通导一体化概念框架与关键技术研究进展

通导一体化概念框架与关键技术研究进展

蔚保国1,2，鲍亚川1,2，杨梦焕1,2，李建佳1,2，崔宋祚1,2

(1.卫星导航系统与装备技术国家重点实验室，石家庄 050081；2.中国电子科技集团公司第五十四研究所，石家庄 050081)

摘 要：通导一体化是综合PNT体系发展的重要组成部分和关键方向。对通信导航一体化的概念进行了探讨，提出了通信导航弹性融合的概念框架。面向综合PNT体系需求，设计了通导一体网络化PNT系统架构，阐述了通导一体化关键技术的研究进展，从通导一体化信号、信道、接收处理、网络架构、网络管理等多个角度进行了全面系统的梳理和分析；介绍了低轨通导融合、区域自组网通导融合、5G+UWB协同等典型成果，并对网信场图、智能网管、博弈对抗等通导一体化技术未来发展方向进行了展望。

关键词：通导一体化；综合PNT；研究进展；概念框架

引 言

卫星导航系统能够提供全球覆盖、低成本、高精度时空服务，一经问世便在全球范围内得到了广泛应用，已经成为国际时空信息服务的基础和核心。但是卫星导航系统也存在其固有问题。中高轨卫星播发的导航信号经过数万千米传输，落地电平低，容易受到树木、建筑物遮挡，也容易受到其他通信系统甚至恶意干扰的影响。尽管通过信号、系统、接收机等方面优化和改进可以提升复杂环境下卫星导航服务能力，但无法从根本上解决问题，室内地下无法有效覆盖，城市峡谷遮挡区域也难以提供连续、可靠、高精度的导航服务。

以卫星导航系统为核心，辅以其他手段，提供覆盖更广、精度更高、更加稳健的时空服务，成为当前国际时空技术领域的共识。通信导航一体化就是核心手段之一，得益于通信极其广泛的覆盖性及日益增强的信息传输能力，依托通信网络对卫星导航系统进行补充、备份和增强，展现出显著的协同优势。2020年，随着北斗三号全球卫星导航系统建成并投入使用，我国初步建立了完全自主可控的全球时空服务基础设施。面向未来应用发展需求，提出了2035年前构建更加泛在、融合、智能的国家综合定位导航与授时(Positioning Navigation and Timing，PNT)体系的发展目标[1]。北斗+5G、北斗+低轨、北斗+物联网等通导一体技术作为综合PNT体系[2]的重要组成部分，成为了该领域研究的热点方向。

通导一体化是指通信和导航系统通过信号、信息、平台、网络等多层次的一体化设计，实现通信导航业务能力的协同与增强，其技术内涵横跨了通信、导航两大领域方向，属于交叉学科范畴。

根据融合程度由浅入深，通导一体化可划分为信息增强、信号协同、体制融合三个层次。

信息增强是指通信导航系统保持各自基本体制不变，打通通信与导航系统的信息交互接口，实现服务能力的互增强。导航系统利用通信传输的增强信息，实现精度、抗干扰能力等性能提升；通信系统利用导航定位信息辅助优化组网，提升通信性能。目前辅助式全球卫星导航系统(Assisted Global Navigation Satellite System，A-GNSS)即属于此类融合应用。

信号协同是指直接利用通信信号进行导航定位授时，或者利用导航信号进行信息传输，从而实现通信导航系统在功能上的相互备份。目前广泛开展的基于Wi-Fi、蓝牙、超宽带(Ultra-Wideband，UWB)等通信系统的定位技术研究就属于这一范畴。

体制融合是指在系统设计研发之初，即同步考虑了通信导航需求，进行了通信导航信号体制的一体化设计，进而研制出兼具通信导航能力的系统设备，提供通导一体化服务。4G/5G移动系统设计了定位参考信号，就属于此类范畴。

