的手机打车,这是最简单的例子,会发现车几点几分在什么位置离你多远,大概预测还有几分到你这儿来,这是大家常用的。在城市里面,刚才提到卫星信号有时候会遮挡,不是每一个地方都能定位。把卫星和地面网对接起来,实现服务无缝隙化。任何人和任何物都可以使用连续的、服务间歇的服务导航,这是最典型的应用。第二,到了室内,大家今天发现打开手机一看,尽管我没这个楼的图,但这时候我已经在这里面了,这也是充分反映移动通信网对定位导航的支持。第三,我们开车还是打车,都用位置服务。大家很熟悉,位置服务一般是第三方给你提供的服务。第三方给你提供服务,中间就离不开通信,你的位置信息要传输出去,第三方再返回来,来对你提供有效的服务。所以,这几个过程,你发现通信和导航之间是分不开的,两者是融为一体。
 
  主持人
 
  刚才提到信息要透明和安全,会透明到什么样的程度呢?
 
  邓中亮
 
  我对透明是这样理解,我们现在讲要治理一个城市和治理一个社会,要万物互联,万物连在一起有几个含义,一是相互之间可以通信,这是一种连接关系。第二,你知道它在哪;第三,你知道在什么时间、谁跟谁之间会有一些什么故事。这样一关联起来后会发现,时间、地点、人物、物件,包括整个故事,还有过程,全都有记录。这个记录过程当中,无时无刻的离不开你的位置。只是不同的应用,可能对位置的要求不同而已,越精确,对我们来讲越好。但这里面取决于我们的技术发展的水平。原来我们最早没有卫星定位导航的时候就看月亮和星星,看天文来导航,误差很大。到现在为止,可以用卫星进行精确定位导航,包括楼房的长度和高度,沉降1毫米、2毫米、3毫米,可以24小时进行观测和定位导航。对人来讲,一般米级就可以,我们总是每天打电话问家人,你在哪,其实用到这些技术后可以打开手机,不用问就知道他在哪。
 
  主持人
 
  透明度真的是一目了然,我想与此同时,跟着透明度一起的就是安全性了,这也是至关重要的。
 
  邓中亮
 
  信息安全是永恒的话题,因为我们现在的技术发展越快,我们的手段越高明,信息整得越准确。信息越准确,安全越重要,这是永恒的话题。特别是从农业社会到工业社会,后来到信息社会,现在到智慧社会,就更讲究安全了。
 
  主持人
 
  有这样一种说法叫做室内定位或成为北斗领先于GPS的突破口,这句话如何来理解呢?
 
  邓中亮
 
  室内定位跟卫星之间可以进行有效组合、融合,形成天地一体的定位服务的系统。在现阶段,我们把它称之为PNT体系,P是定位,N是导航,P是授时,这套体系的建立将来服务整个国家、整个社会,发挥很重要的作用。大家知道北斗,前面是比GPS起步晚。从咱们国家北斗建设目标是,在室外赶上或超越GPS。全球四大卫星导航系统,它的设计本身不是为室内服务的,GPS到现在30年,它的商业模式并不很好,原因是什么呢?卫星不具备室内定位的这种条件或者不具备这种服务能力。地面网,室内覆盖,室外也覆盖,而且2G、3G、4G覆盖了50%的陆地面积,而卫星覆盖整个全球,这两个资源组合好之后,既可以实现室外精确定位,同时也可以满足室内的定位需求,从室内到室外无缝隙化的定位服务,将来会产生很多新的商业模式和服务业务,与此同时,对国防建设的能力提升也发挥很大的作用。科技部启动了“羲和”计划来提升室内定位服务,这两个结合起来。我们知道北斗星已经走向全球,你要服务全球,天和地包括5G网络建设,还有原有2G、3G、4G,组合在一起,可以为全球70多亿手机用户提供无缝化的室内外定位服务,这样才可以赢得世界市场。第二,从整个社会运行,我们可以从一个导航的大国走向一个导航强国,来推动全球经济的发展,包括我们国家推动的“一带一路”重大战略。
 
  主持人
 
  听您这样介绍,我们在导航方面确实有很多前沿的突破。通过您专业的观察,在导航方面还有哪些关键性的问题是尚待解决的?
 
  邓中亮
 
  刚才说的是定位技术问题。作为技术工作者,或科研工作者来讲,通过新的理论、新的方法来破解一个一个难题。导航来看是应用问题。应用需求仍然是超前于我们的技术。你发现我们讲自动驾驶,自动驾驶汽车,它的定位精度要求多少呢?厘米级,分米级以上。我们能驾驶汽车的时候,每天有很多辆车被刮蹭或者追尾,为什么?说明你的定位性能不好,你的控制能力不强,这两个导致操作失误或者判定不准,判定不准是指对位置状态判定不准。操作失误是指控制能力比较弱。
 
  主持人
 
  实际上还有一个信号传输的实时性是否也在中间呢?
 
