綜合PNT 應用服務體系：概念框架、技術路線與應用展望

蔚保國，鄧志鑫，張京奎，黃璐，賈浩男

(中國電子科技集團公司第五十四研究所 衛星導航系統與裝備技術國家重點實驗室,石家莊 050081)

0 引言

我國北斗衛星導航系統(BeiDou Navigation Satellite System，BDS)經歷了從無到有、從服務中國到服務亞太、再到全球組網的“三步走”發展歷程，北斗三號(BeiDou-3 Navigation Satellite System，BDS-3)全球覆蓋并達到了國際先進水平.自北斗系統提供服務以來，已在各行各業得到廣泛應用，并進入大眾消費、共享經濟和民生領域，產生了顯著的社會效益和經濟，深刻改變了人們的生產生活方式.近年來，隨著“北斗+”和“+北斗”的深化發展，北斗與5G、物聯網、衛星互聯網、云計算、區塊鏈、人工智能等技術的融合創新將帶來數字化革命，催生出更廣闊的衛星導航與位置服務產業.2035 年前，我國還將建設完善更加泛在、更加融合、更加智能的國家綜合時空體系，為全球用戶提供性能更高、更加可靠和更加豐富的時空信息服務，并帶動綜合時空信息產業跨越式發展.

當前，面向未來更為廣闊的綜合時空應用，我國數字化社會轉型的時空基座還未完全建成，時空信息服務的泛在性、精準性和普適性問題尚未完全解決，規模化的室內外“全國一張網”尚未實現，時空信息服務技術發展明顯滯后于市場需求，與“無處不在、無時不有”的時空信息服務目標尚有較大差距，傳統分散的、局部的、非典型、非標準化的時空信息服務解決方案難以滿足隨遇接入、泛在精準、無縫銜接、安全可信的時空信息服務應用要求.時空信息服務與經濟社會發展過程中的其他領域一樣，必須走體系化發展之路.

國家綜合定位、導航與授時(positioning,navigation and timing,PNT)體系是在國家層面統一組織協調下，服務于國防、經濟和社會，承擔國家時空基準建立與維持、時空信息播發與獲取、PNT 服務與應用等任務的國家信息基礎設施[1].文獻[2]于2020 年提出了綜合時空體系網絡管理系統概念，建立了由7 個單元組成的網管框架，但單純依賴網絡管理無法全面解決綜合PNT 應用服務問題，綜合PNT 應用服務是天地協同、通導融合、軟硬并舉、多態服務的復雜體系，必須充分借鑒學術界關于復雜系統理論與應用的研究成果.文獻[3]提出了復雜系統理論在構建生態文明指標體系中的應用方法，指出將互相交錯影響的各生態文明指標因子整合起來，最大限度實現因子間的協同增效.文獻[4]基于復雜系統理論提出了“精準感知-深度認知-智能推演-科學決策”的平行城市虛實互動框架，解決了復雜環境城市治理問題；工業界在傳統信息網絡基礎上，基于復雜系統理論提出了數字化、軟件化、智能化、一體化的網信體系理念，并開發了系列化規模化網絡信息應用.

本文面向綜合PNT 應用服務體系設計這一復雜系統性問題，充分利用復雜系統理論研究應用成果，提出“按需彈性可伸縮綜合PNT 應用服務體系”概念，設計具有“開放遮蔽全域一體、網云邊端泛在互聯、通導感控協同增效、聲光電磁多源融合”服務能力的綜合PNT 應用服務體系方案，給出應用服務概念框架、技術路線和應用服務模式，最后對其應用前景進行了展望.

1 概念框架

基于更加泛在、更加融合、更加智能的體系需求，并結合各類用戶的實際需要和所處應用場景，為自適應、彈性化提供PNT 應用服務是綜合PNT 體系的追求目標，需要提供服務的主體和客體之間建立雙向協同的機制，因此彈性可伸縮綜合PNT 應用服務體系及網絡應是未來的主要發展方向.

