本文选自《地理信息产业蓝皮书·中国地理信息产业发展报告（2023）》
时空位置信息是一切经济社会活动规划、决策、管理和运控的基础。北斗卫星导航系统（以下简称北斗）作为时空信息基础设施，既能与多种通信、导航、遥感技术相互赋能、一体化融合，也能为未来其他新型基础设施提供时空数据支撑，成为实现区域乃至全球智能规划、决策和协同控制的基础（刘经南 等，2020），是数字中国的基中之基。2023年2月，中共中央、国务院印发的《数字中国建设整体布局规划》指出，要夯实数字基础设施和数据资源体系“两大基础”，推动数字技术和实体经济深度融合，大力推进北斗在农业、工业、金融、交通、能源、教育、医疗等重点领域的规模应用。目前的北斗三号系统，服务功能和性能均已达到国际一流水平，定位精度国际专业界公认已超过全球定位系统（GPS），正在迈入国际化、规模化应用关键阶段。北斗与第五代移动通信技术（5G）、互联网、物联网、大数据、人工智能等技术加速融合，成为把时空智能赋给数字经济及其他行业和领域的新型基础设施，也是新型基础设施建设（以下简称新基建）中信息基础设施、融合基础设施和创新基础设施建设的的重要技术支撑。在国民经济诸多领域的应用不断催生出新模式、新业态，形成具有广阔前景的数字经济，必将成为有力推动国内、国际双循环新发展的重要引擎。中国卫星定位协会发布的《2023中国卫星导航与位置服务产业发展白皮书》显示，2022年我国卫星导航与位置服务产业总体产值达到5007亿元人民币，较2021年增长6.76％。2023年4月底发布的文件《北斗卫星导航系统建设与发展》提出，预计到“十四五”末期，我国卫星导航位置与服务产业总体产值翻一番，突破万亿元大关，全球市场份额翻两番，将使导航与位置服务产业成为继互联网、移动通信之后发展最快的新兴信息产业。随着人工智能等信息技术的发展，导航与位置服务也正在迈入智能时代。时空智能服务更加聚焦于自动驾驶汽车、无人机、机器人等智能无人系统；而且，多源传感器的数据融合使得传统定位导航方法向着数据智能、时空智能与模型共同驱动的人工智能方向迈进，更加泛在、融合和智能的导航需求也推动着类脑导航等新型导航理论的快速发展，催生世界从信息互联到时空位置互联，将更加深刻地影响和改变人们的生产和生活方式，并带动形成数十万亿元规模的时空信息服务市场，产业发展前景十分广阔。（一）自然智能
自然界生命体趋利避害的行为能力即智能，智能随生物进化并内化为基因可传承，可称为自然智能。自然智能是地球自然界进化出来的生命体所具有改变自然界的能力。即自然界的物质、能量互相作用，从无机到有机，在一定的物质、能量和信息推动条件下，进化出有新陈代谢功能的生命体后，所产生的适应环境和改变环境以更有利生存和群体壮大的能力。定位、导航、授时（PNT）是人类在长期感知、认知地球资源环境、宇宙星空变化与人类生存的关系后，产生的与自然界、经济、社会活动密切相关的时空位置概念，也是生物为获取地球上物质、能量和信息经过亿万年进化出的感知、认知与时空位置相关的智能。目前人工智能（AI）很大部分为机器智能，但自然界的动物、植物如何感知方位，如何找到有用的资源，如何定位、授时，其实是属于自然智能的范畴。从自然智能出发，人工智能也可定义为：人们学习、探索、研究和模仿自然界生物的多样性智能并将它模型化，据需求或目的赋给人自身、机器和环境，使其增强或产生改变自我与环境的能力（刘经南 等，2022）。（二）时空智能
时空智能是一种生命体感知、认知与生存相关的环境场景、时空位置关系并参与生命体趋利避害决策和行为的自然智能，包括定位、导航和授时等能力，简称为PNT智能，具备环境和目标感知、认知、决策、环境改造和调控自我行为的能力。时空智能的感知基础是某些生命体通过自身主动发射声波或电磁波信号探测外界物质、能量时空位置的能力，或被动接收外界物质、能量发出的声波、电磁波、气味等感知其位置方位的能力。如哺乳类、鸟类等认知时空位置的基础是，它们脑中记忆学习何时何处感知到对象的时空位置细胞——含位置、网格、方位、时间和速度等不同时空特性的神经细胞，从而构建出环境认知地图。迁徙性动物包括早期人猿科动物，为在跨区域环境中寻找最有益于自身需求的生存资源而进化出各有特色的PNT能力，即时空智能(或称PNT智能)，以适应迁徙、觅食或繁殖。