通导一体化的主体对象包括相互独立的通信与导航协同系统和体制融合的通导一体系统。前者主要以北斗系统与移动通信网络、低轨卫星通信系统的协同应用为典型代表。

北斗与移动通信网络的协同，一方面是室外用信息辅助北斗精度增强，为大众及行业应用提供亚米级、分米级、厘米级甚至毫米级高精度定位；另一方面，室内用通导一体信号补充北斗盲区，解决在城市楼宇、室内地下等北斗无法覆盖区域的连续无缝定位覆盖问题。

北斗与低轨卫星通信系统的协同，利用低轨卫星通信系统信号落地电平高、几何构型变化快、覆盖范围广的特点，一方面可直接播发导航信号，与北斗系统联合定位，实现更好的导航信号覆盖性；另一方面，通过通信链路传输辅助信息，可实现全球范围的快速亚米级定位。

体制融合的通导一体系统也在快速发展中。典型代表是面向群体导航的区域自组网通导融合系统，这类系统基于通导一体化的信号、组网协议与系统架构设计，无需基站网络即可实现互为主体的相对定位、群组智能导航以及通信能力，可为未来智能化无人集群提供灵活有力的时空和通信保障。

通导一体化系统的核心是基于通信导航融合设计与协同应用形成新质服务能力，因此相较于传统的导航系统，其系统组成要素更为多样化，各类要素的多样化组合也是其显著性差异。

从资源、模式、服务等不同维度对通导一体化系统进行系统要素梳理，如图1所示。资源要素主要包括频谱、能量、平台、时空、网络等与各类通信导航设计与能力有关的物理资源；模式要素包括信号一体、信道一体、处理一体、应用一体等通导一体化融合模式设计；服务要素，即通导一体实现的各类网络化增强服务，包括智能位置服务、群体导航服务、网络同步服务等。

图1 通信导航一体化系统要素

Fig.1 Models and elements of communication and navigation integration

通导一体化系统要素的组合方式以及协同融合的目标途径，将以通导一体化新质能力为导向：

从定位能力走向位置服务能力，需要通导融合拓展智能服务；

从高精度能力走向高可用能力，需要通导融合拓展可用度服务；

从个体绝对定位能力走向群体绝对-相对导航能力，需要通导融合拓展群体导航服务；

从卫导授时能力走向网络同步能力，需要通导融合拓展网络同步服务；

从规则驱动走向时空驱动，需要通导融合拓展服务网络管控新模式。

通导一体化五大新质能力的构建，将引领时空信息系统及服务模式朝向网络化、智能化演进，最终提供大容量高并发高精度实时可信位置服务。

通导一体化的基本思想是弹性融合，即通信导航资源灵活组合，实现适应不同场景、满足不同需求的通信导航协同增值服务。通信导航弹性融合包含以下三层含义：

通信导航资源能量分配弹性，在通信资源与导航资源配置之间寻求最优组合效果，在通导一体化能量分配方面寻求动态平衡；

通导一体化服务能力弹性，通信导航系统通过资源灵活配置，实现能力互补与协同增强，通信导航服务能力可以按需调整，以适应各类环境;

通导一体化网络重构弹性，通信导航系统互联互通，采用互为主体、分布式网络化系统架构，支持网络组成、架构、拓扑灵活调整，实现网络坚韧抗毁。

要实现通导一体化弹性融合需要从融合设计、新型技术以及服务架构等方面寻求突破。如图2所示，融合设计包括进行通信导航信号级、信道级、处理级、应用级、管理级的深度融合；新型技术包括通导融合网络中亟待突破的智能位置服务、高可用导航、网络时间同步以及智能网管等；服务机制包括通导融合网络构建中不可或缺的服务参数模板、标准化协议栈以及云平台级服务等手段。

图2 通导一体化融合途径

Fig.2 Path of communication and navigation integration

通信导航弹性融合架构是通过灵活高效的体系架构、服务模式、应用协议设计，实现通信导航系统资源的动态组合；面向高性能/高精度时空服务需求，通信导航协同赋能，实现时空服务指标精度提升；面向恶劣或强对抗环境，通信导航相互支撑、互为备份，提供高可靠的时空与通信服务，最终形成按需弹性伸缩、环境自主适应的互联互增强网络化时空服务能力。图3所示为以北斗三号为核心的通信导航弹性融合框架。

