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楊元喜院士:《北斗+與綜合PNT體系》

發(fā)布時(shí)間:2017-05-24 13:10

2017年5月23日,第八屆中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航學(xué)術(shù)年會(huì)在上海召開(kāi)。作為國(guó)際三大衛(wèi)星導(dǎo)航學(xué)術(shù)會(huì)議之一,本屆年會(huì)以“定位,萬(wàn)物互聯(lián)”為主題,分為開(kāi)幕式、GNSS主管部門(mén)報(bào)告、特邀報(bào)告、分會(huì)交流、科學(xué)普及、展覽展示等環(huán)節(jié),全方位體現(xiàn)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)以及世界各大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)發(fā)展成果,展現(xiàn)出衛(wèi)星導(dǎo)航與新興技術(shù)融合發(fā)展趨勢(shì),高精度時(shí)空信息服務(wù)已逐步滲透并賦能各行各業(yè)和大眾民生,成為萬(wàn)物互聯(lián)、聯(lián)通共享的時(shí)空基礎(chǔ),為人類(lèi)發(fā)展帶來(lái)無(wú)限可能、無(wú)限憧憬。

(以下內(nèi)容根據(jù)會(huì)議現(xiàn)場(chǎng)報(bào)告摘錄整理)

特邀報(bào)告:楊元喜(中國(guó)科學(xué)院院士)

各位朋友,各位同事下午好,我今天不講衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),我講的是PNT,我們知道PNT定位導(dǎo)航授時(shí),是我們生活當(dāng)中的必備要素,PNT服務(wù)要求同一個(gè)載體需要唯一的PNT的服務(wù),否則它就會(huì)亂套,我們最常見(jiàn)的PNT當(dāng)然是GNSS提供的,北斗、GPS、GLONASS、Galileo等等,但是GNSS不等于PNT,而PNT的范疇要廣泛的多,GNSS只是PNT服務(wù)的一種工具。

PNT是國(guó)家信息建設(shè)的基石,基礎(chǔ)要素,我們生活當(dāng)中80%的信息和PNT有關(guān)聯(lián),經(jīng)濟(jì)的全球化,沒(méi)有PNT是不可能實(shí)現(xiàn)的。一帶一路的建設(shè)是國(guó)家戰(zhàn)略,但是沒(méi)有PNT信息的支持也是很困難的。所以我們提出一帶一路建設(shè)不僅要有公路、鐵路、航路、水路,還要有PNT信息公路。

我們經(jīng)常說(shuō)互聯(lián)網(wǎng)+,不光需要網(wǎng),還需要PNT的支持,我們說(shuō)智慧城市,如果沒(méi)有PNT,它就不能智慧,智慧海洋,如果沒(méi)有PNT的支持,海洋不可能是一個(gè)智慧海洋,我們所說(shuō)的大數(shù)據(jù),大數(shù)據(jù)是靠PNT進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘的,如果沒(méi)有PNT的支撐,大數(shù)據(jù)就是一堆亂數(shù)據(jù)、雜數(shù)據(jù)。所以說(shuō)大數(shù)據(jù)是靠定位、導(dǎo)航、授時(shí)來(lái)尋找它的規(guī)律,發(fā)現(xiàn)它的線索而提供決策的。云平臺(tái)如果沒(méi)有統(tǒng)一的PNT支撐,云平臺(tái)也會(huì)亂套,交通、管理、物流,沒(méi)有一樣不需要PNT。

當(dāng)我們說(shuō)PNT不能不想到GNSS,很遺憾的是,無(wú)論是北斗、Galileo、GPS、GLONASS等等,信號(hào)是最弱的,信號(hào)從幾萬(wàn)公里傳到地球來(lái),極容易被干擾,易容易被遮蔽,信號(hào)弱,很容易被欺騙。另外室內(nèi)、涵洞等等都不可能提供服務(wù),空間內(nèi)的載荷出現(xiàn)任何異常,地面控制端出現(xiàn)任何的故障,都可能導(dǎo)致GNSS的PNT服務(wù)中斷。