时空智能是生命体探测生存环境中的所有可供使用资源的时空位置以满足生存需求而进化出的自然智能，即非根植性生命体因生存而进化出的感知和认知环境中适合生存的区域的时空位置智能，包括定位、导航和授时等能力的感知、认知、决策和改造环境和调控自我行为的能力。时空智能是人类重要的认知环境、地球乃至宇宙的智能基础，也可以说是体现在生命体上最高级别的智能之一，开展自然信号和生物PNT智能的基础研究和技术攻关是未来智能PNT技术和构建的制高点、突破点。当前，时空智能许多感知机理和认知模式将成为自然智能研究的新热点，不仅满足各种实际应用场景的迫切需求，如深空深海、沙漠森林等恶劣、隐蔽场景感知和目标探测，医院和餐厅动态障碍物密集时的避障，还可提供时空智能服务新模式，驱动智能环境感知器件和算法研究，突破当前PNT技术的认知，发掘更多自然时空智能机理并构建出相对应的理论模型和技术实现路线。如主动或被动式PNT智能感知器件、认知算法，相应地与边缘计算控制器、可穿戴设备、空间极端环境感知设备等实现融合创新，这将带来巨大的时空智能全球应用发展机遇。（三）智能PNT
基于北斗的PNT技术是人类学习PNT智能后，用电磁波代替自然界天文定位的恒星信号构建的PNT基础设施，本身也需要靠智能技术赋能使其建设、运维、管理智慧化。智能PNT，又称智能时空位置服务技术，以时空智能的实现为核心目标，以类脑和仿生时空智能技术、人工智能技术为核心手段，从时空感知、认知、规划、决策、交互等角度完成更加符合时空智能特性的新型智能发展范式（刘经南 等，2022）。从用户角度来说，一般采用只收不发的终端被动感知模型实现PNT智能应用，将PNT生物智能赋予人自身、机器和环境，让其拥有或者增强PNT智能优势。该技术应用领域可分为增强人自身PNT智能、赋能公共服务的基础设施、赋能行业应用等三类。融合地基或天基通信在区域、广域乃至全球范围感知精确时空位置信息，在各行业领域实现符合需求的智能PNT应用技术，涉及地理信息技术、地球遥感技术、地球及太空定位、导航、授时、守时和时间同步技术等领域。（四）综合PNT时空基础设施及时空技术
国家“十四五”规划在基础设施建设中明确提出要“大力推进北斗规模应用”，北斗本身就是为亿万级用户提供规模化各类应用的时空基础设施，其优势包括：（1）功能多，即为全球唯一的集通导遥及搜救功能于一体的卫星导航系统；（2）技术特，即融全球和区域星座于一体，融星地和星间双向通信功能于一体；（3）精度高，即除提供5米的精度定位和20纳秒的授时标准服务外，还有米级的广域差分和分米级的精密单点定位星基增强，以及厘米和毫米级定位、纳秒级时间同步地基增强服务，是全球唯一的在一个体系中，同时提供星座标准服务、天基广域增强、天基精密单点增强、地基增强PNT服务的导航系统。北斗下一代的时空信息基础设施，以国家主席习近平提出的“2035年前还将建设完善更加泛在、更加融合、更加智能的综合时空体系”为目标，如图1所示。其中，“更加泛在”指卫星导航系统在室内、水下、地下、深空、网络等特殊环境应用受限，需要进一步统筹综合PNT体系设计；“更加融合”指受限于技术水平和管理体制，各PNT增强手段基本相对独立使用，需要进一步充分发挥“北斗+”融合应用功效；“更加智能”则指复杂应用条件下难以获得高可信、高可用、高精度导航定位服务，需要进一步拓展智能PNT新技术，以提升自主导航的安全性和智能性。
PNT体系是产生海量时空信息和时空数据基础设施，通过“北斗+技术”和“北斗+行业”赋予行业或技术时空智能，将朝着为构建全球性乃至未来太空探测体系提供时空位置基础设施服务的阶段发展。（五）时空数据与时空信息
