当“地上的5G”遇上“天上的北斗” 这个万亿市场按下启动键******

　　工业和信息化部的最新数据显示，截至2022年9月末，我国5G基站总数已达222万个，占全国移动基站总数的20.7%，占全球5G基站总数的60%以上。

　　最新发布的《新时代的中国北斗》白皮书指出，中国的北斗系统已成为面向全球用户提供全天候、全天时、高精度定位、导航与授时服务的重要新型基础设施，北斗已经是世界一流的卫星导航系统。

　　虽然最大的5G和一流的北斗，已经足够激动人心。但如果当“地上的5G”与“天上的北斗”握起手来，又将会展开一幅怎样的未来画卷呢？

　　“一个令产业兴奋、令百姓憧憬的万亿市场已经按下启动键。”国际欧亚科学院院士、北京邮电大学教授邓中亮在接受《中国经济周刊》采访时如是总结：天地一体、时空一体、通导一体的网络基础设施将会给人类带来巨大的经济和社会价值，中国应该也有能力走在全球前列。

　　5G+北斗是“天生一对”，让两大“大国重器”强强联手

　　我国先后建成全球最大的4G网络和5G网络，和4G相比，5G应用场景会有很大差别，但也面临着新的挑战。

　　例如在重点应用方向之一的工业互联网领域，要建成智慧矿山、智慧矿井，要实现公路网、铁路网的全覆盖，都需要保证室内、高山、深谷等遮蔽和半遮蔽空间的信号覆盖，且信号不易被干扰。而在智慧交通、无人驾驶等场景，会要求通信网络在满足通信需求的同时，不仅拥有高精度时空感知能力，能通信，也要能定位。

　　从建设北斗到应用北斗，从中国的北斗到世界的北斗，从天上的北斗到身边的北斗……能够实现室内的精准定位是中国北斗在技术上超越GPS等其他卫星导航系统的重要优势之一，这个在“最后一米”上的技术突破意义重大，也将会带来应用场景和产业发展上诸多新的可能性。

　　在邓中亮看来，可以将“5G+北斗”作为抓手，推动通信与导航的深度融合，实现能通信就能高精度定位。二者的融合可以满足全覆盖、高精度需求，相互赋能，彼此增强。

　　“5G是地上的网，北斗是天上的网，5G解决数据高速传输和卫星遮蔽区域高精度定位问题，北斗解决高精度授时和开阔空间高精度定位问题，5G+北斗的融合不仅可以相互赋能，还能够带来海量的高精度、高时效的地理大数据。”邓中亮说。

　　中国卫星导航系统管理办公室主任、北斗卫星导航系统新闻发言人冉承其也曾用“天生一对”来形容5G和北斗。“5G对时间和位置提出更高要求，而卫星导航系统能够提供更高精度的位置和时间信息，因此，5G和北斗卫星导航系统具有天然融合性。”他说。

　　实际上，早在2006年，科技部就启动了“羲和”计划，旨在构建天地一体的时空定位系统。作为“羲和”计划室内导航系统的主要负责人和学术带头人，邓中亮和团队通过多年攻关，目前已经形成几百项自主知识产权和一系列关键技术。

　　据邓中亮介绍，“羲和”计划有两个重要目标，一是提高卫星定位的性能和精度，令其服务能力越来越强；二是实现通信信号从室外到室内的定位全覆盖，复杂环境下也能保持服务能力。

　　“北斗+5G融合发展是必然的，这两项‘大国重器’强强联手，将惠及国防军事、智慧城市、自然资源、通信网络、交通、电力等各行各业，带来无限可能。”邓中亮说。

　　当地上的通信网络与天上的卫星网络实现“通导一体”，通俗地说，就是无论何时何地都有信号，告别“不在服务区”；还要能随时随地实现精准定位导航，哪怕是高山大海，哪怕车库深井，都能实现精准到米甚至亚米级别的导航。

　　通信与导航深度融合，“没那么简单”

　　基于“5G+北斗”的通信技术与精准时空技术的融合及应用，将是这些领域基础设施信息化、智能化升级改造不可或缺的重要基础设施。

　　当然，还有一个更为重要的要求，那就是要通过自主创新，不被人“卡脖子”，发展和建设好一个中国自主可控的、全空域、全时域、全频域、高精度、高可靠、高可用的时空体系。

　　邓中亮认为，北斗+5G融合可以从三个层面来理解。一是北斗可支撑5G网络安全高效运行。比如为5G提供高精度授时与同步、百万基站管理等服务，为5G网络应用提供精准的定位导航应用，开拓基于高精度时空基准的通信业务等。

