施 闯，张雨露，辜声峰，景贵飞

构建中国时空体系保障时空信息安全服务的探讨

施 闯1,2，张雨露2,4，辜声峰3，景贵飞2,4

（1．北京航空航天大学 电子信息工程学院，北京 100191；2．卫星导航与移动通信融合技术工信部重点实验室，北京 100191；3．武汉大学 卫星导航定位技术研究中心，武汉 430079；4．北京航空航天大学 前沿科学技术创新研究院，北京 100191）

为保障时空信息的高可信、高安全和自主可控，对保障时空信息安全服务进行研究：提出一种通信导航融合的时空网络体系；并探讨构建中国时空系统的架构。研究结果表明，通过中国时空网络实现通信即增强的时空服务，既可以为用户提供高精度、高可信的时空服务，又能够保障国家时空信息的安全。

时空网；中国时空体系；时空信息安全；定位导航授时（PNT）；通导融合

0 引言

时空信息是国家重要的战略性资源。近年来，伴随着第五代移动通信技术（the fifth mobile communication technology，5G）/第六代移动通信技术（the sixth mobile communication technology，6G）、人工智能、云计算、数字孪生、区块链等新一代信息技术的发展，各行业及大众用户对定位导航授时（positioning, navigation and time，PNT）时空信息服务的需求朝着更精确、更可信、更智能和更安全的方向发展[1-3]。自动驾驶和智慧物流等领域需要实时采集人、车、物的位置信息和运动状态，从而展开精确的实时追踪和监控；城市运行和工业运维等领域需要安全可靠的网络接入和传输来保障数据信息的安全；万物互联场景需要覆盖全球的网络来准确、及时地传送广泛分布的信息，尤其要能够覆盖现有地面网络无法覆盖或自然灾害频发的区域；海量数据和差异化的应用需求需要强大的数据计算能力和信息智能处理能力，从而实现监测与控制的智能化；虚实全息互联互通需要低延迟传输和精确位置信息保障；虚实相融和互反馈的数字孪生构建需要对物理世界进行精确时空映射；虚实共生的元宇宙[4]平行世界同步演化需要统一的时空坐标轴和高精度的时空信息。

现有网络架构和信息基础设施在满足未来万物感知、万物互联和万物智能时代对时空信息服务的需求方面存在一些挑战：不仅需要实现数据的实时采集和感知、安全接入和传输，还需要提高时空信息的精确度、安全度、可信度、覆盖范围和可靠性。面向未来发展需求，本文提出一种融合高精度、高可信时空信息服务的时空网络体系。如图1所示为时空网与互联网、物联网、元宇宙和数字孪生的关系。

图1 时空网与互联网、物联网、元宇宙和数字孪生的关系

互联网在网络层使用网际互连协议（Internet protocol，IP）来控制子网的运行和节点间的互联互通[5]。由于分配不合理以及万物互联带来的海量接入需求，只有32 bit的IPv4地址正在逐渐耗尽，IPv6开始逐步走向商用。已有学者[6-7]在IPv6的地址结构、接口标识生成方案、路由选择等方面做了许多工作，促进了IPv6的发展。为实现位置追溯、网络位置监控等，IPv4中通过建立IP地址数据库来实现位置预测，但预测精度只能达到街道级。IPv6时代，张千里等[6]提出将位置信息通过单播地址、组播地址等方式嵌入到IPv6地址中，位置精度可达米级。但当前IPv6仍然存在用户隐私泄露风险，且未经过长时间和大规模应用的考验，在满足海量地址接入和高可信服务保障方面存在挑战。物联网的概念最早是由麻省理工学院的自动识别实验室[8]于1999年提出，并于2005年正式确定。面向未来应用场景，物联网当前发展存在以下挑战：低成本和低功耗的传感器设计对终端的软硬件算法和集成能力带来了挑战；传统的移动通信网、无线保真技术（wireless fidelity，Wi-Fi）等地面网络难以实现全球范围内的海量数据接入和传输，且容易受到地形、气候等影响；还面临安全和碎片化等问题。

综上，面向未来万物感知、万物互联和万物智能时代，现有互联网和物联网存在时空信息精度不高、网络传输时延较大等问题，面临网络全球覆盖、信息实时采集、安全接入和传输、智能处理和分析等挑战。因此，本文提出一种融合高精度、高可信时空信息服务的时空网体系架构，并探讨中国时空体系架构。

