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Kiếm tiền từ:专访刘经南院士:全球四大卫星导航系统,中国北斗最好

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本文作者:施智梁、李金津,编辑:李皙寅,题图来自:视觉中国


刘经南行色匆匆,九月下旬刚获得了行业协会授予的卫星导航定位终身成就奖,就从郑州赶回武汉,参加了电动汽车百人会举办的中国新能源汽车发展高层论坛。在智能化领域发展得如火如荼的汽车工业,离不开高精地图和卫星导航定位。


受访者供图


在出行一客(ID:carcaijing)面前的这位七旬老者,是武汉大学教授,曾任武汉大学校长和昆山杜克大学校长、国家“973计划”顾问组专家。现任国家卫星定位系统工程技术研究中心主任。1999年,他当选为中国工程院院士,是中国在全球卫星导航系统(GNSS)技术应用和工程领域的学科带头人,也是中国卫星导航定位工程应用领域的开拓者。


在业内看来,同类产品中,北斗更有优势,不仅拥有导航、定位、授时这三个所有定位系统都有的基础性功能,还在所有天上卫星之间,有通信和相互测距功能,以及覆盖全球的星地双向通信短报文。相对于GPS等其他三大卫星导航系统可谓是独领风骚。据刘经南介绍称,北斗已在中国逐步替代GPS发挥作用,在国际上也已在一百多个国家推广应用。比如用在手机、电子导航地图和一带一路国家的货运监管等方面。


刘经南认为时空智能是所有动物特别是人类智能和智慧的核心智能。人类认识方位、认识距离、认识时间,并将三者融为一体。《周易》里面第一句话“观乎天文,以察时变;观乎人文,以化成天下”正是体现了人类的时空认知活动对人类文明进化的作用。


这一概念与普通人的生活并不遥远,伴随空间时间的越发精准,将在科学、医疗、工业控制等领域上引起巨大变化甚至是颠覆性变化,如:远程外科手术,跨国工业数字化生产远程控制都将逐渐走入现实。


商业航天正逐渐变得更有竞争力与创新力,可被视作国家战略级的科技力量之一。对此,刘经南认为,要推进商业航天发展,就要充分利用民间资源,才有希望做出有竞争力的创新产品,推动战略科技力量的发展。


以下是出行一客在论坛间隙对刘经南院士做的专访,略有删节。


热度渐起,北斗的产业化之路


受访者供图


出行一客:投资界对您这样的业内大咖关注逐渐升温,您有这样的感觉吗?


刘经南:有这种现象。虽然我不太了解商业,但了解国家间科技实力竞争情况。我们搞科技的和搞高技术产业化的对商业长远竞争力提升领域认知较为超前,在商业投资方向敏感性上有一定影响,因此投资部门经常来联系我们,包括国内的私募、公募基金,有些重点企业领导人还会专程带着专题来学校寻求交流。


出行一客:他们现在最感兴趣的是什么?


刘经南:找我咨询主要就是北斗产业及可应用北斗技术的产业方面的需求情况。他们最近兴趣点集中在汽车行业。当然,在汽车领域,北斗未来不管是汽车本身,还是相关基建,如道路、5G+北斗、车联网、交管等都需要精准的位置、时间信息。目前,世界上同时提供精准时间、精准位置技术的,只有北斗(中国)、GPS(美国)、伽利略(欧盟)这样的卫星导航定位系统。而我在国内比较早投身于此。


出行一客:北斗产业化是国家“十四五”规划中明确提出的方向,目前北斗产业化方面有怎样的特点?未来还有什么空间?


刘经南:好问题。北斗的产业链比较长,从技术角度讲芯片是基础,芯片能做成接收机,接收机就可以用到各行各业,不光是工业领域,包括社会服务领域、政府管理领域,都需要时空信息的产品。与此相关的还有地图,现在导航电子地图,未来的自动驾驶、智能驾驶、高精地图,地图本身就是一个很大的产业,采集道路信息要按照一定的标准把它制作成普通人能看懂的,甚至还要机器看懂的产品。虽然各行各业需求不同,但基于北斗终端和应用还需要有各行业的应用软件,软硬件结合能够满足各业态的需求。


