· 文|航天恒星科技有限公司 侯倩 蔣勇 李東俊

構(gòu)建北斗地基增強系統(tǒng)打造智慧城市基礎設施

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2008年，IBM公司提出智慧地球理念。智慧城市是智慧地球理念在城市中的實踐。IBM從技術(shù)上給出的智慧城市定義是：智慧城市是能夠充分運用信息和通信技術(shù)手段感測、分析、整合城市運行核心系統(tǒng)的各項關(guān)鍵信息，從而對于包括民生、環(huán)保、公共安全、城市服務、工商業(yè)活動在內(nèi)的各種需求做出智能的響應，為人類創(chuàng)造更美好的城市生活”.它包括三方面的內(nèi)容：更透徹的感知、更全面的互聯(lián)互通、更深入的智能化。

位置信息感知是建立透徹感知能力的重要一步，也是實現(xiàn)城市智能化的基礎。隨著衛(wèi)星導航技術(shù)、地理信息系統(tǒng)技術(shù)、射頻識別技術(shù)、傳感器技術(shù)的深度融合，衛(wèi)星導航應用產(chǎn)業(yè)已發(fā)展為是以衛(wèi)星導航和地理空間信息為基礎、以具有時空特征標識的各類數(shù)據(jù)為資源、以面向市場需求提供智能化服務產(chǎn)品為主要特征的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。

當前北斗導航系統(tǒng)已具備區(qū)域定位能力，提升精準時空信息服務能力是北斗導航產(chǎn)業(yè)化應用的基礎和前提，將促進基于高精度位置服務的相關(guān)產(chǎn)業(yè)諸如農(nóng)業(yè)信息化、工業(yè)智能化、測繪服務業(yè)實時性等產(chǎn)業(yè)升級，是構(gòu)建智慧城市的信息基礎設施。

一、智慧城市概述

1.智慧城市內(nèi)涵

從技術(shù)上看，智慧城市是數(shù)字城市、物聯(lián)網(wǎng)、云計算等先進技術(shù)的集合。從智慧城市建設可實施、可操作的角度出發(fā)，可認為“智慧城市＝數(shù)字城市＋智能管理＋泛在服務”。其中數(shù)字城市是建立在地理網(wǎng)格化、設施部件化、信息管理GIS化等基礎上的城市基礎地理信息平臺；智能管理包括智能政務管理、智能民生管理和智能行業(yè)管理三方面內(nèi)容；泛在服務是指綜合運用物聯(lián)網(wǎng)、云計算、衛(wèi)星應用等新一代信息技術(shù)為智慧城市的服務對象（政府、公眾或企業(yè)）提供無處不在的服務。

“數(shù)字城市”的概念源于“數(shù)字地球”，它以計算機技術(shù)、多媒體技術(shù)和大規(guī)模存儲技術(shù)為基礎，以寬帶網(wǎng)絡為紐帶，運用遙感（RS）、全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)（GNSS）、地理信息系統(tǒng)（GIS）、遙測、仿真技術(shù)等對城市進行多分辨率、多尺度、多時空和多種類的三維描述，即利用信息技術(shù)手段把城市的過去、現(xiàn)狀和未來的全部內(nèi)容在網(wǎng)絡上進行數(shù)字化虛擬實現(xiàn)，并在此基礎上將城市的各種數(shù)字信息及各種信息資源加以整合并充分利用。

“智慧城市”是繼“數(shù)字城市”后，城市信息化發(fā)展的新目標和新階段。相比數(shù)字城市，智慧城市更加強調(diào)城市信息的全面感知、互聯(lián)互通，以及城市生活的智能決策與處理。數(shù)字城市與智慧城市之間的區(qū)別見表1。

表1 數(shù)字城市與智慧城市的區(qū)別

2.智慧城市體系架構(gòu)

從天地一體化綜合信息系統(tǒng)集成應用的角度提出智慧城市體系架構(gòu)。智慧城市體系架構(gòu)由一個平臺、兩張網(wǎng)絡、三類應用、兩個保障組成，如圖1所示。一個平臺為智慧共用的基礎信息平臺，兩張網(wǎng)絡為泛在感知網(wǎng)和天地立體通信網(wǎng)，三類應用為智慧政務應用、智慧民生應用和智慧行業(yè)應用，兩個保障為信息安全體系和管理機制。

其中，徹底、有效的感知是智慧城市建設的基礎和核心要求。按照劉經(jīng)南院士對地球空間智能傳感網(wǎng)的設想,未來應建立互聯(lián)、共通、共享的天、空、地協(xié)同式感知網(wǎng)絡。其中天基平臺由各類衛(wèi)星等構(gòu)成，空基平臺由平流層氣球、飛艇、無人機等空基感知網(wǎng)絡平臺，地基平臺則以衛(wèi)星導航增強系統(tǒng)為主要骨干網(wǎng)絡構(gòu)成。