1.1 概念定義

綜合PNT 應用服務體系的概念內涵：

以北斗為基石，以低軌增強為補充，聯合地面5G、偽衛星、超寬帶(ultra wide band,UWB)等PNT服務手段，立足“數字化、網絡化、智能化”技術特征，形成天地協同時空網絡；構建對應的數字孿生多域多維場圖[5]，形成場圖與網絡的雙向映射；基于場圖平臺構建標準化可擴展應用服務系統生態，最終實現萬物互聯、泛在精準的按需彈性可伸縮時空服務體系.

綜合PNT 應用服務體系其目標是提供“基準統一、無縫覆蓋、彈性互備、安全可信、智能精準、高效便捷”時空信息服務，具備“統一、無縫、彈性、可信、精準”的基本特征.

“統一”是指時空基準建立、維持與傳遞，以及PNT 信息應用的標準與規范具備統一特征.

“無縫”是指綜合PNT 應用服務范圍全空間連續不中斷，能夠在開闊空間、半遮蔽空間以及全遮蔽空間等場景下提供連續穩定服務.

“彈性”是指PNT 服務不受環境因素干擾，具備高可用、高連續和高可靠特征.

“可信”是指能提供有保障的PNT 服務，并具備故障檢測隔離與系統可重構能力.

“精準”是指所提供的導航定位精度能夠滿足大眾與特種行業應用需求.

1.2 體系框架

綜合PNT 應用服務體系框架分為節點層、網絡層、管理層和決策層，基本框架示意如圖1 所示.

圖1 綜合PNT 服務體系基本框架

節點層作為綜合PNT 應用服務體系網絡中面向用戶的連接節點，以一體化白盒為載體，實現用戶與網絡間雙向信息交互；網絡層是時空基準傳遞與時空服務信息播發的統一基礎網絡，具備彈性可伸縮特性；管理層是為網絡和用戶提供PNT 信息的智能運管服務，通過構建基于數字孿生的網信場圖實現；決策層是PNT 體系的智能化服務體現，通過智能博弈算法提供復雜應用任務的決策支持.

1.2.1 一體化白盒

與傳統節點設備存在技術壁壘、黑盒、設備間緊耦合等局限性相比，一體化白盒旨在減少基礎設施建設與運營成本，是基于全國產化通用服務器+開放軟件生態的定位通信一體化基站設備，一體化白盒模型如圖2 所示.其主要思路是將北斗偽衛星與5G 室內“白盒”室分基站、UWB 基站融合，結合室內外無縫導航網絡[6-7]，形成智能感知、學習、認知、決策和調控能力.通過一體化白盒能夠實現用戶與網絡按照設定協議傳遞當前狀態、位置、時間等信息，實現節點層與網絡層間的信息融合交互.一體化白盒設備區別于傳統設備的特征在于通過標準且通用的硬件設計、必要固件、接口規范以承載多家廠商的軟件化功能組件，可提供更靈活的基站組合方案，支持導航定位與位置服務能力的軟件定義，是推動綜合PNT 應用服務數字化和智能化的重要支撐.軟件可定義是一體化白盒的關鍵技術，其主要特征是軟件定義互連和軟件定義節點.目前，相關技術在普適性網絡安全架構、高效能處理、以及異構網絡互聯等方面均取得了突破性的進展[8].

圖2 一體化白盒模型

1.2.2 統一網絡

綜合PNT 應用服務體系能力呈現必須在統一化PNT 信息網絡的支撐下運行.為提升遮擋環境下PNT 服務可用性、安全需求下可信性、復雜場景下智能性，迫切需要突破北斗、低軌衛星、5G、偽衛星、UWB 等不同尺度空間下時空信息網絡一體化設計與彈性組網，以及多源數據處理、終端自適應彈性導航等關鍵技術，構建從單一系統到綜合體系，從通導融合到泛在時空的彈性可伸縮綜合PNT 應用服務體系，是智能位置服務的必由之路，圖3 為天地協同PNT 統一網絡基本架構.

