——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(xué)院院士、中國工程院院士李德仁以“從PNT（定位、導(dǎo)航、授時服務(wù)）到PNTRC（定位、導(dǎo)航、授時、遙感、通信服務(wù)）”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(chǔ)設(shè)施來發(fā)展、融合、改造傳統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施，同時為未來發(fā)展打造新的基礎(chǔ)設(shè)施；新能源，更多地利用太陽能、風(fēng)能、水能、核能、氫能，減少對環(huán)境的污染，服務(wù)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(luò)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(luò)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(wù)，抓緊推進從PNT到PNTRC的“0到1”的創(chuàng)新，建立通導(dǎo)遙一體化的空天信息實時智能服務(wù)系統(tǒng)，創(chuàng)造多個萬億級空天信息產(chǎn)業(yè)，建設(shè)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(wù)。


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(dǎo)航技術(shù)，利用互聯(lián)網(wǎng)和移動互聯(lián)網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)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(wù)。


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(wù)，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(shù)，對于厘米級以上的高精度導(dǎo)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(yīng)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(dǎo)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(dǎo)航定位）天線，結(jié)合北斗地基增強系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)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(shù)打造的道路交通智慧應(yīng)急系統(tǒng)，可以滿足應(yīng)急資源接入、一圖動態(tài)展示、一鍵視頻核查、實時調(diào)度導(dǎo)航、重大活動安保、綜合研判分析等多樣化應(yīng)用需求。該系統(tǒng)在武漢市得到成功應(yīng)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(dǎo)遙一體化全球性優(yōu)勢的PNT服務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施。這不僅標志著中國在全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)領(lǐng)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(lǐng)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(dǎo)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(dǎo)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(xué)提出了音頻定位，相關(guān)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(shè)。武漢大學(xué)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(yīng)用市場。


在自動駕駛方面，利用“北斗慣性導(dǎo)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(fù)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(shè)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(shè)備查驗工作，大大提升了電網(wǎng)智能化巡檢技術(shù)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(wù)，低軌導(dǎo)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(dǎo)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(shè)低軌衛(wèi)星導(dǎo)航增強系統(tǒng)，北斗可以進一步提升導(dǎo)航定位精度，提供全球領(lǐng)先的無縫高精度定位服務(wù)，進而提升北斗的國際競爭力。地基增強定位主要服務(wù)于我國陸地區(qū)域，通過低軌信號增強擴展服務(wù)范圍；星基增強服務(wù)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(yīng)把遙感和通信加上，構(gòu)建通導(dǎo)遙一體化的天基信息實時服務(wù)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(wù)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(xué)與技術(shù)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(xué)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(yīng)用領(lǐng)域面臨的主要問題是衛(wèi)星信息應(yīng)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(gòu)，高精度快速遙感信息服務(wù)尚未服務(wù)到大眾用戶的手機和智能終端。同時，我們的通信、導(dǎo)航、遙感衛(wèi)星系統(tǒng)各成體系，導(dǎo)致系統(tǒng)孤立、信息分離、服務(wù)滯后。因此，亟需建設(shè)PNTRC體系，助推天基信息從專業(yè)服務(wù)邁向大眾應(yīng)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(wù)系統(tǒng)是由若干顆同時具有遙感、導(dǎo)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(dǎo)航定位服務(wù)，在時空大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能和天基信息服務(wù)智能終端支持下，通過天地通信網(wǎng)絡(luò)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(wù)?；谔旎畔崟r服務(wù)系統(tǒng)，可以實現(xiàn)定位、導(dǎo)航、授時、遙感和通信服務(wù)的全面升級。實時導(dǎo)航增強，為各類用戶提供分米級高精度實時導(dǎo)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(luò)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(wù)。


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(wù)院呈送《加強軍民融合奪取空天制信息權(quán)的建議》，建議分3步走建設(shè)空天信息實時智能服務(wù)系統(tǒng)。


PNTRC系統(tǒng)的融合應(yīng)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(guān)愛、個人位置服務(wù)等領(lǐng)域都有很大的應(yīng)用價值，PNTRC融合應(yīng)用將是萬億級市場。


據(jù)李德仁院士介紹，圍繞PNTRC系統(tǒng)構(gòu)建，武漢大學(xué)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(chǔ)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(yīng)急響應(yīng)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(lǐng)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?！扮箸於枴?1星是一顆用于科學(xué)試驗的衛(wèi)星，也是國際首顆遙感成像、氣象探測和水利應(yīng)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(yù)警當天幫助6300余人安全轉(zhuǎn)移。“珞珈三號”01星是首顆互聯(lián)網(wǎng)智能遙感科學(xué)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(yīng)用終端的分鐘級高效服務(wù)，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(zāi)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(wù)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(xué)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(chǔ)上，武大計劃到2030年發(fā)射200余顆衛(wèi)星，構(gòu)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(wù)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(yīng)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(wù)，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。