1 时空网概念及其模型

1.1 时空网概念

本文提出的时空网是一种融合高精度时空信息的网络，通过整合多种定位、导航、授时和通信技术，结合人工智能、大数据等智能感知和信息处理技术，向用户提供高可信、高精度的时空信息服务。用户可通过通信网络或定位导航授时基础设施接入时空网，解析出位置和时间信息，获取相关的时空服务，并成为时空网的一个节点。时空网具备通导融合、智能感知、自主可控、高精度、高可信等特征。时空网的基本要素包括各种定位、授时、导航、通信技术，大数据、人工智能、云/雾计算等信息处理技术，各种低成本、低功耗的传感器和终端，以及高精度、高可信的时空信息。

1.2 时空网模型

基于上述分析，首先提出时空网模型，自下而上依次为物理感知层、数据增强层、网络传输层和时空应用层。如图2所示为时空网模型和其对应的数据信息。

图2 时空网模型及其数据信息

物理感知层基于传感设备，利用多种定位、导航、授时和通信技术，实时感知并采集用户姿态和周围环境特征等信息。以自动驾驶为例，自动驾驶汽车通过自身搭载的雷达、全球卫星导航系统（global navigation satellite system，GNSS）/北斗卫星导航系统（BeiDou navigation satellite system，BDS）接收机、惯导、摄像头和里程计等传感器，利用卫星导航、移动基站通信、惯性导航等技术，全方位地感知自身位置、速度、加速度，周围人流量、车流量，以及所在道路环境特征、红绿灯信息和天气情况等。

数据增强层利用时空增强信息对物理感知层获取的各类信息进行处理，生成高精度的时空信息，并与其他信息一起打包，进一步编码为符合接入和传输协议的数据包。其中，时空增强信息为差分改正信息、卫星精密轨道钟差信息和完好性监测信息等。以自动驾驶为例，自动驾驶汽车通过获取到的附近基站或卫星播发的各类差分改正信息，结合汽车自身导航系统提供的基础时空信息，融合处理得到高精度、高可信的时空信息。

网络传输层对数据增强层生成的包含高精度时空信息的数据包进行校验，校验通过后将其接入全球无缝覆盖的网络，实现信息的安全和快速传输；同时，网络中的各节点会对信息进行智能处理和分析。以自动驾驶为例，数据包能够通过车载终端连接到附近基站或卫星网络节点，并利用高精度时空信息作为数据标识符确保其在网络中的准确传输。

时空应用层基于用户需求，经过物理感知层、数据增强层和网络传输层对信息的处理和传输后，向用户提供服务接口，以使用户通过接口获取到专属时空服务。以自动驾驶汽车为例，其通过合乎规范的接口接入时空网，获取时空增强信息用以生成高精度的时空信息，进一步获取到当前街道的实景、实时动态地图信息，用于辅助驾驶决策。

2 时空网体系架构设计

2.1 时空网体系架构

在时空网模型中，物理感知层需要智能感知和处理多源全域信息；数据增强层需要时空增强信息来增强物理感知层获取到的信息从而得到高精度的时空信息；网络传输层需要安全透明的入网和传输协议来保障信息的安全快速传输；时空应用层需要设计终端的软硬件算法来实现低成本、低功耗、多场景的应用；还需要高性能的服务平台。因此，时空网体系应包含通导融合的时空增强子系统、智能感知与信息处理子系统、高性能时空网服务平台、低成本时空网应用终端和高可信时空网应用，架构如图3所示。

通导融合的时空增强子系统的主要功能是通过数据播发平台提供时空增强信息，如实时精密钟差和轨道数据、大气延迟和完好性监测等信息。通导融合的时空增强子系统的搭建可以分为2步。第一步为基于地面移动通信网、低轨卫星互联网和BDS/GNSS高精度导航定位网，攻关通信网络融合播发技术，搭建通导融合一体化的增强信息播发平台。第二步为融合精度增强、时间增强和服务质量增强方法，输出差分信息、实时精密轨道钟差数据和完好性监测信息，构建高质量、高可用的通导融合数据基础。智能感知与信息处理子系统利用前述增强信息，集成高精度定位与授时技术、移动通信技术、大数据及机器学习等技术，全面感知、获取和处理信息，提供多源、全域的时空信息服务。高性能的时空服务平台基于前述信息向用户提供高精度、高可信、高可用、智能化的服务，以满足多场景、差异化条件下海量用户的时空服务需求。时空网应用终端作为用户接入时空网获取服务的接口，须着重设计终端的软硬件算法及安全透明的接入协议，以便终端能够以较低成本和较低功耗获取服务。基于前述终端和平台，开展高可信时空网应用，在大众消费领域提供低成本、高精度的时空信息服务，进一步支持智慧城市、元宇宙等产业的发展。