所以我們希望構(gòu)建一個(gè)未來(lái)的綜合PNT。所謂的綜合PNT,我想給它這么一個(gè)定義:基于不同原理,多種信息源,經(jīng)過(guò)云平臺(tái)控制、多傳感器高度集成和多源數(shù)據(jù)的融合,生成時(shí)空基準(zhǔn)統(tǒng)一的、且具有抗干擾、防欺騙、穩(wěn)健、可用、連續(xù)、可靠的全空間PNT服務(wù)體系。

它的核心要素在于,不同的原理,不同的信息源,要形成網(wǎng)絡(luò),要經(jīng)過(guò)云平臺(tái)控制,最后實(shí)現(xiàn)智能化的服務(wù)。

第一種信息源,我們說(shuō)的綜合PNT不能不說(shuō)信息源。綜合PNP的第一道信息源就是高低軌天基無(wú)線電PNT信息,所謂高軌信息,再加上低軌的通訊衛(wèi)星、遙感衛(wèi)星等等各類(lèi)衛(wèi)星,都可以作為各類(lèi)導(dǎo)航PNT的信息源,都可以為導(dǎo)航的增強(qiáng),時(shí)間的增強(qiáng)等等提供重要的信息。一方面信息多源,第二個(gè)方面信息的冗余度會(huì)增加,這樣它的兼容性就要被考慮,互操作性也要被考慮。

地基無(wú)線電也可以提供綜合PNT服務(wù),比如多普勒、羅蘭、塔康、Omega、伏爾、阿爾法系統(tǒng)等等,但是這些地基信息源作用距離是非常有限的,同樣它的信號(hào)也容易被干擾,被欺騙。還有一種自主PNT,不需要外部交換,都可以提供導(dǎo)航,但是它沒(méi)有時(shí)間。當(dāng)然也有一種衛(wèi)星自主的PNT,就是指同系統(tǒng)星座之間的互相跟蹤,衛(wèi)星自測(cè)軌道、自測(cè)鐘差,實(shí)現(xiàn)短時(shí)間內(nèi)無(wú)地面支持的GNSS  PNT服務(wù)。

還有其他重要的信息源,比如微原子鐘重力匹配導(dǎo)航、磁力匹配導(dǎo)航、影像匹配導(dǎo)航、地理信息匹配導(dǎo)航。還有水下聲納導(dǎo)航,天文導(dǎo)航,當(dāng)然不同的原理可以互相補(bǔ)充。

美國(guó)麻省理工學(xué)院也提出了一個(gè)量子導(dǎo)航QPS,量子定位可以采用糾纏和壓縮特性的光子進(jìn)行測(cè)時(shí)然后進(jìn)行定位。我們把量子導(dǎo)航可以分成三類(lèi):一個(gè)是測(cè)定點(diǎn)的主動(dòng)定位方法,主動(dòng)定位就是我們測(cè)定點(diǎn)自己進(jìn)行發(fā)送具有糾纏特性的光子脈沖,送到已知點(diǎn),測(cè)來(lái)回的時(shí)間,可以算距離,如果有三個(gè)以上的已知點(diǎn),就可以把這一點(diǎn)的位置定出來(lái)。

還有一種被動(dòng)定位,三個(gè)以上的框架點(diǎn)對(duì)安置干頻儀,發(fā)送糾纏光子對(duì),利用每一對(duì)光子的二階相關(guān)性,確定未知點(diǎn)坐標(biāo)。

待定點(diǎn)的主動(dòng)定位方法,是待定點(diǎn)發(fā)送若干個(gè)脈沖道不同的參考點(diǎn),測(cè)量這些發(fā)送的脈沖到達(dá)時(shí)間的相關(guān)性,就可以測(cè)定距離,由距離可以算三維坐標(biāo)。被動(dòng)定位方法可以通過(guò)若干獨(dú)立的基線,它們可以生成糾纏的雙光子,然后我們地面只要一個(gè)接收機(jī)接收他們發(fā)送的光子,測(cè)時(shí)間延遲,就可以確定位置。