图3 通信导航弹性融合框架

Fig.3 Flexible integration of communication and navigation

这一架构的核心在于多模组网、统一基准、标准协议、弹性服务。综合考虑天基、地基各类通信导航系统，在统一的时空基准支持下，基于多样化的标准协议，形成一系列适应于不同环境需求的弹性PNT服务和弹性通信服务能力。

通导一体化技术的演进表现为时空服务体系的演进。如图4所示，通导一体网络化时空服务体系由天地联合时间基准、通导一体化协同增强PNT、云端协同PNT服务监测、PNT按需服务协议及机制组成。以弹性通信与弹性导航服务为牵引，将通信与导航、感知网络紧密协同，解决时空基准统一维持、PNT信息统一表达、全网信息互联互通协议、多源天地融合增强等科学问题，将可形成泛在化、协同化、智能化PNT信息服务网络体系，提供新质的体系级时空服务能力，主要有以下几个方面：

图4 通导一体网络化时空服务体系

Fig.4 Communication and navigation integrated time-space service system

1) 网络化时空基准建立与维持能力，实现网络化无中心基准建立、维持与传递；

2) PNT服务的网络化传递，支持PNT资源协同、调度，实现按需服务；

3) PNT能力网络化增强，基于内生于网信体系的时空服务机制设计，实现更加泛在、智能的PNT服务能力；

4) PNT安全网络化保障，设计云端协同的PNT监测感知与可信机制，实现更加安全可靠的PNT服务。

通导一体化作为前沿交叉融合领域技术，受到学术界和工业界的广泛重视。基于信息系统研发的流程要素考虑，目前通导一体化研究包括通导一体化信号设计、通导一体化信道模型、通导一体化信号处理、通导一体化网络架构、通导一体化网络管理等多个方面。

4.1 通导一体化信号设计

随着通信与导航定位技术的发展迭代，两者之间的耦合关系不仅要满足于系统层面，还要实现通信导航弹性融合，信号的高效兼容设计是基础中的基础。在信号体制上的通信与定位一体化设计逐渐成为当下研究的热点。国内外学者针对通导融合信号体制设计做了大量研究，主要包括基于移动通信及其他通信系统的信号设计。表1对通导一体化信号设计领域的相关文献进行了归纳和总结。

表1 通导一体化信号文献归纳和总结

Tab.1 Classification and summary of the literatures on integrated communication and navigation signal

基于移动通信网的信号设计研究方向主要分为5G定位参考信号(Positioning Reference Signal，PRS)与时分码分正交频分复用(Time division Code division Orthogonal Frequency Division Multiplexing，TC-OFDM)两种。5G标准中定义了数种参考信号，其中包括专门用于定位的PRS[3]，其商用定位精度达到亚米级。已有大量文献对PRS的参数配置原则进行了研究，包括对不同梳状结构、中心频率、子载波间隔等性能的仿真对比，以及对定位精度克拉美罗下界的分析[4-6]。G.Destino等[7]提出了一种基于贪婪搜索的PRS小区或波束选择算法，以提高OTDOA的定位估计精度；H.J.Kim等[8]提出了一种适用于多PRS传输的量化误差减小方法，该方法采用新型采样结构，比传统PRS具有更高分辨率。TC-OFDM信号则由北京邮电大学邓中亮[9]团队提出，在通信信号背景噪声中嵌入定位信号，通信的同时实现定位信号的连续捕获和跟踪。王如霞等[10]提出了一套定位信号性能评估方法，针对TC-OFDM通导融合信号体制中的定位信号，从捕获跟踪精度、抗干扰、兼容性等方面进行评估。孙世华[11]提出了基于博弈论的功率分配算法，实现了TC-OFDM信号在废墟环境下定位性能的提高。