图3 时空网体系架构

2.2 关键问题

2.2.1通导融合的时空接入与增强技术

在增强信息播发端，融合通信网络和高精度定位网搭建增强信息播发平台。用户可通过地面移动通信网络、BDS/GNSS高精度定位网和低轨卫星通信网接入获取信息。低轨卫星通信网可以联合地面通信网实现网络连接的全球无缝覆盖[9]。除提供通信服务外，低轨通信星座还可播发导航增强信息[10]，亦可通过改造信号提供与导航卫星兼容的测距信息，支撑更加广泛的导航服务[11]。进一步，攻关通信网络融合播发技术、天地一体化网络通信技术[12]、多源成像数据在轨处理技术[13]等。在卫星端，通过软件定义卫星技术[14]、多星协同储存与信息处理等技术，搭建通导载荷集成的一体化卫星平台[15]，满足移动通信和增强导航等需求。用户终端应着重设计通导一体化算法，集成通导一体化模块。

其次要攻关增强技术以提供差分增强信息。增强技术包括精度增强、时间增强和服务质量增强。在精度增强方面，现有的星基增强、地基增强技术已较为成熟。许多机构和商业公司已经开始为广域实时精密定位提供高精度产品服务，如日本准天顶卫星系统的厘米级增强服务[16]，Trimble公司的提供的服务于欧美地区的高精度（厘米级）实时差分快速服务（CenterPoint RTX Fast）[17]等。但现有系统尚存在地理覆盖范围有限的不足，利用低轨通信星座有望解决全球覆盖问题[18]。服务质量增强主要包括服务端和用户端。服务端包括卫星星座和增强信息的完好性监测，参考站数据完好性监测和实时增强服务信号完好性监测，以保证系统可靠运行；还须研究BDS之外的其他GNSS异常检测技术，以应对特殊极端情况。用户端通常使用接收机自主完好性监测技术。在时间增强方面，BDS实时钟差的快速确定算法和钟差基准高稳定算法可以实现钟差参数的稳定连续输出，从而满足高精度时间比对需求；北斗时（BeiDou time，BDT）与国际标准时（coodinated universal time，UTC）溯源算法，可以满足高精度单向授时需求。以北斗广域高精度时间服务系统[19]为例，其通过测站原子钟和UTC（）/BDT引入连续稳定可溯源的时间基准（其中为某一具体守时实验室的代称）；继而基于全球分布的GNSS跟踪站生成相应时间基准下的广域实时差分改正产品，并通过网络播发至用户；用户端基于实时精密单点定位时间传递算法获取本地钟与系统时间基准的差异，并采用精密调钟技术实现终端与系统的同步。

2.2.2 智能感知与信息处理技术

智能感知与信息处理技术指的是通过高精度导航、定位与授时技术，全面感知和获取多源、全域信息，并利用智能计算框架和智能数据处理算法对信息进行处理。面向未来万物互联的应用场景势必会带来海量的接入信息。若仍在统一的数据处理中心（站点）集中处理，将增加站点的数据处理压力，给数据传输、计算和存储资源带来负担，还可能面临传输过程中信息缺失等风险。基于云计算、雾计算[20]等计算框架，可以将数据处理中心的数据处理压力转移到更加广泛分布的节点网络中。一方面，可以减缓数据处理中心的计算压力，减少数据传输过程中的能量和时间消耗，为用户提供低时延和位置感知；另一方面，节点网络在地理空间上的广泛分布更加适应移动性的应用需求，可以支持更多的边缘节点接入。大数据和人工智能等技术是直接部署在计算节点上的数据处理算法，体现信息处理的智能化程度。基于海量数据，充分挖掘数据特征，学习数据和任务之间的关联，发掘数据所蕴含的信息，从而催生出更多的智能算法，服务于无人驾驶等时空应用。