北斗未来发展空间其实很广泛,因为北斗所能提供的的时间、空间信息可以说是人类生存最基本的信息,人类的活动离不开空间和时间。人类最早认识外界的技术和知识就是空间、时间,行走去找资源,找吃的,找水喝,那就要知道水在哪里,能吃的东西在哪里,就要行。通过行来解决位置、定位,什么时间,到哪里,能够到哪里,不仅是人,动物也是如此。


在信息时代,我们需要高技术帮助获取更加快速更加精确的时空位置信息,来满足人们对物质、能量及其信息的需求。例如:北斗与新型基础设施融合构成融合型基础设施,有北斗+5G、北斗+物联网、北斗+工业互联网、北斗+电力网、北斗+油汽输送网、北斗+算力网等等,即北斗系统赋能新型基础设施精准时空位置服务能力。这些融合型基础设施建立相应服务平台,给相关行业和领域提供多种时空位置需求的服务,使其服务更加精准,更加便捷,更加智能和智慧。可以说,空间只受人类想象力的限制。


出行一客:尤其想问一下导航方面,北斗在导航方面和GPS相比如何?美国能不能卡我们的脖子?


刘经南:我们在全球的一些地方对北斗定位导航的精度进行了测试,得到如下认识:北斗功能多于其余三大卫星定位导航系统,包括俄罗斯的GLONASS、欧盟的伽利略、美国的GPS。北斗不仅拥有导航、定位、授时这三个所有定位系统都有的基础性功能,还在星间通信和测距方面优于GPS。


北斗能实现从卫星到终端和从终端到卫星的双向通信,这一功能四大卫星导航系统中只有北斗系统具备。华为Mate50就从技术上研发出了可以跟北斗卫星通信发短报文的手机。不过目前受限于中国的法规政策,为保障卫星安全,直接跟北斗卫星实现双向短报文通信需有资质或授权。目前此种服务权限握在特定组织手中,尚未普及整体商业市场。


另外,北斗还具备人员搜救功能。一种是按国际搜救组织标准要求,受困人员借助北斗搜救设备发送求助信息,国际搜救组织组建搜救,并利用北斗双向通信功能对受困人员进行回应。待救援的受困者收到回应后可知道搜救者大概的到达时间,可心安自救、暂时关机省电、等待救援,在约定时间再重新开机发送受困位置被及时捕捉,实现救援,这就是双向通信功能的意义之一。


关于美国能否卡我们的脖子,其实这四大系统在联合国签约后被认为是人类共享的公共基础设施,在民用方面不可侵犯,更不可故意或恶意干扰破坏,否则违反国际公法。四大全球卫星导航供应商也就保障民用签了协议,允许各自信号兼容互操作,极大保障了时空位置基础性民用服务惠及除军事等受限领域外的全球市场。


在以能源、交通、网络代表的特殊领域里,中国一定也是以北斗独立收到的信号为主,实现自主可控的导航定位,这有助于防止他国对中国发展的掣肘,因此一般情况下他国卡不了我们的脖子。但若买国外的芯片制成的接收终端,就会存在一定的风险。


出行一客:北斗在多大程度上能替代GPS的全球市场份额?


刘经南:当前,GPS在全球市场份额的占比已达90%以上,地位不可小觑。但北斗在中国诸多市场上正慢慢渗透、替代GPS发挥作用。在与公众利益和国家安全相关的领域,如交通、金融、电力、能源、通信、地图测绘、政府管理等,国家政策规定:必须采用北斗时空基准,必须用自主可控的北斗芯片、接收机和软件;在大众市场、如手机、汽车市场等等,可以由用户自主选择,但手机和车辆的移动位置数据,涉及隐私和公共利益,只许落地存储在中国网络的本地服务器中,未经许可,不得与国外机构共享。


因此,我认为,随着时间的推移,几年之后,国内市场份额,北斗系统占比会高于90%。国际市场份额,随着北斗的技术和功能、产品质量和价格优势及服务优势的提升,占比也会越来越高。


出行一客:我们怎么知道我们用了北斗?