除了基于移动通信网的通导融合信号体制设计，国内外学者还对基于其他通信系统的通导融合信号设计进行了研究。冯奇[12]提出了基于向量正交频分复用信号，将一个码间干扰信道划分为多个向量子信道，其向量维数可以灵活设计，实现了卫星系统的通信与导航一体化。宋诗斌[13]结合X射线脉冲导航和X射线通信两种技术优势，提出了X射线导航通信一体化信号，为深空探测提供了高性能的通信与导航服务。L.Han等[14]针对物联网终端定位需求的差异性，通过非正交多址接入技术将不同时长和带宽的共频带定位信号分配给不同用户，实现了通信与定位性能的最大化。许笑笑[15]提出了基于扩频调制的通信导航一体化波形设计，并对通信与导航分量的相互影响进行了评估。刘江[16]从信号调制的角度研究通信导航信号的融合方法，提出了一种频域复合OFDM调制方法，将扩频序列应用于频域调制，并与通信系统中的OFDM相结合，从而实现通导信号良好的兼容性。程鹏[17]提出了基于正交时频空间调制(Orthogonal Time Frequency Space, OTFS)的通信测距一体化信号体制，能够实现高速场景下的高精度定位授时。吴迪[18]设计了一种UWB定位和通信一体化的通信帧，在基本不降低现有定位精度的前提下，实现UWB室内定位和通信的一体化，以提高资源利用率。中国电科导航国家重点实验室的李建佳等[19]分析了IEEE 802.15.4协议下的UWB通导一体化信号，验证了降低脉冲重复频率可提升测距精度的结论。如图5所示，导航国家重点实验室还进行了基于5G F-OFDM体制的通导融合试验网络设计，室内定位精度优于1m。

图5 中国电科导航国家重点实验室通导融合试验网络

Fig.5 Integrated communication and navigation test network of CePNT

4.2 通导一体化信道模型

信道是无线电信号传输的媒介，用户和发射机之间的无线链路受到多径、衰落等因素的影响。信道衰落与接收信号强度密切相关，进而降低通信速率。多径则直接影响导航信号的测距精度，是定位误差的主要来源之一。因此，无论是通导一体化信号处理算法设计，还是定位导航性能的预测和评估，研究描述通导一体化信号传播特性的信道模型都是必不可少的。

如图6所示，通导一体化信道模型可以分为三大类：统计性模型、确定性模型和混合模型。统计性模型反映信道的全局行为，能够归纳出信道的重要参数，计算量较小。确定性方法则采用复杂的电磁模型，通过复现真实场景实现电磁波与本地环境交互过程的建模，计算量很大。混合模型则试图在上述两种方法中间找到合适的平衡点，在计算量适中的前提下保持较好的模型精度。

图6 通导一体化信道模型

Fig.6 Channel model of integrated communication and navigation

统计性模型不需要详细的环境信息，在许多物理假设的基础上，通过大量的实验数据获取多径数目、多普勒频移拓展、功率延迟拓展等概率密度分布。根据信号带宽的大小，统计性传播模型可以分为窄带衰落模型和宽带衰落模型。经典的窄带衰落模型包括Loo模型[20]、Corazza-Vatalaro模型[21]、Suzuki模型[22]、Lutz模型[23]、Perez-Fontan模型[24]等。这些信道模型采用面向状态方式，每种状态对应不同的参数化衰落分布，以适应不同的衰落波动，从而实现信道的动态建模。宽带衰落模型则适用于宽带信号，能够考虑多径幅度、相位、频移等因素的影响，常用的宽带衰落建模方法包括P.A.Bello[25]提出的广义平稳非相关假设(Wide-Sense Stationary Uncorrelated Scattering，WSSUS)模型。该模型假设时域与频域具有广义非平稳特性，并且时延与多普勒频移不相关，广泛应用于宽带移动通信领域[26]。Turin等提出了S-V模型，并由Saleh和Valenzuela在对室内多径传播建模过程中规范化[27]，成为一种广受认可的UWB信道模型。S-V模型着重于拟合非视距(Non Line of Sight, NLOS)信道环境[28]，来自同一个超宽带窄脉冲的多径分量以簇的形式到达接收机，簇和内部脉冲的多径分量的抵达时间均符合泊松分布，其增益都是独立不相关的，簇和簇内脉冲平均功率服从指数衰减，而多径信号増益服从瑞利分布，相位服从[0,2π)均匀分布。IEEE 802.15工作组对S-V模型进行了修正，将多径信号增益改为服从对数正态分布而不是瑞利分布，修正后的S-V模型成为IEEE 802.15.3和802.15.4标准的UWB信道模型。