圖3 天地協同PNT 統一網絡基本架構

綜合時空信息統一網絡是以我國建設完成的BDS 為核心，融合低軌衛星導航系統及其增強系統、地面移動通信基站、空地偽衛星以及多種室內外定位導航源的“天基+地基”、“室內+室外”天地協同時空信息統一網絡，借助云計算、人工智能，突破不同尺度空間時空信息云端多源數據處理和終端自適應彈性導航定位技術，實現“全球瞬時高精度定位服務、室內外無縫定位服務、大容量高并發位置服務、天地一體化應急救援服務、網絡化監測評估智能推送服務”等服務能力.其中PNT 系統與通信系統的融合是時空信息統一網絡的建設重點，通過通信系統內生導航能力或構建通導一體化融合網絡，實現通信與導航的協同增效，提高綜合PNT 服務的強健性與完好性.

1.2.3 網信場圖

網信場圖定義為能夠綜合展示地理空間、電磁空間、網絡空間、認知空間信息及其疊加融合態勢的可視化多域多維信息場圖.網信場圖是綜合PNT 應用服務的可視化呈現載體，構建與利用網信場圖是時空信息態勢呈現、時空信息網絡管理、時空信息增強服務的主要途徑[9].網信場圖主要特性是能夠提供綜合PNT 應用服務體系的網絡運管、性能增強、預測決策，實現按需智能可信時空服務.

基于數字孿生思路進行多域多層網信場圖構建，即以地理信息三維地圖為底座，將多域信息態勢數據庫與地理、系統、服務、管理的多域數字孿生相結合，形成基礎地理信息態勢層、PNT 信息態勢層、PNT 服務態勢層、PNT 管理態勢層等態勢.數字孿生網信場圖可實現對綜合PNT 信息的全維度呈現與分析，面向用戶提供多域態勢呈現、服務性能評估、時空數據管理、信息健康預警等服務.

數字孿生網信場圖還能提供PNT 信息輔助與增強服務，通過孿生地圖生成場景和測量信息，可增強物理PNT 網絡性能，實現網圖約束輔助下多源融合連續定位.同時，借助于深度數字孿生多維場圖，通過虛實協同，實現PNT 網絡態勢管控.

1.2.4 智能博弈

在非合作機動網應用條件下，導航網絡無法對環境進行精確感知建模，難以對信道狀態進行合理高效估計，因此如何實現網絡中各個節點的導航信號在頻率、時隙、帶寬、功率等方面的動態優化分配，如何借助強大的網絡協同、通導融合等技術提升信息網絡自主決策能力，是未來綜合PNT 應用服務的核心技術.未來一體化信息網絡龐大、異構，應用場景繁雜多變，將面臨信息環境復雜、服務需求多變、策略求解復雜等諸多挑戰.博弈論是研究具有斗爭或競爭性質現象的數學理論和方法，近年來智能博弈技術依賴博弈論和強化學習兩種范式的結合而取得了顯著成效[10-11].通過利用演化博弈、斯坦伯格博弈[12]等經典博弈理論建立綜合PNT 網絡中應用服務沖突與合作的數學模型，有望解決綜合PNT 應用服務網絡資源的最優分配難題.

隨著人工智能技術快速發展，基于深度神經網絡學習的方法具有較強的自我學習能力，能夠自動提取特征，不僅適用于已知的場景，對未知且難于精確建模的場景也有一定的適用性.綜合PNT 系統是一個集導航、通信、感知于一體的巨型復雜網絡，解決智能博弈，需要突破基于深度神經網絡學習技術的服務能力驅動、服務可達分析、服務效果評估等分析方法，支持對合作、非合作復雜問題的分析與決策，形成對綜合PNT 應用服務復雜問題的統一認識和解決方案.