时空数据，是以符号、图形、图像、语音、数字等形式表示时空特征和现象之间关系的数据。其中，空间数据包括各种定位坐标、属性，如居民地道路河流等，特征如面积、体积、重量、高差、距离等；时间数据包括时间特征数据，如年月日、时分秒，属性数据如时区、太阳时，原子时等；时空数据则包括同时带有时间和空间信息的数据，来自于对物理世界的自然要素、人工要素、人文要素等进行的数字化感知和采集，准确刻画各类要素的位置、属性、功能等特征，从而为数字经济、数字孪生等提供数据支撑。时空信息，即带有空间时间特征属性的事物、事件、事态和目标的感知、认知信息。其中，空间信息包括远近、长短、高低，方位、斜向、侧向和垂向角度，区域，以及它们变化或规律的语义；时间信息包括古往今来、早晚、快慢、时间长短，事物、事件、事态过程及其变化或规律的语义；时空信息则包括：事物、事件、事态变化中的时空关系变化，如速度、加速度、动量、动能等语义信息。时空信息本身也属一类时空数据。时空技术、时空信息和时空数据都是可赋给任何缺失时空属性的数据以时空位置特征的，这使得从数据中寻找事物本质和规律更加容易，即给数据智能添加了时空智能的翅膀，从而达到物理世界和数字世界的精准映射，实现基于时空的感知、计算和协同。新型冠状病毒感染疫情期间，各地快速建设精准疫情防控系统，通过实时动态人口流动大数据与城市地理结构，有效预测研判疫情扩散、传播浓度和生活经济影响等要素。同时，将北斗双向报文通信、定位导航及其与移动通信及位置服务集成用于救灾及疫情管控，研究建立全国多领域位置服务一张图、短信服务一张网的国家级灾情疫情防控应急服务体系，实现调度统一、区域协同、多级联动的应急调度指挥服务平台，完善突发重特大灾害和公共卫生事件分级、分层、分流的救治机制，实现救援流、伤病流、物质流、资金流、药品流有序协同、统一调度，支撑跨区域、跨部门的应急联合调度与指挥，这类应用和研究大力推动了时空智能的技术发展。根据2016年二十国集团领导人第十一次峰会（G20杭州峰会）倡议给出的定义，数字经济是继农业经济、工业经济之后的更高级经济阶段，其指以使用数字化的知识和信息作为关键生产要素、以现代信息网络作为重要载体、以信息通信技术的有效使用作为效率提升和经济结构优化的重要推动力的一系列经济活动。在数字经济中，数据成为关键生产要素，因此具有价值，成为推动经济发展的创新动力。只要有人的活动，数据的生产就是无穷尽的，数据成为未来企业间和国家间竞争的核心资产。数字基础设施成为新型基础设施，数字经济与传统电网、公路网、铁路网等基础设施深度融合，通过技术推进，正在形成万物互联、泛在感知、空天一体的智能化综合信息基础设施，极大提升了经济活动的运行效率。2020年4月，国家发展和改革委员会界定“新基建”内涵与目标：以新发展理念为引领，以技术创新为驱动，以信息网络为基础，面向高质量发展需要，提供数字转型、智能升级、融合创新等服务的基础设施，包含信息基础设施、融合基础设施和创新基础设施等三类基础设施。以北斗为代表的全球卫星导航系统（GNSS）作为全球性、高精度时空基准，其高精度导航增强技术可为移动通信网、互联网赋能，给移动信息在网上瞬时位置定位，定其去向和瞬时流速，还能使移动互联网具有室内外定位无缝化、一体化功能，满足全时域、全空域定位的新型数字基础设施建设需求。因此，北斗作为时空智能的关键信息基础设施，对于其他新型基础设施的赋能作用，将派生出各种融合创新应用需求的新机遇。以数字经济为代表的智慧经济，比如共享经济、非场所经济等，就是创意、创新、创造、创业经济，是创新性知识在产业经济中占主导、创意产业成为龙头的知识经济形态，包含智慧城市、智能交通、智慧农业、智慧医疗、智慧能源等，这些都极大地依赖于时间和空间位置信息的智能化获取。
卫星导航定位技术利用导航卫星作为空间位置和时间基准，替代自然界的北斗等星座，通过卫星发射的无线电信号替代恒星发出的光信号，为地球表面、海洋及近地空间的用户提供全天时、全天候的空间位置和时间信息。当前，全球卫星导航系统包括具有全球导航定位能力的GPS、GLONASS、Galileo和北斗，已按联合国太空委要求共同签署协议，形成多系统信号相互兼容和互操作的局面。因北斗具有赋予其他新型基础设施精确时间和空间位置的能力，而什么地点、什么时间、解决什么问题正是实现智能的核心和关键，因此，北斗不仅是国家时空基准和信息基础设施，而且也是智能时代国家关键的智能基础设施。（一）时空智能赋能数字经济需求分析