确定性模型通过物理-电磁模型表示电磁波与本地环境的交互作用，从而复现真实场景。基于物理光学和一致性绕射理论的射线跟踪(Ray-Tracing，RT)被广泛应用。李雅宁等[29]利用RT理论分析了室内北斗伪卫星信号的传播特性。周安东[30]利用RT理论建立了毫米波室内传播模型。求杰超[31]从室内定位角度出发，设计并实现了一个基于射线追踪的室内信号信道模型，通过历史路径匹配算法复用历史数据,提升射线追踪算法的计算效率，从而减少计算资源开销、降低传播分析的运行时间。

混合模型则是统计性模型和确定性模型之间的平衡方法。混合模型利用统计数据优化计算时间，同时使用电磁物理模型或测量调整来保持近似于实际的结果。与统计模型相比，混合模型更加精确；与确定性方法相比，计算复杂度大大降低。C.Oestges等[32]在2000年提出了低轨卫星通信系统混合信道建模的具体方法。A.Lehner[33]建立了卫星导航多径信道模型，该模型已被国际电信联盟采纳，用于各种环境下行人和车辆的卫星导航。

4.3 通导一体化信号接收处理

以上述通导融合信号体制为基础，国内外学者在处理、信道、网络与管理等方面做了大量研究，其中信号处理是通导融合技术研究进展中最重要的研究方向之一，直接关系到通信与定位性能的优劣，主要包括针对通导融合系统的信息处理与信号处理两方面。

在通导融合系统信息处理方面，国内外学者针对接收端的定位解算、位置估计、系统精确授时等方面做了大量研究。其中，张正舵等[34]提出了一种基于TC-OFDM信号的室内定位算法，通过气压测高获得高度数据，实现了垂直定位精度0.5m以内的室内三维空间定位；宋诗斌[13]针对X射线导航通信一体化系统精确时间服务问题，提出了利用脉冲星计时观测实现深空自主授时的方法，实现了深空条件下系统的自主授时；张书楠[35]提出了一种基于最大路径增益的压缩感知毫米波TOA估计算法，根据TOA所在径的路径增益大的条件，剔除传统压缩感知算法重构出来不满足要求的元素，能够将5G毫米波信号时延估计时间减少约48.1%；Z.Lin等[36]采用基于高维线性插值的预处理方法对接收到的所有频段的数据进行联合处理，充分利用宽带毫米波系统提供的高时间分辨率进行位置估计，提高垂直定位精度；E.Y.Menta等[37]针对通导融合网络侧定位中多个基站接收链路之间射频时钟漂移引起的相位随时间变化问题，提出了一种校准补偿相位偏移的方案，可提高网络侧AOA定位性能。

在通导融合系统信号处理方面，国内外学者针对接收信号解调处理、通信与导航兼容性等方面做了大量研究。其中，刘江[16]基于频域复合OFDM的通导融合系统，提出了时域相关法、强制电平转换法、频域相关法三种接收模式，明显改善了通信与导航分量之间的兼容性；孙世华[11]提出了基于博弈论的功率分配及控制算法，集中发射信号能量以提高5G通导融合信号的抗干扰能力；何迪等[38]等提出了一种基于非线性多基站分布式混沌随机共振信号增强技术的无线通信系统定位方法，将低信噪比下的通导融合接收信号质量提高3dB左右；卞玉军[39]提出了基于改进最小二乘信道估计的综合迭代时延估计干扰消除算法，降低时延估计的时间，提高信号时延的检测精度，从而提高定位精度；S.Lu[40]对毫米波通信中涉及的波束形成和通信定位集成进行了分析和设计，利用位置信息使波束实时跟踪通信终端，以满足移动通信的传输需求；X.Li等[41]提出了一种基于Rake接收机的主从接收方案，利用导航信号估计Rake接收机的参数，有效抑制多径干扰对通信信号的影响，从而提高通信质量。