二、北斗地基增強系統(tǒng)建設現(xiàn)狀

為提升北斗衛(wèi)星導航服務性能以適應關(guān)系國家安全戰(zhàn)略的重點行業(yè)及領域應用需求，促進北斗產(chǎn)業(yè)規(guī)?；l(fā)展，亟待建設層次互補、開放兼容、面向應用的北斗地基增強基礎設施——基于北斗系統(tǒng)的多模連續(xù)運行參考站網(wǎng)。

圖 1 智慧城市體系架構(gòu)

1.北斗地基增強系統(tǒng)的組成

北斗地基增強系統(tǒng)主要由基準站子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理中心、數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)、用戶應用子系統(tǒng)構(gòu)成?；鶞收臼荂ORS系統(tǒng)的重要基礎設施，為用戶計算差分改正數(shù)等其他監(jiān)測數(shù)據(jù)。CORS通信子系統(tǒng)是由GNSS衛(wèi)星、計算機、GNSS接收機、用戶通信設備、無線通信基站、網(wǎng)絡設備等物理設備構(gòu)成節(jié)點，由電話線、網(wǎng)線、無線信號等建立起來的物理鏈路?？梢詫崿F(xiàn)“基準站——數(shù)據(jù)中心”、“數(shù)據(jù)中心——用戶終端”之間的通信。用戶應用子系統(tǒng)是保證用戶完成差分導航及定位的終端設備。按照應用場景不同可分為測量型、車載型、航空型、手持型等等。數(shù)據(jù)中心子系統(tǒng)是北斗 GNSS局域增強系統(tǒng)的核心單元，通過運行網(wǎng)絡RTK系統(tǒng)管理和定位服務軟件，實時快速處理多個GNSS基準站的數(shù)據(jù)，建立各種誤差修正模型，為分布在各地的用戶提供高精度的實時差分修正數(shù)，同時為事后用戶提供高精度的參考數(shù)據(jù)。

CORS網(wǎng)通過建設若干永久性連續(xù)運行的基準站，實現(xiàn)對衛(wèi)星信號長時間的連續(xù)跟蹤觀測，利用網(wǎng)絡解算獲取覆蓋該地區(qū)和該時間段的“局域精密星歷”及其他改正參數(shù)，用于測區(qū)內(nèi)其它基線觀測值的精密解算。其定位精度達到實時厘米級、事后毫米級，大大提高衛(wèi)星導航系統(tǒng)應用效能，可向社會各行業(yè)提供各種地理空間信息數(shù)據(jù)服務，滿足高精度測量需求。同時，連續(xù)運行參考站網(wǎng)可以提供連續(xù)不間斷的對導航衛(wèi)星的完好性監(jiān)測，可對衛(wèi)星精密星歷、衛(wèi)星精密鐘差、大氣層傳播延遲等誤差進行確定并播報，大大克服導航衛(wèi)星系統(tǒng)在可靠性、可用性方面的脆弱性。

2.我國北斗地基增強系統(tǒng)建設情況

（1）國家級北斗地基增強系統(tǒng)總體布局

我國已迎來面向未來的重大空間信息化基礎設施的密集建設期。2013年9月國務院辦公廳頒布了《國家衛(wèi)星導航產(chǎn)業(yè)中長期發(fā)展規(guī)劃》。規(guī)劃明確提出完善導航基礎設施，未來以提升衛(wèi)星導航服務性能為目標，加快建設統(tǒng)一、協(xié)調(diào)、完整、開放的衛(wèi)星導航基礎設施體系，重點建設多模連續(xù)運行參考站網(wǎng)等重大地面基礎設施。

中國衛(wèi)星導航系統(tǒng)管理辦公室已將北斗地基增強系統(tǒng)作為中國第二代衛(wèi)星導航系統(tǒng)重大專項應用推廣與產(chǎn)業(yè)化項目，在“十二五”期間完成建設并投入使用。未來將充分依托行業(yè)部門及地方政府先期建設積累的GPS監(jiān)測資源，借助各系統(tǒng)陸續(xù)開展北斗性能監(jiān)測升級換代的時機，建成覆蓋我國大陸和海域的近千個框架網(wǎng)和加密網(wǎng)基準站，構(gòu)建可靠的天基和地基增強信息播發(fā)手段，提供廣域2m級和分米級的北斗高精度導航位置服務和相關(guān)的完好性監(jiān)測服務，以及區(qū)域厘米級、事后毫米級的北斗/GNSS精密定位服務，提供北斗/GNSS實時和事后數(shù)據(jù)交換服務，形成北斗衛(wèi)星導航地面監(jiān)測資源全國一張網(wǎng)，建成性能先進、穩(wěn)定可靠的北斗地基增強系統(tǒng)。