北斗时空智能服务掌握重要的海量时空信息流，例如：卫星定位基准站网络服务，提供价值度高的精确流式数据的基础服务；交通流位置服务，提供交通流量，信息及瞬态变化；人流位置服务，反演个体、群体行为和迁徙时空规律；物流位置服务，对商品生产、运输、存储及销售全过程、全时空物流监控；信息流位置服务，通过捕捉特定信息流以掌握其在网络主节点、支节点及服务器上的位置、时间；资金流位置服务，全球性不同金融系统的资金交易监控，通过北斗等GNSS的纳秒级精度授时，实现资金流进、流出点的时间同步。以上的流式数据承载着最有价值的涉及经济、社会、文化、国家和个人的地理信息和时空位置信息，即在数据智能基础上赋予时空智能。新基建的价值就更多地体现在信息流和知识流“赋能”在各类主体上，而“赋能”的本质在于提供智能工具和科学决策，与更多现实需求场景融合创新，快速提升相应的治理水平。因此，在北斗的辅助下，时空智能成为满足数字经济时空需求的研究热点，包括以下几个方面：（1）陆海及高空、深空环境下运行的各种交通工具（包括车辆、船舶和飞机等载体）的智能PNT需求，其特点是场景变化多、需求量大、服务面广；（2）大型公共建筑室内、地下和矿井下的智能PNT需求，其特点是需要非卫星信号的新型时空信息基础设施（如5G、物联网等）提供服务；（3）涉及区域、城市、乡村建设发展和管理治理的智能PNT需求，其特点是需要通信网络与PNT设施高度融合，为国家、社会、大众提供智能PNT服务；（4）涉及国家大型基础设施（包括空天和安全应急的基础设施，如铁路、公路、桥梁、隧道、大坝、电网、油气管廊和空天设施等）的智能PNT需求，其特点是满足从设计、建造到运维、管理全生命周期的智能PNT服务需求。（二）时空智能赋能数字经济的方式之一：泛在测绘
泛在测绘本身即探寻人与环境资源关系及其瞬态变化，识别与环境资源的位置、方位和时间相关的信息，通过绘成不同形态的三维动态地图，向社会发布，即为探求适宜生存和发展的方式，使社会能够在其中感知、认知或推断出环境中物质、能量和信息及其时空位置与自身及生态的关系（刘经南 等，2020），从而作出经济发展模式的调控。智能化泛在测绘结合5G、大数据、云计算、物联网等新兴技术，通过泛在测绘和定位、导航、授时等技术将时空智能赋予人自身、机器和环境，使三者拥有或者增强时空智能优势，有助于促进形成增强人自身PNT智能、赋能行业应用、赋能公共服务的基础设施。相比于传统测绘技术，智能泛在测绘将传统测绘技术转向人的智能化实时感知、认知技术，即测绘能随时、无缝智能化感知、认知环境，发现环境中的问题，并能够提供完整过程链的解决方案，这是智能时空技术的核心。当下，智能化泛在测绘可以实现动态获取、实时感知，甚至拥有融合人工智能技术和数据智能，提供解决方案和相应服务的能力。（三）时空智能赋能自动驾驶
人类基础生存行为“衣食住行”中的“行”，是人类实现“衣食住”生存和发展最基本的需求。当下，国内智能网联汽车快速发展，中国占据全球约三分之一的市场份额，2023年1-4月新能源汽车出口全球第一，已成为我国汽车产业的一大亮点。作为全球最大的锂电池生产国，中国在电动车生产领域占据优势，但全球宏观经济形势和动力电池原材料价格等不确定性因素，可能动摇中国在电动车电池领域的主导地位。中国电动车的长期发展必将依赖出口市场，尤其是东南亚、中东和非洲等发展中国家市场的壮大，需要全球性的交通新基建做支撑，才能更好地服务“一带一路”地区，从而走向世界。因此，智能网联水平和全球性时空服务能力决定了中国车“出海”的发展上限。要实现完全自动化、智能化、舒适化的出行，就是要对与道路、车辆、人及环境相关的位置数据进行全面感知(实现人、车、路、环境全面互联)，对每一条道路进行交通全时空管控，对每一辆汽车进行交通运行全过程管控(进路控制、运行控制、出路控制、安全控制)，如图2所示。因此，自动驾驶最能体现如何应用时空智能来解决交通和资源环境的智能感知、认知和智慧决策管控问题。