刘经南:因为导航电子地图作为公共商品,目前对大众用户还不会显示导航基于北斗或是GPS系统的原始信息来源,只有专业用户知道如何提取和分析手机中北斗和GPS的数据。对于行业用户接收机和大众手机来说,专业技术人员可以通过图商等APP实现数据溯源,或者依照接收机或手机的技术维护手册的专业提示,获取卫星观测数据,知悉是由GPS还是北斗提供的,亦或是由它们同时提供的。


出行一客:怎么看美国现在的商业航天,我不是说国家那种意义上的备战竞赛,而是指商业航天民用方面的应用。从我们两个国家的商业航天角度,您觉得我们应该怎么构建自己的商业航天竞争力?


刘经南:这是最近深受关注的国际热点问题。在俄乌冲突中,美国的商业航天为美方支持的乌方提供了大量的信息,使得乌克兰的军队超过了俄罗斯军队的信息化程度。具体支持主要体现在两个方面,一是美国很多高科技的遥感商业航天公司,如谷歌(Google)、麦克萨(Maxar)等为乌方提供了高清晰遥感影像,使战场态势与变化情况呈现清晰;二是以SpaceX公司高安全性的星链卫星为乌克兰提供野战通信能力。


与此相反,俄罗斯仍采用大兵团作战的老式方法,这种方式存在暴露性高等致命缺陷。而美方的遥感卫星技术与星链卫星技术,都是源自商业领域,即民间行为。因此,还不好对它采取反击措施。


中国的商业航天于2014年起步,并获国家政策支持,由此取得了快速的发展。我们的起步比美国晚,美国的起步在80年代初,而且,美国航天发展本身就全是商业化的,尽管在发展过程中有过国家计划的辅助,但都是由私营商业公司运营。如波音和洛克希德·马丁两家商业公司,是美国国家航天的两大主力,它们不仅从事飞机的研造,也探索火箭和多类卫星事业的发展。


诚然,美国航天事业的发展也离不开外部环境的促进,如苏美冷战时期美方的星球大战计划等的刺激,但不得不承认,美国的商业航天如今仍有全球引领性优势。譬如美国国家层面想做的多次往返可回收型火箭,SpaceX公司的一枚猎鹰9可以往返十几次,最近成功发射的是第14次,还要进行第15次发射。火箭大到能承载60颗卫星,分很多格子,按照不同的轨道发送出去,还有火箭回收,推动了太空旅游,装了七八个人,到美国空间站上去体会失重的感觉。

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对此,我们也有一些反思,中国也要推进商业航天发展,只有充分利用民间的资源,如资金、技术、场所等,群策群力,我们才有希望做出便宜的有市场竞争力的创新产品,从而进一步推动中国国家航天的发展。习近平总书记在十九大上提出,“将来大国之间的竞争核心是战略科技力量的竞争。”而强化国家战略科技力量的观点在2021年院士大会上习总书记再次提到,体现出战略科技发展对中国发展的极端重要性。


战略科技力量不仅包括国家实验室、国家科学院此类国家科学技术研究中心,还包括985研究型大学、富有国际竞争力的龙头科技企业等,如华为、小米等。我深信中国商业航天领域再经一定时间跨度的发展,也将极富竞争力与创新力,所以它也应该是国家的战略科技力量中不应或缺的一支。


做时空智能的先驱者


受访者供图


出行一客:如何理解时空智能,现在的发展到什么阶段,合适用在哪里?


刘经南:这个问题很专业。从物理学角度理解,空间智能就是指找地方的能力。时间和空间不可分割,如“速度是每小时多少公里”中的“公里”就是指空间距离,“每秒钟转多少角度”中的“角度”也是空间方位的概念。


时空智能是人类智慧的生动体现。人类认识方位、认识距离、认识时间,并将三者融为一体。《周易》里面第一句话“观乎天文,以察时变;观乎人文,以化成天下”正是体现出人类的时空认知活动对人类文明进化的作用。


人工智能发端于模仿、学习自然智能,特别是社群性动物自然进化出来的智能。如:蜜蜂是分工很细的社群性动物,它们觅食时,专职寻找蜜源的工蜂找到蜜源回到蜂巢后,为指引专职采蜜的工蜂同伴前往某个方向几十公里远的已知蜜源,常常会跳一种八字形舞,这个八字形中间两个椭圆相切的方向线也是椭圆长轴方向,即蜜源的方位线,这个方位线的方位角是以当时太阳的方位为标准的,飞多远的具体信息,隐含在找蜜源工蜂在方位线上屁股摆动的次数和椭圆长轴的长度中。


采蜜工蜂理解了这个带有蜜源时空位置信息的交流舞蹈就带领新生的采蜜蜂飞往蜜源采蜜去了,而当采蜜归来时,太阳已经转过了一段方向,采蜜工蜂要能计算出太阳当前与出发时转动了多少方位才能找回蜜源和蜂巢当前方向之间新的太阳方位关系,才能回到自己的蜂巢也就是把时空位置变化搞得很清楚。说明小蜜蜂为了生存,它们的几何与物理还有天文都学的不错哦!