（2）區(qū)域和行業(yè)北斗地基增強系統(tǒng)建設現(xiàn)狀

我國多個區(qū)域和行業(yè)已意識到北斗衛(wèi)星導航應用對提高產(chǎn)業(yè)效率、推動產(chǎn)業(yè)升級、拓展新興消費領域等經(jīng)濟推動力，紛紛制定了導航產(chǎn)業(yè)相關(guān)規(guī)劃并啟動了區(qū)域CORS系統(tǒng)建設。

深圳市作為中國首個城市CORS示范建設城市，其先行先試效果明顯。2012年11月，深圳市發(fā)改委發(fā)布了《關(guān)于深圳市北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)應用產(chǎn)業(yè)化實施方案》。方案中提出建設三大基礎工程，包括北斗地基增強系統(tǒng)、北斗時空服務平臺、北斗產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新平臺，并明確將按照“智慧深圳”統(tǒng)一部署，推動北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的廣泛應用，在智慧公交、警務車輛管理、私家車服務三大應用實施推廣工程。深圳市北斗地基增強系統(tǒng)建設2013年6月啟動，計劃2014年驗收投入使用。

湖北省CORS建設一直走在全國前列。2012年完成湖北省連續(xù)運行衛(wèi)星定位服務系統(tǒng)（HBCORS）建設，建立了覆蓋全省范圍的80 個連續(xù)運行參考站和1個固定監(jiān)測站。2013年12月政府出臺了《湖北省北斗衛(wèi)星導航應用產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2014-2020年）》，規(guī)劃中將建設和完成省北斗地基增強系統(tǒng)作為重大項目，提出要實現(xiàn)全省范圍內(nèi)的厘米級實時精密定位服務，并以此為基礎，開發(fā)厘米級高精度定位智能終端產(chǎn)品，在智慧城市地理空間框架建設、地理國情普查及監(jiān)測、基礎測繪等方面的深度應用，實現(xiàn)北斗地基增強系統(tǒng)應用產(chǎn)業(yè)化。規(guī)劃中還明確在智慧交通、智慧物流、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、智慧林業(yè)、智慧航運、智慧社區(qū)六大領域基于北斗的智能化服務應用工程，并選擇有條件的城市和區(qū)域開展智慧城市建設。

上海市戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)項目——“北斗衛(wèi)星高精度接收設備研制和地面增強網(wǎng)”已取得初步成果。2012年底，上海市完成北斗CORS應用示范項目建設。該項目共15站點，覆蓋整個上海市區(qū)以及周邊城鎮(zhèn)，目前已經(jīng)完成第一期工作，通過內(nèi)部組織驗收測試，精度和性能上均符合國家相關(guān)規(guī)范要求，正在進行試運行。2013年6月，上海市測繪院啟動了上海市CORS系統(tǒng)北斗改造工程。根據(jù)上海市衛(wèi)星導航產(chǎn)業(yè)的總體發(fā)展規(guī)劃，到2015年，上海市要率先建成衛(wèi)星導航基礎設施比較完備，產(chǎn)業(yè)特色比較鮮明，產(chǎn)業(yè)規(guī)模相對較大，應用示范全面領先的城市，使衛(wèi)星導航與位置服務成為上海展示智慧城市建設成果的載體。

除區(qū)域外，交通運輸部也啟動了導航地基增強系統(tǒng)的建設和推廣應用工作。以往交通部在沿海建立了20余個GPS CORS構(gòu)成了衛(wèi)星定位地面差分站,主要用于沿海船舶導航定位。2013年4月26日，交通運輸部綜合規(guī)劃司組織召開了“北斗地基增強系統(tǒng)建設方案論證研究大綱咨詢會”, 標志著交通運輸行業(yè)北斗地基增強系統(tǒng)建設方案論證工作正式啟動。交通行業(yè)北斗地基增強系統(tǒng)，旨在為北斗交通行業(yè)深度應用提供有力支撐，為交通信息化和智能化提供高精度位置基礎。目前論證的方案中具體建設內(nèi)容包括：建設基于高速公路光纖網(wǎng)的衛(wèi)星導航基礎觀測網(wǎng)絡、增強數(shù)據(jù)處理中心，面向公路、內(nèi)河、沿海、鐵路、民航分別建設應用服務系統(tǒng)，包括高精度地圖，多種信息播發(fā)手段和應用平臺。

三、北斗地基增強系統(tǒng)的應用需求分析

1.北斗地基增強系統(tǒng)的行業(yè)應用需求總體分析

北斗地基增強系統(tǒng)可將北斗導航定位性能提高至實時分米級、厘米級和事后毫米級，在此梳理了四大類十四種行業(yè)應用對高精度位置信息的需求，綜合其精度、可用性、實時性三類需求，可以發(fā)現(xiàn)建設覆蓋全面的北斗地基增強系統(tǒng)是滿足應用需求的最便利和經(jīng)濟的方式和手段，見表2。