假設(shè)我們通過(guò)若干個(gè)基線隊(duì),R1、R2坐標(biāo)是已知的,坐標(biāo)X1、Y1都是已知的,通過(guò)雙光子一致性的計(jì)書(shū)率,然后用戶終端通過(guò)角隅反射境就可以進(jìn)行距離的測(cè)定,然后進(jìn)行定位。

量子陀螺導(dǎo)航系統(tǒng)是另外一種原理,通過(guò)原子干涉儀用一冷Rb或Cs原子束以兩個(gè)不同的拓?fù)渎窂絺鞑ィ瑴y(cè)量?jī)稍邮ㄟ^(guò)不同路徑引起的相位差。利用原子干涉儀測(cè)定光和原子相互作用中的光場(chǎng)相位改變測(cè)量慣性力,比如感知地球磁場(chǎng)和重力場(chǎng)的變化,再進(jìn)行位置的計(jì)算。

量子陀螺儀比傳統(tǒng)的陀螺儀精度高出好幾個(gè)數(shù)量級(jí),可能是未來(lái)的重點(diǎn)發(fā)展方向。從這個(gè)意義上說(shuō),可以再拓展我們的思路,如果希望從深海到深空,都有PNT服務(wù)的話,在水下放置若干個(gè)聲納導(dǎo)航裝置,也能傳遞PNT的信息,那么就可以形成從海底到深空的PNT的服務(wù)。

從這個(gè)意義上說(shuō)可以把未來(lái)的綜合PNT,第一層是BDS、GPS、GLONASS、Galileo等等,第二層是低軌衛(wèi)星,QPS、QINS就是量子慣導(dǎo)以及慣性導(dǎo)航,脈沖星、天文定位等等,把這些所有的信息源都作為我們未來(lái)的綜合PNT的信息源,我們就可以有無(wú)處不在的PNT服務(wù)。

信息源的迅速增加下,我們?nèi)绾螢榭蛻籼峁└咝У姆?wù),比如說(shuō)芯片化的集成,無(wú)線電、慣性和微型原子鐘的組成,還有芯片級(jí)的IMU、芯片級(jí)的原子鐘、加上GNSS的芯片集成在一起,形成一個(gè)綜合PNT的服務(wù)。在量子導(dǎo)航方面也有很多關(guān)鍵技術(shù),比如量子糾纏源的制備,量子壓縮等等。

在函數(shù)模型方面,我們希望不同的物理源,不同的傳感器構(gòu)建的函數(shù)模型至少要有公共參數(shù)和非公共參數(shù)兩個(gè)部分,另外數(shù)據(jù)處理方法,當(dāng)信息源越來(lái)越多,我們需要高效的計(jì)算能力,比如并行計(jì)算。

不同的信息源對(duì)應(yīng)不同的函數(shù)模型和不同的隨機(jī)模型,經(jīng)過(guò)云平臺(tái)的控制進(jìn)行自適應(yīng)融合,然后再進(jìn)行智能化綜合PNT服務(wù)。

綜合PNT是PNT未來(lái)的發(fā)展方向,信息要多元化,空天地一體化。傳感器的高度集成化和小型化,PNT的時(shí)空基準(zhǔn)一定要?dú)w一化,我們的運(yùn)控手段要云平臺(tái)化,PNT信息融合要自適應(yīng)化,PNT的終端要穩(wěn)健化,日后它的服務(wù)模式要智能化。

在核心技術(shù)方面我們?cè)O(shè)計(jì)了多源信息的同化和歸一化問(wèn)題,超穩(wěn)芯片級(jí)原子鐘技術(shù),超穩(wěn)慣導(dǎo)器件和自主導(dǎo)航傳感器,多源傳感器的芯片化集成,量子導(dǎo)航系統(tǒng)及組合導(dǎo)航理論與裝備等。

綜合PNT的性能方面應(yīng)該有所提升,原理要實(shí)行多樣性,信息冗余性,誤差補(bǔ)償性,結(jié)果容錯(cuò)性,信息可用性,系統(tǒng)完好性,服務(wù)連續(xù)性,結(jié)果可靠性,整體穩(wěn)健性。