4.4 通导一体化网络架构

网络是通信系统最重要的组成部分之一，对于以通信系统为基础的通导一体化系统来说，网络同样是需要考虑的重要因素，成熟的组网机制与架构决定着通导一体化系统的服务能力与可靠性。经过调研发现，大量研究人员针对通导一体化的研究集中在通导一体化网络的构建上，研究方向分为组网机制、网络架构、网络协议等方面。表2对通导一体化网络架构领域的相关文献进行了归纳和总结。

表2 通导一体化网络文献归纳和总结

Tab.2 Classification and summary of the literatures on integrated communication and navigation network

在组网机制方面，北京邮电大学的尹家兵针对TC-OFDM通导融合系统实际应用中易受环境影响的问题，提出了一种适用于室外远距离的组网方案，试验结果表明，该组网机制能够有效适应复杂地理环境[42]。国防科技大学的王东会面向卫星通导融合星间链路组网[43]，提出了一种基于整网平均观测几何精度因子与整网平均链路传输时延综合加权的链路代价最小化的链路分配机制，结果表明，该方法的通信测距性能明显优于以往的网状链路分配机制，整网平均观测几何精度因子低至1.34。北京邮电大学的孙世华结合博弈论提出了5G通导一体化的多用户接入冲突控制机制，根据终端的不同业务类型进行分组，并在接入资源中采取不同的限制条件，按接入终端优先级确定顺序[11]。中国电科导航国家重点实验室的崔宋祚等[44]对5G+UWB通导一体化系统信号间兼容性进行分析，提出了分布式低功率微基站部署方案，实现了系统通信性能不受影响情况下定位性能的显著提高。图7和图8所示分别为UWB+5G通导一体化系统定位精度和通信误码率。

图7 UWB与5G通导一体化系统定位精度

Fig.7 Positioning accuracy of UWB and 5G integrated system

图8 UWB与5G通导一体化系统通信误码率

Fig.8 Bit error rate of UWB and 5G integrated system

在网络架构方面，中兴通讯的陈诗军等结合5G通导一体化架构发展趋势，提出了一种带内高精度定位网系统架构，并针对该架构下同步、首径信号检测等关键技术进行阐述，实现通信网与定位网的平滑融合[45]；中国联通的黄晓明等聚焦于提高室内定位精度与室内外无缝导航定位，提出了一种面向5G的异构融合一体化定位系统的网络架构，为同时解决定位精度和定位覆盖两大核心问题提供了一种解决思路[46]；西南交通大学的赵庆贺对目前具有定位能力的无线网络进行分析，并对现有网络架构进行研究，根据异构网络架构与位置指纹的特点构建具有位置指纹定位功能的无线局域网结构[47]；西安电子科技大学的黎亚通过使用格形网络的分析模型以及时变图的方式对网络进行建模，对天地一体化网络架构进行评估[48]。中国电科网络通信研究院进行了低轨通导一体系统架构设计，并进行了系统级实践，于2019年发射了中电网通一号01/02两颗通导遥一体化试验卫星(如图9所示)，搭载自研低轨导航试验载荷，率先验证了北斗+低轨协同定位能力，定位精度优于1m。