2 綜合時空應用服務體系技術路線

國家綜合PNT 體系是以北斗系統為核心，融合低軌衛星、地面5G 通信、偽衛星、自主傳感器等其他PNT 手段融合發展的綜合時空信息網絡[13-14]，具有時空基準統一、網絡互聯互通、彈性協同運行的能力[15-16]，為達成上述能力，需按照 “固基、強網、增效”的技術路線進行實施，圖4 展示了該體系架構及要素.

圖4 綜合時空應用服務體系架構及要素

2.1 固基

固基是構建時空統一的PNT 基礎設施與保障條件.固基的演進路線主要包括六個方面：基準統一、北斗核心、精度增強、泛在覆蓋、堅韌備份、自主可控.

1)基準統一：建設自主可控、穩健可用的時空基準與時空統一系統.

基準統一是構建國家綜合PNT 體系的重要任務之一，通過構建多層次、多節點、分布式的時空基準網絡，為各類PNT 設施提供基準服務.從根基上提升國家綜合PNT 時空信息服務網絡的基礎能力、從源頭上保證國家綜合PNT 時空信息服務網絡的能力上限、從體系上夯實底層資源.

2)北斗核心：進一步夯實BDS 這一核心，實現國際領先的全球時空服務.

進一步增強BDS 的PNT 服務性能，提升全球覆蓋范圍的服務精度、提高全球PNT 完好性能力、夯實北斗導航信號的抗干擾能力、不斷鞏固BDS 的國際領先地位是綜合PNT 服務體系建設的重要發展方向[17].

3)精度增強：構建天地一體化增強舉措，提升北斗精度優勢.

提供精度、可用性更優的定位授時服務是綜合時空體系的重要任務，因此需要新型增強模式彌補北斗系統自身星基差分增強能力的欠缺.為此通過低軌衛星導航、通導融合技術和完好性增強三個核心措施，解決廣域空間用戶快速高精度定位需求.

4)泛在覆蓋：多導航網無縫融合，實現天空、地、海PNT 全域覆蓋.

將定位授時能力擴展到任意區域、實現泛在PNT 能力，既是天地協同PNT 網絡擴展室內、地下、水下、商業航天和公眾應用優勢的需要，也是滿足軍事活動與泛在空間科研探索的保障.構建新型水下導航網絡[18]、室內外無縫定位網絡、地月/深空導航網絡，并將上述網絡與已有PNT 服務網融合，實現“無處不在、無時不有”的時空服務.

5)堅韌備份：完善與備份相結合，增強天地協同PNT 網絡安全.

未來綜合PNT 網絡將面臨更復雜的體系化對抗和更多不確定性因素，確保生命安全應用、用戶隱私數據、對抗條件軍事應用是綜合PNT 應用服務的重大挑戰，需要從提高PNT 系統自身安全性和做好補充備份兩方面著手提升體系安全能力.

6)自主可控：提升自主核心研發能力，實現穩步可持續發展.

建立完善的自主研發體系，具備完整、開放、可自主發展的時空基礎服務平臺，掌握核心器部件自主可控研發能力，構建綜合PNT 應用服務生態；同步建立綜合時空服務體系國際化知識產權戰略布局、常態化管理組織、保障性政策法規，全面保障綜合時空信息服務的健康穩步可持續發展.

2.2 強網

強網是立足北斗，融合多源PNT 網絡，增強PNT與信息網絡的協同發展，全面提升服務能力.

目前，北斗應用依然存在“泛在-精準-普適”等痛點.在泛在覆蓋方面，大量遮蔽環境下北斗導航信號無法使用；在快速精準方面，北斗全球瞬時高精度服務尚未形成；在普適通用方面，北斗綜合PNT 融合服務的標準化和規模化仍有差距.

基于此，迫切需要構建天地協同統一時空信息網絡，實現綜合PNT 體系與網絡信息體系的深度融合.具體實施路線主要包括如下四個方面：

1) 三網融合的標準化體系架構

建立“公網+專網+機動網”的三網協同標準化體系架構，從網絡側、云處理側、用戶端側三個層次服務框架，實現“三網+三層” 的全空間智能位置服務網絡總體解決方案.