　　二是5G可增强北斗导航服务能力。比如5G自身可实现优亚米级的定位能力，这意味着可与北斗形成信号覆盖互补，从而实现从室外到室内、从地面到地下无缝隙衔接与定位，支撑全空域全时域定位导航服务。而5G网络本身又可成为支撑位置服务业务的通信通道。

　　三是北斗+5G深度融合，将形成泛在、无缝、高精度、高可信的PNT（即Positing定位、Navigating导航、Timing授时）体系，横向无缝覆盖室内、纵向拓展到水下及深空，且能在复杂环境下提供高精度、连续稳定的时空信息服务，进而服务智慧城市、无人系统、万物互联等多个场景。

　　理论逻辑虽然很好理解，但真正实现通导融合却“没那么简单”，需要解决一系列技术难题。“比如，5G和北斗是不同的信号，每个信号都会有‘噪声’，要想实现和睦相处，既能各干各的事，还可以相互增强，并不容易。”邓中亮说。

　　邓中亮教授带领团队研制的“羲和”系统，提出了TC-OFFEND定位与通信融合的新型信号体制。依靠这种技术，有效节约了室内定位成本，把移动通信网变成了一张既能通信的网，又能高精度定位的网。

　　而且更为重要的是，这套系统并不需要新增大量的成本投资，比如通过“隐嵌信噪”技术解决不同的信号“噪声”问题，只需要一块小小的芯片就可以实现，新增的投入成本极低。

　　《中国经济周刊》首席摄影肖翊|摄

　　从技术到产业，万亿级市场按下启动键

　　当然，看到通导融合这一发展趋势的不只是中国。美国也很早就将发展定位导航授时一体的PNT体系上升至国家战略的地位，以弥补原有GPS系统的问题和不足。但除了技术上较量，通导融合“哪家强”，最终还是要在应用上见真章。

　　“我国建成覆盖4G网络，投资规模超过6000亿元，5G网络的投资规模更是超过了1.2万亿元，但也只能覆盖我国的人口密集区域。而北斗卫星实现全球覆盖投资规模约为600多亿元。我国的5G网络建设投资巨大，也需要在更多的应用场景下寻找更多的商业模式，从而让其为经济社会的发展创造更大的价值。”邓中亮介绍说。

　　但在邓中亮看来，实验室里的技术创新突破只是第一步，要想让“5G+北斗”产生更大的经济社会价值，需要社会各方面的通力合作，推动商业模式创新和产业化进程，共同挖掘。

　　《新时代的中国北斗》白皮书也指出，截至2021年，中国卫星导航与位置服务总体产业规模达到约4700亿元，年均复合增长率超过20%。中国北斗广泛应用于经济社会发展各行业各领域，进入交通、能源、农业、通信、气象、自然资源、生态环境、应急减灾等重点行业。中国北斗与大数据、物联网、人工智能等新兴技术深度融合，催生“北斗+”和“+北斗”新业态，支撑经济社会数字化转型和提质增效。

　　而多家第三方机构预测，按照目前北斗系统的产值增加速度，预计2025年其产业规模有望达到万亿元。来自高德地图的数据也显示，截至2022年11月，高德地图调用北斗卫星日定位量已超过2100亿次，且在定位时北斗的调用率已超越了GPS等其他卫星导航系统。

　　邓中亮表示，实际上，智慧物流、智慧医疗、智慧城市、智慧交通、工业互联网、智慧农业……北斗已经发挥着巨大的作用。以重点和焦点所在的工业互联网领域为例，这本身就是一个万亿级别的大市场，特别希望有更多有志之士将北斗和5G与人工智能、新兴技术等融合，发展出更多新兴产业，创造更多新的商业模式，为经济发展带来新的增长点。

　　已经有先行者尝到了甜头。以全国北斗卫星导航应用三大示范区域之一的湖南长沙为例。据长沙市人民政府副市长彭涛在“2022北斗规模应用高峰论坛”上透露，在长沙，北斗技术已成功应用到智能驾驶、驾考驾培、桥梁监测、野生动物追踪、水路安全、防灾减灾、司法、邮政运输、工程机械、公共安全等诸多领域。

　　长沙正在加快推动“北斗+5G”在智能网联汽车领域应用示范，通过5G网络融合北斗卫星导航系统定位技术，长沙的电动智能网联汽车能够对车辆进行高精度厘米级定位，为自动驾驶进行定位护航。目前，这套系统已在全国400多个城市上千个驾考场地中投入使用。驾考中，车辆是否压线、靠边停车是否在规定范围内，都能轻松判定。