2.2.3 低成本应用终端与信息安全

面向万物互联应用，须着重设计应用终端的软硬件算法，以便终端能够以较低成本和较低功耗获取时空服务。通过设计低功耗的导航芯片、多模定位技术、按需分级的定位算法和流程、智能处理信息算法，使得终端能够依托时空网在较低成本和较低功耗下获取高精度、高可信的时空服务。面向未来人、机、物的海量接入和快速增长的网络终端数量，需要研究大容量并发信号的检测分离技术，设计多种终端接入模式和控制策略。良好的网络接入和传输协议可以实现物理空间时空数据与信息空间时空语义的匹配，避免丢失重要信息，保障信息的实时、安全传输。融合时空信息的接入和传输协议在保障信息安全方面有天然的优势。高精度的时空信息标签有助于对终端进行接入控制和溯源，便于实现敏感时空信息的集中管控，可以保障信息和网络环境的安全。在时空信息编码和网络映射方面，龚健雅院士提出的全球位置信息叠加协议与位置服务网技术[21]，魏小峰等提出的网格编码降维优化方法[22-23]，张千里等提出的全球一致的室内外无缝剖分编码及其与IPv6的融合方案[6]，沈钲晨等提出的授权密钥恢复位置信息的映射算法[24]等，为时空信息编码、编码压缩、网络映射、用户隐私保护等关键问题提供了研究思路。时空网体系涉及通信、导航等方面的多种资源，需要对资源进行协同调度与优化，提升数据处理和信息提取效率，提高资源的利用率。为保障时空信息安全，还须提高系统的抗干扰与抗毁能力。

3 中国时空体系构建

3.1 中国时空体系架构

以我国为例，搭建面向用户透明、具备百亿级服务能力的中国时空体系，以满足多场景差异化的用户需求。中国时空是实现我国时空网安全可信服务的重要途径，由定位导航授时系统、全时空信息系统和综合时空服务系统组成，体系架构如图4所示，图中LEO表示低轨卫星（low Earth orbit）。

图4 中国时空的体系架构

其中，定位导航授时系统通过BDS/GNSS、低轨卫星、移动基站、惯性等PNT技术，提供泛在、精准、可信的时空基准；全时空信息系统则通过智能传感器采集全空间信息，并构建物理世界的数字孪生地图，提供实时、实景、定制化的时空信息；综合时空服务系统通过人工智能、区块链等技术为人、机、物等用户提供智能、融合、安全的解决方案。

3.2 定位导航授时系统与泛源定位

定位导航授时系统的主要作用是提供统一、泛在、精准、可信的时空基准，并解析用户的位置和时间，赋予其精准的时空信息标签。PNT系统要保证时域和空域上的全覆盖，确保用户在任何地点、任何时间都能接入，可以通过泛源定位实现。泛源定位强调的是利用一切可以获取到的泛在导航定位数据源进行协同融合处理，从而实现泛在的能力。泛在导航定位数据源包含GNSS等天基无线电信息源，移动基站等地基无线电信息源，以及惯性导航、匹配导航、量子导航等[1]。不同原理的冗余信息源比相同原理的信息源受到干扰、遮蔽的影响小，从而使得这些信息源在支持泛在能力外，还能提高系统的连续性和可靠性。泛源定位的实现在技术层面上需要计算框架的辅助。基于云计算的云定位[25]在云平台实现定位资源信息的综合处理，但存在网络传输压力大、用户隐私泄露等风险。基于雾计算的雾定位[26]可以通过部署在用户端和传统云平台之间的雾节点来分担部分数据存储和计算压力，是云定位向用户端的延伸，是定位资源的泛在化实现，能够更好地满足用户对移动性、位置感知以及低延迟需求。