研究这个现象的几位奥地利科学家,因为揭示了社群动物蜜蜂的交流智能与时空位置智能与它们的数理逻辑、认知和学习智能的关系还获得了1973年诺贝尔生物奖。


我比较早探索时空智能。自然科学家认为时间、空间不可分割,且可以相互转化。在此基础上,爱因斯坦引入与物质质量的关系,并从理论上证实了三者的关系:在物质万有引力的基础上,他提出:存在引力的时空不是牛顿和我们常识所认为的时空是平直的,物质引力越大会将时空拉得越弯曲,从而改变了空间和时间的原有长度。如:在太阳周围,由于它质量比地球大得多得多,那里的时空间弯曲比地球要大得多,光线在弯曲空间里走的最短路线就不再是直线,这是时间、空间扭成一体的概念。


而我们研究这个概念,是基于时间和空间是人类生存的基础。所有的信息都是通过时间、空间来表现的,而光就是表示时空统一的量:光的波长是空间量、振动频率是时间量。光本身既可以表述为每秒钟多少米,也可以表述一个波长是多长或一秒钟振动频率是多少,波长乘上频率就得到了光速。光速是个常数,不同物质发出不同波长和频率的光,光的颜色取决于它的波长、频率。


而物质的性质之一是颜色,就可通过物质发出光的波长和频率来认知。比如铁是红色的,而把钠盐放到火上烧发出的是黄光。因为纳氧化燃烧时发的光的波长频率对应黄色。这就是通过光的波长频率这个时空量研究物质性质的原理。


研究生命体,研究化学,研究材料,研究物理,归根结底是研究其物质结构与性质。时间、空间是研究物质能量信息最基本的方式,一是它们的存在和变化方式都是由时空表示的,过去我们不太关注物质的性质,而受益于现代科学的发展,以光信息中所携带时间、空间信息的质谱仪为研究物质的工具,物质对我们的利弊被逐渐挖掘,从而更好地服务于人类需求包括健康事业。


出行一客:现阶段从时空智能概念的角度,您认为它最主要的落地应用,从应用角度上说主要就是体现在高精地图?


刘经南:那不止,高精地图只是其在交通汽车工具方面的应用,其将来在诸多领域都有很强的应用潜力。如在地面通信领域,当下5G技术只能保障毫秒级的用户级延时标准,如果“5G+北斗”顺利落地,全球范围内同一5G移动网络任何节点之间信息传输的时间同步基准精准度将会达到纳秒级,这样精准的网络基准时间就可以保障微秒级的用户延时,至少提高1000倍。


将来5G移动网络时空基准的精准度一经提高,在科学、医疗、工业控制上将带来新变革。远程指挥外科手术能更加精准、工业控制中的自动控制生产线也能更加精密。


现代制造业和其运营管控服务呈现全球分布态势,若要将散落在全球各地的产品生产环节运管服一体化发展,需要精准的全球时间和位置同步或协同控制。由此,时间、空间是将来高新技术提高经济发展质量的一个最重要的新的抓手。


出行一客:咱们智能驾驶对安全的要求比较高,高精地图和车载传感器相比,哪个更能够保证行驶安全?