　　“力争到2025年，长沙市北斗及相关产业规模突破500亿元，其中北斗核心产业规模突破200亿元，创建省级先进制造业集群，力争创建先进制造业集群。”彭涛说。

绕过人墙、半路转弯 怎么在世界杯踢出超帅“香蕉球”？******

　　又到了四年一度的世界杯

　　不知道大家是否还记得

　　2018届世界杯中

　　葡萄牙和西班牙相遇的小组赛

　　C罗在最后时刻力挽狂澜

　　踢出被解说员叹为

　　“翩若惊鸿，宛若蛟龙”的

　　“C型”任意球，扳平比分

　　被踢出的球为什么会迅速升降？

　　又为什么会“拐弯”呢？

　　首先我们来了解一下任意球

　　任意球是啥？

　　任意球是罚球的一种。它是一种在足球（或手球）比赛中发生犯规后重新开始比赛的方法。

　　任意球分两种：直接任意球，踢球队员可将球直接射入犯规队球门得分；间接任意球，踢球队员不得直接射门得分，球在进入球门前必须被其他队员踢或触及。判罚前场任意球后会使用一种泡沫喷剂划定球的摆放位置，以及人墙的站位，发任意球时需要用手触球，然后在裁判哨响后踢球。

　　香蕉球？能吃吗？

　　事实上，C罗踢出的这种任意球在足球比赛中并不少见。

　　在1997年，在巴西对法国的一场足球比赛中，巴西足球运动员Roberto Carlos，在没有通向球门的直接路线的情况下，从35米外开出一个任意球。他的射门使球飞过球员，并在快要出界的时候急转向左，砸入球门。

　　图源：网络 香蕉球图解

　　球的突然拐弯让在场球员，特别是法国守门员根本来不及反应。这个史上最漂亮，最具标志性和最违反物理学定律的任意球，被叫作“香蕉球”。法国物理学家对此研究了数年，终于用“马格努斯效应”解释了这个问题。

　　马格努斯效应

　　图源网络

　　当一个旋转物体的旋转角速度矢量与物体飞行速度矢量不重合时，在与旋转角速度矢量和平动速度矢量组成的平面相垂直的方向上将产生一个横向力。在这个横向力的作用下物体飞行轨迹发生偏转的现象。这是流体力学中的一种现象。

　　图源：陕西师范大学物信院 马格努斯效应示意图

　　旋转物体之所以能在横向产生力的作用，是由于物体旋转可以带动周围流体旋转，使得物体一侧的流体速度增加，另一侧流体速度减小。

　　是不是听得云里雾里？

　　香蕉球轨迹

　　球在气流中运动时，如果其旋转的方向与气流同向，则会在球体的一侧产生低压，而球体的另一侧则会产生高压。运动员的用力方向朝右，所以足球逆时针旋转。拐点处足球左侧产生低压，右侧产生高压，这样就导致足球存在横向的压力差，并形成向左侧的力。

　　图源：NKPhysics

　　根据物理公式，距离越远，速度越慢，球偏离角度也就越大。因此，我们能看到在香蕉球运行的末尾时刻，会发生更剧烈的偏转，给守门员一个巨大的“惊吓”。

　　我也能踢出和C罗一样的球吗？

　　回到文章开头提到的C罗“力挽狂澜”的任意球，这一球不止踢出了上述“香蕉球”的概念，同时也混合了“电梯球”，即指大力踢出的足球，下落很快，像是从电梯上下坠，它实际上是高速飞行的足球受到重力和大雷诺数阻力下的运动轨迹。

　　图源： 中国物理学会期刊网 皮尔洛的“电梯球”

　　葛惟昆教授解释说：“踢出电梯球的一大关键要素，就是球的初始速度要快。”要踢电梯球，球的初始速度应该接近150公里/小时，没错，就是一辆车在高速公路上狂飙的速度。

　　图源：科学世界

　　研究人员在进行场景模拟时发现，要想让100公里/小时以上速度的任意球避开人墙（假定在距离约9米远的位置有5名身高1.8米的对方球员并排）成功射门，球离开地面时与地面的夹角必须控制在15°～17°之间，也就是仅有2°的精度范围（在距离球门25米的位置，踢出转速为每秒8转的侧旋弧线的情况）。

　　如果是足球，以每小时90千米的速度每秒旋转8转，球会在这个距离内弯曲3米以上。

　　图源见水印

　　而踢出弧线的关键在于，落脚点在偏离球心的位置，偏离球心的幅度越大，球的转速越快。有研究人员称，安德烈亚皮尔洛等优秀的任意球球员会使球的旋转轴倾斜角度大于侧旋，让马格努斯力倾斜向下发挥作用，从而踢出“球速快、大幅弯曲的同时又急剧下沉的”球路。

　　资料来源：科学世界、中国物理学会期刊、科技日报、天津科普说、NKPhysics

　　整理：董小娴