最后我要說(shuō),在中國(guó)構(gòu)建的綜合PNT一定是以中國(guó)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的PNT為核心,這樣的云PNT應(yīng)該是北斗、GNSS、QPS、HINS,所以未來(lái)的綜合PNT應(yīng)該叫“BDS+”。

(報(bào)告完)


交流互動(dòng)環(huán)節(jié)



問(wèn)題1:

在綜合PNT的體系里面,授時(shí)這個(gè)需求您沒(méi)太提,授時(shí)的精度有怎樣的需求?您能不能點(diǎn)評(píng)一下?

楊元喜:

我認(rèn)為這是未來(lái)要重點(diǎn)發(fā)展的方向之一,綜合PNT不可能沒(méi)有T,沒(méi)有T就沒(méi)有距離,沒(méi)有T就沒(méi)有位置,這是其一。

第二,時(shí)間就是PNT服務(wù)的核心要素之一,時(shí)間需要有長(zhǎng)期的穩(wěn)定性。沒(méi)有授時(shí)就沒(méi)有時(shí)間。本身的時(shí)間穩(wěn)定性和時(shí)間的保持能力就需要很強(qiáng),這個(gè)方面我們認(rèn)為未來(lái)的芯片級(jí)的原子鐘應(yīng)該作為綜合PNT的重點(diǎn)攻堅(jiān)難題之一。

問(wèn)題2:

能不能給量子導(dǎo)航一個(gè)展望?我們很期待。

楊元喜:

如果量子能夠通訊,量子為什么不能導(dǎo)航呢?

首先光子的傳遞是需要時(shí)間的,如果我們把那個(gè)時(shí)間能夠測(cè)的精準(zhǔn),那么它就能測(cè)距離,這是一個(gè)基本原理。而且量子導(dǎo)航還有一個(gè)很好的優(yōu)點(diǎn),它具有保密性、安全性。

量子導(dǎo)航留給我們的難題很多,其中很重要的難題是量子通訊是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的,我們的無(wú)線電導(dǎo)航是廣播式的,是一點(diǎn)發(fā)送,大眾接收。它顯然不適合大眾服務(wù)。那么我就有一種設(shè)想,未來(lái)是不是能這樣,我有若干個(gè)發(fā)送光子的干涉機(jī)械在太空當(dāng)中,我們用戶自己也有時(shí)鐘,發(fā)送你的定位信息到已知點(diǎn),我們測(cè)來(lái)回的時(shí)間給自己定位,這個(gè)是不是一種未來(lái)可能發(fā)展的方向?如果靠太空的衛(wèi)星導(dǎo)航,靠太空的衛(wèi)星星座給我們進(jìn)行廣播式的導(dǎo)航,廣播式的PNT服務(wù),恐怕很難實(shí)現(xiàn)。

問(wèn)題3:

原來(lái)在有一屆中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航年會(huì)上,您說(shuō)如果我們的北斗系統(tǒng)所有的芯片都是國(guó)外生產(chǎn)的,或者主要依靠進(jìn)口的話,我們這個(gè)系統(tǒng)還算是國(guó)產(chǎn)嗎?現(xiàn)在您提議的這個(gè)PNT可能也面臨一個(gè)同樣的問(wèn)題,我們的生產(chǎn)廠商將來(lái)在綜合PNT的接收機(jī)以及設(shè)備生產(chǎn)方面,您能給提一些什么指導(dǎo)或意見(jiàn)嗎?

楊元喜:

我們剛剛有一個(gè)“28納米的GNSS芯片”新聞發(fā)布會(huì),去年這個(gè)時(shí)候在長(zhǎng)沙開(kāi)會(huì),我們的新聞發(fā)布會(huì)是40納米的國(guó)產(chǎn)GNSS芯片,今天中午發(fā)布的新聞是28納米的綜合GNSS芯片,一體化的芯片,在中國(guó)生產(chǎn)的GNSS終端和接收機(jī)已經(jīng)是“中國(guó)芯”。

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