表2 高精度位置信息在行業(yè)應用的需求分析表

續(xù) 表2

2.北斗地基增強系統(tǒng)的行業(yè)帶動作用

北斗地基增強系統(tǒng)是改造提升傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的助推器和倍增器。在產(chǎn)品和裝備中融入高精度偽距差分終端或軟件，實現(xiàn)產(chǎn)品和裝備的數(shù)字化和智能化，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)精準化、測量實時性、大型設備自動化。在物流運輸過程融入時空位置信息，整合其他信息化手段，即可優(yōu)化物流管理流程，實現(xiàn)過程智能化。CORS系統(tǒng)在高精度測量領域、現(xiàn)代精準農(nóng)業(yè)、工業(yè)自動化、物流自動化等領域的應用，大大提高提升整個產(chǎn)業(yè)鏈的綜合競爭能力，促進傳統(tǒng)行業(yè)轉(zhuǎn)型升級。

北斗地基增強系統(tǒng)是奠定物聯(lián)網(wǎng)戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的基石。物聯(lián)網(wǎng)建設首先要形成縱向天空地立體覆蓋、橫向全面無縫感知的信息感知網(wǎng)絡。CORS網(wǎng)作為時空基準為所有智能感知網(wǎng)提供時空位置服務，其終端可與各類傳感器共同完成信息采集，構(gòu)成天、空、地一體化的地理域情感知網(wǎng)絡。因此，CORS系統(tǒng)是物聯(lián)網(wǎng)的重要基礎設施。CORS網(wǎng)終端、芯片與各類傳感器的融合，蘊含著巨大的創(chuàng)新空間，將催生大量新產(chǎn)品、新應用、新模式也將不斷創(chuàng)新，從而推進物聯(lián)網(wǎng)感知能力。

在智慧城市建設中，區(qū)域北斗地基增強系統(tǒng)的運營平臺是智慧城市基礎信息平臺的重要組成。掌握CORS網(wǎng)運營，就等于掌握區(qū)域北斗高精度位置服務的標準制定和接口設計的主導權(quán)，對開拓區(qū)域物聯(lián)網(wǎng)和智慧城市等時空基準服務關(guān)聯(lián)市場掌握先機。同時，區(qū)域北斗地基增強系統(tǒng)的運營管理將掌握區(qū)域內(nèi)大量用戶的時空動態(tài)數(shù)據(jù)，為未來的大數(shù)據(jù)驅(qū)動型經(jīng)濟發(fā)展獲取先機。

四、推動北斗地基增強系統(tǒng)的建議

未來北斗地基增強系統(tǒng)將作為智慧城市建設的基礎設施，其部署將從根本上解決我國高精度位置服務領域的信息安全，未來其與互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)以及云計算、大數(shù)據(jù)的融合，將催生大量的新技術(shù)、新產(chǎn)品、新應用、新模式，為北斗產(chǎn)業(yè)化應用帶來難得的發(fā)展機遇和廣闊的發(fā)展空間。

當前，中國北斗地基增強系統(tǒng)仍然處于發(fā)展初期，依然存在亟待解決的問題。在技術(shù)層面，與美國GPS CORS參考站網(wǎng)絡形成國家級、合作式、區(qū)域型三類設施不同，中國尚未形成各行業(yè)北斗地基增強系統(tǒng)的分類標準和技術(shù)要求。因此，制定北斗CORS建設和運營管理的標準對于促進各類地基增強系統(tǒng)的良性發(fā)展，并保證最終全國一張網(wǎng)的互通性和標準化有重要作用。

中國原有的GPS CORS的建設者和使用者主要集中為測繪、氣象、地震等主管部門，為促進北斗地基增強系統(tǒng)的社會化應用，必須秉著開放、包容的原則，拓寬建設和運營北斗地基增強系統(tǒng)的門檻；同時，在平臺的運營管理上，要結(jié)合分析其商業(yè)模式，為用戶提供自動化、智能化解決方案，以創(chuàng)新商業(yè)模式帶動產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展。

由于中國存在區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展不均衡的問題，當前真正開始建設北斗地基系統(tǒng)的區(qū)域主要集中在經(jīng)濟發(fā)達區(qū)域，在西部等經(jīng)濟欠發(fā)達地區(qū)存在建站晚、站點少的問題，亟需從國家層面進行支持。

高分二號衛(wèi)星上海融合影像

圖為高分二號衛(wèi)星獲取的上海區(qū)域影像，為全色影像（0.8m）和多光譜影像（3.2m）融合圖，接收日期為2014年9月25日。

國防科工局重大專項工程中心 制作中國資源衛(wèi)星應用中心