图9 中电网通一号A/B星

Fig.9 Zhongdian Wangtong 1A/B satellite

在网络协议方面，北京邮电大学的尹露等分析了GNSS/5G集成通导一体化系统，针对5G通信系统中GNSS和D2D的综合测量方法，提出了一种高效的交叉多路测距定位D2D测量协议，该协议较传统方法可节约更多通信资源[49]；中国移动的张欣旺等提出了一种通信·导航·物联一体化的5G室内通导联一体化网络，通过在室分天线内部集成蓝牙模块，使其具备下行蓝牙定位、广告信息推送、链路损耗检测、上行物联收集和上行蓝牙定位等功能，该技术方案可应用于智慧医疗场景中，提供智慧导诊、设备管理、安防管理、后备保障和一键告警等服务[50]；中国电子科学研究院的郑作亚等通过梳理国内外通导遥融合发展历史，提出了网络信息体系思维下基于天地一体化信息网络的通导遥融合的立体式天基网络信息体系架构设想[51]。

4.5 通导一体化网络管理

通信导航的弹性融合服务能力需要创新的通导一体化网络管理方法作支撑。为了提供高质量的通导一体化服务，除了通导一体化信号设计、信道模型、信号处理和网络架构等工作之外，还需要加强从信号源到终端用户的网络管理，建设网络管理系统。通导一体化网络管理包括两方面，网络管理新技术和网络管理应用新模式。

通导一体网络管理是指通过规划、配置、监视、分析、扩充和控制通导一体化网络以保证通信导航服务的有效实现。根据ISO的定义，网络管理的5个基本功能是：故障管理、配置管理、计费管理、性能管理和安全管理[52]。故障管理是对通导一体化网络运行服务异常、设备安装环境异常进行管理。配置管理是对网络单元的配置、业务资源的投入、开/停业务等进行管理。计费管理是通过监测网络中各种业务的使用情况，计算使用通信定位导航授时业务的应收费用，并对收费过程提供支持。性能管理是对通信、定位、导航、授时性能进行评估，如网络连通性、通信速率、误码率、定位精度、授时精度等性能的测试、分析及控制。安全管理主要提供对网络及网络设备的安全保护能力，主要有接入及用户权限管理、安全审查、安全告警处理等。曹菁菁等[53]提出，通过在通信网络管理中引入空间信息、时间信息等多维管理数据，能够有效补充管理空白，提高故障处理及时率，提升网络管理效率。北京航空航天大学的景贵飞[54]针对通导一体化网络，提出了七种单元组成的四层综合时空体系网络管理系统框架，并对各部分的业务管理能力进行了简要分析和理论探讨。

通导一体网络管理应用包括安全应急管理、智能化管理服务和特殊场景下监测管理等。

在安全应急管理方面，火箭军工程大学的向贵虎等提出了北斗卫星通导一体实时监控野外人员与车辆的监控系统，野外车辆与人员搭载北斗终端，通过报文形式将数据传到监控中心，中心将信息以态势图呈现于地图上[55]；东华大学的李永乐基于北斗导航与Android平台设计了老人通导一体化定位急救系统，完成了定位系统服务器、软件界面设计，实现了老人走失定位、上传救援信息等功能[56]；吴雨等提出了以北斗导航卫星为核心，结合5G、物联网、遥感等技术部署相关设备，实现以遥感卫星为核心，辅以无人机、卫星通信定位实现自然灾害预防，自然灾害应对阶段以通信、导航、遥感等天基系统为基础，5G、区块链为桥梁的实时检测和智能调度系统[57]。

在智能化管理方面，闫东磊等提出了服务“一带一路”沿线国家的卫星综合智能管控系统设想，针对多样化需求、多任务协同规划调度，设计了与通信卫星、气象/海洋/资源卫星、导航卫星、沿线国家卫星的运行流程及接口关系，基于通导遥卫星提供覆盖“一带一路”沿线的通信、遥感、导航服务，可用于气象预测、环境监测、智能管控[58]；北京邮电大学的蒋天润提出了基于MS-NOMA通导一体化信号体制的灾后环境下的智能管理系统，终端使用MS-NOMA信号使用上行信号通信基站，基站间使用上行信号互联互通，使用下行信号定位终端以及下达控制信号，试验表明，该方法比传统OFDM系统精度更高、用户干扰更小[59]。