刘经南:这两者各有各的功能,缺一不可。高精地图作为一个行车环境信息基底,承载基础性兜底的功能:所有的信息虽独立承担自己的任务,但最后都表达在高精地图上,通过它来实现来自车辆自身传感器的信息、来自车联网车路人协同的场景变化信息和来自车联网云服务器中的行车区段众源信息等,都将通过高精地图融合和协同,然后按车速车况和场景安全性的轻重缓急集中决策和调控,以实现安全、舒适、便捷的行车智能服务。


车配传感器观察到的环境变化可能是实时的变化,而这个变化是通过与正在使用的高精地图场景匹配后才能发现的,由高精地图决策将捕捉到的变化及时上传到云上交互,也要通过路边车联网通信节点送到云端,由云端验证确认后以群发方式提供此新信息给其他用户,从而真正实现车路人的协同、车车协同以及车与人的协同交互,来实现道路行车的整体安全。如若路边的限速、转弯指示牌倒了,智能网联汽车将此信息经由高精地图匹配判断,地图将依据静态信息坐标即时调出弯道半径等相关信息控制车辆,汽车将在规定地点自动采取降速、转向等一连串控制指令。


同时,高精地图作为最终的基底型保证机制,能在传感器或其他设备失能的情况下实现控制能力。从这个意义上讲,高精地图是一个不可或缺的自动驾驶的基础设施。


自动驾驶的中国方案里也有北斗


受访者供图


出行一客:5G+北斗是技术融合,武汉有哪些具体的研究内容?


刘经南:“5G+北斗”是我在武汉最先提出来的,这在技术上是一个融合创新。5G与北斗同属高新技术,两者相互融合、彼此赋能。北斗将时空信息赋能给通信基础设施,而通信基础设施利用其高速传输特质,可以把北斗的信息传得更快、传的更好。时空关系是处理智能问题最重要的依据,什么时间,什么地点,解决什么问题,这就是智能。什么叫精准?空间、时间、位置的精准。两者缺一不可,方能实现精准扶贫、精准医疗等对人类幸福产生裨益的举措。


提到武汉,其实武汉很早就提出以搭建智能车辆测试场的方式促进智能汽车的发展和推广应用,设计利用5G+北斗架构在武汉经开区做测试场,几经疫情等多种波折,目前已正式开工。


5G+北斗的概念推广得很快,国内最早是移动、联通等5G牌照公司入场,中国移动与我们合作于2018年就已经在全国做了4000多个5G+北斗的地基增强基准站,开展道路行车精准位置识别服务和道路灾害的预测预警。此后,5G+北斗开始被应用于各个领域,铁道要建自己的5G+北斗架构提升列车控制水平,公路也要做车联网,以期实现车与路的协同、车与人的协同、车与车的协同。


出行一客:您是否认为只有利用高精地图才能实现车路协同?


刘经南:在自动驾驶的几种概念里,最先被提出的是单车智能,由特斯拉的马斯克首创。他说:我的自动驾驶车有两个摄像机即可以代替人的眼睛,我的人工智能技术也很强,可完全实现单车智能。但特斯拉的自动驾驶车在美国、欧洲、中国出的事故出都很多,造成不少人员伤亡。


单车智能对传感器性能质量要求非常高,不仅价格高昂,由于外界环境因素的变化干扰,即使加上毫米波雷达、激光雷达或超声波雷达等场景感知设备也还难以满足安全刚需,超声波只满足近距离需求,激光雷达易受雨雾、烟雾干扰失效,毫米波雷达精度和可观察距离受到限制,全配上也难以在各种场景下保证车辆安全。因此,即使在美国,现在人们也都主张应该加上车联网,解决所谓V2X问题,即车、路、人与环境协同问题。


中国方案提出:不要把高昂负担全放在车上,而是交给公共基础设施,让道路感知+5G+北斗成为路侧感知体系,感知车辆运行也感知周边的环境,并将这些信息汇总于云上向用户发播。这样,车联网就像有“上帝之眼”一样,及时向用户提供他们感知不到的信息,来支持其行车的主动安全。


5G+北斗甚至能感知道路面上精准的气象变化,依托此技术,我们对道路下雨边界距离的预测误差不超过两三米,时间误差不超过两三分钟,下雨量会精确到两三个毫米,那就不会发生去年郑州暴雨那样的灾难了。


这种全方位、高精度的环境气象预测,源自于北斗较强的感知大气中水汽含量的能力:卫星数据含有每条电波射线弯直程度随大气中水汽含量多少和三维位置变化的关系,从而能精准预测预报气象进而保障汽车行驶安全。这种路侧基础设施,减轻了车子的负担,也就解决了用户的负担,当然,这种北斗+5G精准气象预测预报仍有许多难点需要我们去攻克。


(感谢高柯夫对专访的大力支持与帮助)

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