  邓中亮
 
  现在是无人驾驶了,不管是人来控制也好,机器控制也好,如果它定不准,事故发生概率会提升多少?人判定的误差在分米级,可能你觉得很危险了,可是自动驾驶必须按照车道运行,跨车道就会发生刮蹭,就有责任,出交通事故了。我们要解决无人驾驶的问题,就在于,第一,你能不能具备按车道自动运行,第二,泊车怎么办,泊车要求厘米级的定位性能,才有可能自动泊好车。对这两个问题你会发现,刚才提到,2G、3G可以做到米级的定位:1到3米。很显然,1到3米是解决不了自动停车泊车的要求。只有到达了厘米级才能满足需求。当然我们还有很多的技术手段来解决,但是对于大众应用来讲需要低成本高性价比,成本太高了,肯定是不行。比方说我们可以用很先进的手段-激光雷达,可是一辆车装激光雷达成本太高了以后,一般老百姓大概消费不起。要达到大众级的消费需求,就像手机一样,手机一千或者几百元就可以了。达到这种性价比,又要达到那么高的精度,这将有一系列的技术挑战,这是第一。
 
  第二,我们现在的地图,基本上是给人看的,你要给无人机、机器人、自动驾驶机器去阅读的地图,跟人看的地图还是有区别的,所以我们要有新的地图标准才能满足服务需求。
 
  第三,室外地图,目前发展速度很快,室内到底叫地图还是不叫地图,或叫空间信息。刚才说了,室外,公共场所,大家还没有觉得隐私安全有那么突出。到了室内以后,我们的政策法规应该怎么约定。与此同时,我们的服务体系怎么保障,包括信息安全,这些可能会是我们在未来定位导航发展当中遇到新的问题。我们希望定位导航变得越来越精确,万物互联,工业互联网,可能要求达到毫米级甚至毫米以下的定位服务,等等,这一系列的需求会牵引新的科学技术发展。
 
  主持人
 
  您为我们描述未来发展的场景和画面,对于未来导航的发展,您有什么样的期待?在您心目当中又会有怎样的场景呢?
 
  邓中亮
 
  未来导航,当时我们有几个不成熟的构想。前面我们说定位导航,主要是为人类社会服务的,为人类和平提供有效保障。大家知道,现阶段面临很多安全问题,包括食品安全、自然灾害等。其实定位导航提供的是一种基础位置服务再加上服务业务,这是导航的基本服务目标。关于食品安全,大家会联想到我们很多蔬菜会打农药。蔬菜打农药,毫无疑问,觉得吃了不安全。有人研究发现,在自然界,生态之间会发展一种固有关系。有人说,有一种蜂,白天可以到蔬菜地里捉虫,还有一种蜂,晚上可以到蔬菜地里捉虫,这样一来,他可以养一群蜂,把整个虫子捉掉了,说明什么?说明这个蜂有一定的导航和通讯能力,它能把虫子捉到,达到毫米级定位。我们前阶段是为解决人类的和平和应用发展提供保障服务,未来是怎样用仿生的技术,包括仿生通信、仿生定位导航,解决自然界和谐问题。我们今天讲,可上九天揽月,可下五洋捉鳖(这是毛主席的诗词)。揽月我们国家已经实现了,可是下洋捉鳖仍未实现。首先告诉我的鳖在什么地方,然后,你告诉鳖,谁来捉你,还要告诉鳖,哪个地方是安全的,你可以躲避,这样才能确保生态安全,这才能成为智慧海洋、智慧社会。确定鳖在哪个地方,第一要通信,第二要精准定位,这些问题,在未来是全世界需要攻克的难题。最终,大家会猜想,我猜它在哪,为什么你能猜得着,我猜不着。我们机器能猜在哪里等等。定位导航已经取得了突飞猛进的发展,但是面向我们整个社会的发展需求来讲,还有很多问题、有很多技术需要我们去攻关。从国家发展来讲,北斗导航卫星,包括地面的无线网,无论5G还是未来的6G将向全人类提供更精准的、更可靠的低价的导航定位服务。
 
  主持人
 
  邓老师为我们谈了有关您工作当中的定位导航相关的话题,我们回到改革开放40年,当然您的工作节奏也是跟随着这40年改革开放巨大的变化来相辅相成的。说起这40年,如果让您用一个词来形容的话,您会想到什么样的词?
 
  邓中亮
 
  “快”,两个字:“很快”,三个字:“非常快”。我们发现人的思想应该是无边界的,这种“快”有时候让你觉得想不到,有点跟不上的感觉。比方说我是2002年出国,出国之前,在90年代,改革开放的春天、科学的春天,国家投入很大的资源来支持科学研究。那个时候,我们总的感觉,我们科技发展水平和国外有不小的距离。改革开放到现在,到今天,我们回过头来看,我们的进步非常的大。无论是刚才说的登月计划,还是高铁,还是刚才说的4G通信也好,还是北斗导航也好。咱们的高铁,在全球是走得最快的,我们的通信,叫领跑世界。北斗导航,大家觉得它是领航世界了。从整个发展速度来看,体现一个字就是“快”。对科技工作者来讲,我们责无旁贷,要担负起科学研究的使命,怎么样推动科学技术的快速进步,来引领行业或者产业的发展,这是从大国走向强国的重大战略。
 
  主持人
 
  通过邓老师刚才说的关键词“快”,我也想到现在大家热衷于的一句话,面对快速的变化,唯一不变的就是变化。
 
  非常感谢邓老师为我们带来的分享,谢谢您。今天节目就是这样的,感谢您的收看,再见!
责任编辑:艾米杰

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