在特殊场景下的监测管理方面，张锐等提出了通导遥一体化技术在生态环境保护管理体系中，基于北斗、高分卫星与5G结合的通导一体化系统，以动静态数据融合挖掘为特点，实现生态环境巡护执法管理模式，明确目标、及时管理，提高了巡查工作效率[60]；上海海洋大学的王世明等基于北斗通导一体化系统，结合多种气象传感器，将气象传感器的数据经管控中心处理后，结合浮标上传回的北斗位置信息，对海洋浮标进行管控信息传递，高效稳定地实时监控处理大量海洋浮标[61]；郁文晋等结合海警现有的中通卫星通信系统、INMARSAT-F站、Codan NGT SR等设备，通过机舱数据、油水舱等有关舱艇的主要工况信息，对实时显示数据与实时位置进行监控管理[62]。表3对通导一体化网络管理文献进行了归纳和总结。

表3 通导一体化网络管理文献归纳和总结

Tab.3 Classification and summary of the literatures on integrated communication and navigation network management

5.1 网信场图

随着数字孪生和无线环境图技术的发展，未来通导一体化朝着网络-信号-电磁场-地图一体化的方向演进。数字孪生通过数字化刻画、仿真现实世界物理对象，实现物理对象和数字孪生模型的双向映射和交互反馈，可用于可视化分析和态势感知。

但是，现有数字孪生仅局限于智能制造和地理空间应用层面，需进一步结合PNT网络、信号、电磁场强分布、地理空间，构建空间基准+地理底盘+电磁+信号网络等层次的深度数字孪生地图，增强通信信息传输和导航定位服务。

与现有通导一体化仅包含通信导航信号、网络层面融合不同，网信场图一体化借助数字孪生技术，涵盖了网络、信号、电磁场、高精度地图等多个层面的一体化融合，可适用于通信、定位、测向、雷达、遥感等无线电领域。

5.2 智能网管

智能网管具备对通信和导航的服务质量(Quality of Service，QoS)综合控制的能力，根据终端用户对通信速率、时延、定位精度、定位频次等不同的QoS需求，能够智能分配和调度资源，满足不同用户对通导一体化QoS的需求。借助深度数字孪生地图，未来有望实现PNT网络在线优化管控与服务增强。通过孪生地图生成场景和测量信息，网图约束信息辅助多源融合连续定位，辅助物理PNT网络增强定位导航性能，能够提升用户定位精度、完好性和导航控制可靠性。借助于深度数字孪生地图的优势，通过虚实协同，未来能够实现智能化PNT网络态势管控。

5.3 博弈对抗

在通信导航一体化网络中，如何实现网络中各个节点的通信和导航信号在时隙、带宽、功率等方面的动态优化分配是一个重要问题，也是实现通信导航智能化弹性融合的关键。博弈论是研究具有斗争或竞争性质现象的数学理论和方法，通过建立通导一体化网络中通信导航冲突与合作的数学模型，有望解决通导一体化网络资源的最优分配难题。未来，演化博弈、斯坦伯格博弈等经典博弈理论有望在通导一体化网络中广泛应用。

在一体化、智能化、无人化发展的大趋势下，通信导航一体化作为需求最为迫切、应用前景最为广泛、实现途径最为多样的重要方向，在近年来已经逐步由理论概念走向了应用实践。各类通导一体化系统不断涌现，更多更加先进的通导一体化体制设计与军民系统也处于快速发展和不断完善中，通信导航一体化将是解决目前室内外连续无缝地位、无人驾驶高精度导航控制等领域难题的关键手段。可预见的是，通信导航一体化将在城市空间、智能交通、军事保障等领域实现广泛和重要应用，在国家综合PNT体系发展建设中发挥不可替代的关键作用。

本文转载自“导航定位与授时”，原标题《通导一体化概念框架与关键技术研究进展》。

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