自动驾驶的核心就是建立具有智能精准控制的车联网和智能网联汽车，需要一系列公共基础设施去提供技术支持和出行服务，包括：（1）智能网联汽车，车况传感网和车况信息处理中心（车内网）；（2）车联网，路况传感网和汽车移动物联网信息处理中心（车际网）；（3）高精地图，交通资源全时空实时感知的载体和交通工具全过程运行管控的依据。有智能精准控制的车联网就是一个提供精准时空位置服务的信息物理系统（CPS）网络，远程时空位置精准协同控制是其必备需求。北斗作为全球性、高精度时空位置服务基础设施，能给移动互联网赋能，也能给在网上路由器、服务器等节点间流动的信息定位，定其去向和节点间平均流速，还能使5G移动互联网具有室内外定位无缝化一体化功能，恰好满足全时域、全空域定位的交通新基建需求。通过构建5G网络的节点（包括基站、路由、网关、服务器等）的高精度时空体系，就可达到车联网的时空位置信息可量测、可计算、可溯源、可调控，从而实现区域、广域、乃至全球的智能规划、决策、协同控制（Liu et al,2020）。基于“北斗+5G”的泛在测绘能力就是人类定位、导航、感知时间的智能基于现代技术的延伸，既代表着智能时代实现区域、广域乃至全球精确感知时空事件和目标信息的新型关键基础设施，也代表着实现支持广域和全球性智能协同控制的赋能技术。特别是，北斗有星间和星地双向通信，还有目前在亚太地区、未来可扩展至全球使用的亚分米、10纳秒级星基精密单点定位(PPP-B2b)服务，可直接对智能网联汽车和车联网定位、测时，这将派生出各种自动驾驶和交通设施融合创新应用的新机遇。2023年2月，由国内企业发起的“北斗出行应用创新计划”启动，以“车道级导航”为代表的北斗创新应用将从当前的8个试点城市向全国普及。该计划还包括基于北斗核心算力打造的动态红绿灯倒计时、等灯状态等功能，是“北斗+智能网联汽车”融合创新交通新基建的又一实例。此外，共享出行、绿色出行是未来出行的重要特征，在出行即服务（MaaS）理念（刘经南 等，2017）的指导下，基于时空智能技术的一站式出行交通服务体系与平台，将实现多模态交通模式的兼容互操作，提供透明、泛在、可信、随动、无缝、智能的出行服务体验，形成和谐普惠、畅通互融、环保可持续的大交通生态，从而提升民众和社会在交通领域的“获得感”。通过“北斗+智能网联汽车”实现智慧出行、自动驾驶监测，打造智慧交通城市标杆，从而推动与各行各业信息化、智能化建设的应用融合与产业协同，构建智慧城市新格局，实现智慧交通与智慧城市的“双智”协同发展。时空智能赋能电力网、铁路网、水利网、水运网、油气能源网、金融信息网等设施，除需求和目标不同外，其赋能方式和融合模式，在本质上都与前面所述类似，本文不再赘述。而智慧农业、智慧城市就是上述网络的叠加与融合，同样需要GNSS的时空智能和时空技术赋能，才能实现高质量、智能化的发展目标，促进数字经济和智能经济的融合与统一。这一过程必将带动形成数十万亿规模的时空信息服务市场，产业发展前景广阔。
GNSS为地球及其邻近时空域提供了感知任何物质、能量、信息（自然的、社会的、经济的事件、活动与目标）的PNT技术，是自然界PNT生物智能的延伸，是解决物质、能量、信息运动运行的总钥匙，是数字经济时代、智能经济时代的基础设施。时空智能技术是一种赋能技术，将感知精确时间和位置的能力赋予其他行业或技术，助力数字经济各行业、领域从数字化到智能化的升级转型和高质量发展，当前最重要的是满足各行各业的时空智能需求和解决最后几米、几分米、几厘米甚至是几毫米或几纳秒的时空精度落地问题。要充分发挥好北斗的通导遥一体的精准时空基准优势，朝着国家主席习近平提出的“2035年前还将建设完善更加泛在、更加融合、更加智能的综合时空体系”这一目标迈进。刘经南, 高柯夫，2017. 智能时代测绘与位置服务领域的挑战与机遇[J]. 武汉大学学报(信息科学版), 42(11): 1506-1517.刘经南, 郭文飞, 郭迟，等，2020 . 智能时代泛在测绘的再思考[J]. 测绘学报, 49(4): 403-414.刘经南, 罗亚荣, 郭迟, 等，2022. PNT智能与智能PNT[J]. 测绘学报，51(6)：811-828.LIU J N, Gao K F , Guo W F , et al,2020. Role, path, and vision of “5G+ BDS/GNSS”[J]. Satell Navig , 1(1):23.
本文选自《地理信息产业蓝皮书·中国地理信息产业发展报告（2023）》
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