3.3 全时空信息系统与数字孪生地图

全时空信息系统需要从物理世界感知时空信息，提供实时、实景、定制化的时空信息。定制化是全时空信息系统最重要的部分，需要根据不同用户的差异化需求提供定制化服务，如针对自动驾驶用户提取相应的城市道路地图。传统电子地图缺少对移动中的车辆、人群等动态信息的捕获和实时显示，在位置信息完整性和表达能力方面有所欠缺，难以满足用户自适应定制的需求。全息位置地图通过语义位置关联提高了以位置为核心的泛在信息的表达丰富度和多维动态场景应用的自适应性[27-28]。随着数字孪生技术的发展，构建数字孪生地图有望提供实时、实景的动态化地图和定制化的时空应用业务。数字孪生地图的构建需要充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，通过对现实物理世界进行建模和互反馈来实现[29–31]。具体来说，基于智能传感器感知人、车、物的运动状态和环境数据，实时将信息映射到孪生地图中；基于云/雾计算模式实现海量数据的存储与共享，实现物理世界的全时空信息建模；基于大数据、人工智能等进行数据分析并作出智能决策，以实现虚拟世界和物理世界的联结和反馈。数字孪生地图不仅仅是现实世界时空信息的孪生，还具备预测、推演、重现和分析能力，能够针对人、车、无人系统等不同的导航定位需求提供定制化的服务。

3.4 综合时空服务系统与安全服务

综合时空服务系统立足于定位导航授时系统和全时空信息系统提供的信息，突破全信息聚合、智能PNT技术等[2,32]，形成智能指令控制，可调度整个平台根据用户的差异化需求提供智能、融合、安全的解决方案。安全问题是时空服务系统最受关注的服务性能之一。区块链具有的可追溯、高可信、防篡改等特性[33-34]使得其在数据的访问控制和用户的隐私保护方面备受关注。已有学者[35-36]指出依赖区块链的共识机制来计算元宇宙用户的数据内容和交易，可以确保用户的数据完整性和隐私保护。因此，基于区块链技术，有望实现中国时空内部数据的访问控制和外部用户的授权认证。

4 结束语

面向未来万物感知、万物互联和万物智能时代对时空信息的更高需求，本文提出一种融合高精度时空信息的时空网络，其分层模型自下而上依次为物理感知层、数据增强层、网络传输层和时空应用层。对应的，时空网体系架构由通导融合的时空增强子系统、智能感知与信息处理子系统、高性能时空网服务平台、低成本时空网应用终端和高可信时空网应用组成。

构建中国时空是实现我国时空网自主可控的重要途径，作为时空信息基础设施为用户提供高可信、高精度的时空信息服务，支撑数字孪生、元宇宙等技术和产业的发展，满足其在物理世界建模、数字孪生体构建、虚实全息互联互通等方面对时空信息服务实时精确、全球覆盖、安全可信的需求。

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Discussion on establishing Chinese spatio-temporal system to ensure services of spatio-temporal information security

SHI Chuang1,2, ZHANG Yulu2,4, GU Shengfeng3, JING Guifei2,4

（1.School of Electronic and Information Engineering, Beihang University, Beijing 100191, China;2. Laboratory of Navigation and Communication Fusion Technology, Ministry of Industry and Information Technology, Beijing 100191, China;3. GNSS Research Center, Wuhan University, Wuhan 430079, China;4. Research Institute for Frontier Science, Beihang University, Beijing 100191, China）

In order to ensure the high credibility, high security and autonomy of spatio-temporal information, the paper studied the spatio-temporal information security service: a spatio-temporal matrix system integrating of communication and navigation was put forward; and the construction of Chinese spatio-temporal system was discussed. Result showed that establishing the Chinese spatio-temporal system would help realize the enhanced spatio-temporal services through communication, which could not only provide spatio-temporal information services with high credibility and precision, but also ensure the national spatio-temporal information security.

spatio-temporal matrix; Chinese spatio-temporal system; spatio-temporal information security; positioning, navigation and timing (PNT); integration of communication and navigation

施闯，张雨露，辜声峰，等. 构建中国时空体系保障时空信息安全服务的探讨[J].导航定位学报, 2023, 11(6): 1-7 .（SHI Chuang, ZHANG Yulu, GU Shengfeng, et al. Discussion on establishing Chinese spatio-temporal system to ensure services of spatio-temporal information security[J]. Journal of Navigation and Positioning, 2023, 11(6): 1-7.）DOI:10.16547/j.cnki.10-1096.20230601.

P228

A

2095-4999(2023)06-0001-07

2023-03-13

国家自然科学基金项目（41931075）。

施闯（1968—），男，博士，教授，研究方向为北斗高精度定位导航授时等。