2) 突破室內外混合智能PNT 關鍵技術

打通室內室外和地上地下空間的無縫連續精準定位.面向復雜環境下的PNT 需求，構建以北斗為核心，通信網絡、慣性系統、感知系統等多源信息深度融合的泛在智能PNT 系統.

3) 落實室內外PNT 與多體系協同機制

研究室內外PNT 網絡與國家綜合PNT 體系的融合、各體系時空基準統一等方法，建立綜合PNT 應用服務體系與網絡信息體系的協同機制.

4) 實現智能位置服務驗證與應用

建設天地協同智能位置服務試驗驗證與監測評估系統，包括平臺服務能力、應用模式、信息與網絡安全等多層級模擬仿真驗證平臺.

2.3 增效

增效是指通過構建PNT 體系生態環境，針對不同場景形成相應PNT 服務解決方案，為全空間用戶提供大容量高并發的時空信息協同增效服務.

時空數據挖掘是增效的有效途徑.文獻[19]中介紹了基于時空大數據提升大城市軌道交通高峰期運行效率，為網絡空間布局優化、出行結構綠色轉型和安全高效出行引導等提供科學量化支撐.文獻[20]提出通過時空數據信息挖掘，提升智能導航能力，從而推進物流業提質增效的新型發展思路.文獻[21]通過分析船舶海上運行時空數據，挖掘出具有時空屬性的頻繁航行軌跡，實現艦船海上航行軌跡跟蹤.文獻[22]從時空大數據與城市規劃關系入手，挖掘城市活動時空規律和演化規律、探知空間與活動的作用機理，提升未來城市交通規劃前沿思路.

面對時空數據爆炸式增長的形勢，如何通過有效挖掘時空數據，提供更深層次的時空信息服務，將是亟待解決的問題.時空數據類型的復雜性及跨學科性質也給統計和計算帶來巨大挑戰.隨著人工智能的發展，基于機器學習的時空數據挖掘方法取得了顯著的效果，如文獻[23]中歸納的軌跡聚類與分析、融合遙感與社會感知的城市功能區提取、地理多元流分析等.文獻[24]提出的基于深度學習的時空數據處理方法等，基于超優化人工神經網絡(artificial neural net-

work,ANN)和長短期記憶人工神經網絡(long shortterm memory,LSTM)結合，基于歷史軌跡GNSS 數據來預測未來位置.總之，時空數據挖掘需要大規模運算框架、多種學習交叉理論支撐的高性能處理算法來完成.

綜上所述，基于時空數據挖掘提高位置服務能力，從而對未來綜合PNT 應用服務賦能增效.

3 綜合PNT 應用服務模式

未來綜合PNT 的應用場景大體分為大眾應用、專有應用以及非合作場景下的特種應用三類，針對上述三種應用，提出“公網+專網+機動網”的綜合PNT標準服務模式架構.如圖5 所示，該模式涵蓋了絕大部分PNT 應用場景，滿足國家綜合PNT 最大共性需求，確立綜合PNT 應用服務能力邊界.

圖5 三網協同的綜合PNT 服務模式

3.1 “公網”服務模式及能力

面向大眾用戶群體，構建以北斗、低軌導航為主體，融合公用5G 通信及多源傳感器的公共基礎網絡，基于用戶智能終端(手機、平板等)以及商用地圖及地理信息系統(geographic information system，GIS)信息實現全域漫游、無縫連續的消費級位置服務.

圍繞上述目標，構建面向大眾用戶的通用技術服務體制[6，25]，研制升級北斗+5G 一體化基站，播發室外GNSS/低軌導航信號的增強信息實現大容量、低延時的泛在精準定位服務，定位精度優于1 m，首次定位時間優于1 s，授時精度優于20 ns.能夠基于商用電子地圖實現大眾用戶的泛在精準時空服務.

3.2 “專網”服務模式及能力

面向專業用戶群體，構建北斗、低軌、北斗偽衛星、超寬帶以及5G 通信的多源室內外空間定位網絡，通過部署一體化標準化基站網絡實現全域漫游定位，結合激光/視覺/慣性測量單元(inertial measurement unit,IMU)等高性能自主定位傳感信息，實現超高性能定位導航能力.

在用戶終端研制方面，研制集成GNSS 定位模塊、偽衛星定位模塊、5G 通信、微慣性導航系統(inertial navigation system,INS)、UWB、聲等多源傳感器的一體化定位終端是解決綜合PNT 多場景應用的有力途徑.通過制定相關接口協議及標準，在用戶智能終端出廠前嵌入北斗偽衛星與多傳感器融合的IP 定位軟核，實現基于商品化智能終端的開機即用的室內外連續定位能力.

在高精度GIS 信息構建方面，基于局域高精度GIS 信息，提供目標位置的精細化顯示和位置服務，同時針對空間地理結構復雜、電磁環境干擾嚴重的特殊場景，通過構建數字孿生綜合多維信息場圖，利用人工智能與大數據挖掘等技術，實現地理信息輔助條件下的目標位置反演.

綜合PNT 專網服務模式可提供的服務能力[26]為：定位精度不低于0.5 m，首次定位時間優于1 s，授時精度優于20 ns，定位系統并發量不低于2 000，定位延時不高于0.5 s，測圖精度優于0.1 m.

3.3 “機動網”服務模式及能力

面向特種用戶群體(如戰場、應急救援、遮蔽空間等)的PNT 需求，需要構建有人+無人的機動網以實現無先驗信息條件下的群體協同定位與個體自主定位.重點探索基于快速機動自組網的高精度相對協同定位與導航能力，并突破基于INS、視覺、激光等傳感器的自主定位技術.攻關重點主要包括：大容量異構無人集群開放式互聯協議、惡劣環境下集群彈性自組織重構技術、北斗+5G+自組網通信定位一體化技術、群體即時任務規劃與導航控制策略、基于云邊端計算架構多維信息融合技術等.同時，開發可視化與態勢分析一體化位置監控系統，嵌入輕量化地圖對特種任務的決策分析、指揮調度、人員安全提供保障和支撐.

機動網用戶的預期服務能力為[27]：能夠在非合作場景下實現相對定位精度優于1.5‰D，即每行進1 000 m 誤差不超過1.5 m；在獲取絕對位置條件下，絕對定位精度優于0.3 m，定位頻率不低于20 Hz，相對時間同步精度優于20 ns 的PNT 服務能力.

4 未來展望

縱觀全球PNT 技術發展態勢，時空大數據、機器、自然、人、智能技術將衍生出新的生產關系，從物理時空、信息時空、智慧時空，向時空孿生演進，未來人類將構建起一個以時空位置信息為基石的智慧型社會.基于全球范圍大規模應用服務需求，如圖6 所示，綜合PNT 將趨向于“公網+專網+機動網”的多場景體系化應用和全空間智能位置服務.

圖6 綜合PNT 應用服務體系應用示意圖

未來，面向智慧城市、應急救援等大規模綜合PNT 應用需求，未來以“北斗+低軌+5G+偽衛星+位置大數據”為核心的綜合時空應用服務體系將衍生出大量新型的應用場景，例如北斗+5G 系列室內外應用、基于區塊鏈的端到端冷鏈監管應用、復雜山地、礦井、水下等地理環境條件下有人、無人協同應急救援、智能交通無人駕駛全鏈路應用、智能工廠無人化運管應用、地下城市大規模無人化物流應用，AR/VR 虛擬泛在空間應用(元宇宙)等.上述應用構想有望通過國家層面制定相關法律法規以及出臺綜合PNT 基礎網絡設施建設標準規范的方式進一步推進落地，通過構建海、陸、空、地下等多場景的綜合PNT應用服務“一張網”，將實現更加泛在、更加融合、更加智能的國家綜合時空應用.