·文|廣州南方衛(wèi)星導航儀器有限公司市場中心

從應(yīng)用角度談北斗導航系統(tǒng)精準定位的發(fā)展趨勢

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隨著北斗導航系統(tǒng)（BDS）亞太區(qū)域運行的全面展開，BDS定位應(yīng)用真正走向了產(chǎn)業(yè)規(guī)模化，走進了尋常百姓家。雖然系統(tǒng)成熟度、成本等各方面還存在著一些需要磨合之處，但BDS的衛(wèi)星組成特別針對亞太地區(qū)的增強還是為衛(wèi)星導航定位領(lǐng)域帶來了實實在在的技術(shù)變革。

而聚焦于精準衛(wèi)星定位領(lǐng)域，在傳統(tǒng)GPS和GLONASS差分定位的基礎(chǔ)上，BDS的加入則正式開啟了GNSS多星定位的新時代：星座的分布和數(shù)量更趨完善，差分作用距離愈發(fā)擴展，定位終端的空間可用性不斷增強，而終端運算、通信性能的提升則為更多行業(yè)更廣泛的應(yīng)用精準定位提供了條件。

下文將分別就衛(wèi)星系統(tǒng)、差分源、定位終端以及應(yīng)用擴展4個方面分析BDS精準定位的發(fā)展趨勢。

一、衛(wèi)星系統(tǒng)

精準衛(wèi)星定位在衛(wèi)星系統(tǒng)方面的最顯著趨勢便是GNSS多星聯(lián)合解算時代的全面到來，BDS以及Galileo的加入，使得空域中的可視衛(wèi)星不斷增加；而針對亞太尤其是中國區(qū)域來說，BDS中地球同步軌道衛(wèi)星和區(qū)域增強衛(wèi)星的加入，使得星座分布更加合理，衛(wèi)星信號的穩(wěn)定性得到了極大地提升。

如圖1所示，在我國的南部地區(qū)，單一終端的衛(wèi)星捕獲數(shù)量可以經(jīng)常性的達到30顆以上，這就為精準衛(wèi)星定位更廣泛的應(yīng)用奠定了星座基礎(chǔ)。

圖1 GPS+GLONASS+BDS終端捕獲星圖

而在衛(wèi)星方面的另一個重要趨勢便是以GPS的L5和BDS的B3為代表的第三定位頻段的加入。定位衛(wèi)星的第三頻段往往較另外兩個頻段的波長更長，具有一定的衍射效應(yīng)，對于穿透透明膜層（如玻璃）、稀疏樹葉等弱遮擋環(huán)境有著明顯的效果提升。

此外，導航定位衛(wèi)星的通信功能變得進一步增強。這對衛(wèi)星定位的幫助或許有限，但這對位置信息的通信，尤其是在惡劣失聯(lián)環(huán)境下的位置反饋有著突出的作用和巨大的實用價值。

二、差分源

眾所周知，差分定位是現(xiàn)階段實現(xiàn)精準定位最可靠、最主流的定位方式，而加入BDS后GNSS差分源的變革便對精準定位的發(fā)展意義重大。從目前的應(yīng)用模式上看，一方面是基于CORS技術(shù)的北斗區(qū)域差分、廣域差分地基增強應(yīng)用范圍不斷擴展，另一方面則是北斗星站差分機制和衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的籌劃和設(shè)計建設(shè)。而在現(xiàn)階段，大規(guī)模展開實用的是地基增強提供差分源的方式，見圖2。

圖2 上海測繪院SHCORS系統(tǒng)網(wǎng)形圖及南方BDS子系統(tǒng)性能測試結(jié)論

在地基增強方面，除了原有的虛擬網(wǎng)絡(luò)參考站、主輔站技術(shù)繼續(xù)不斷完善和成熟之外，BDS還為地基增強系統(tǒng)帶來了更多的差分共用衛(wèi)星，從而大大增加了差分作用的距離和穩(wěn)定性；而多星聯(lián)合解算差分數(shù)據(jù)的播發(fā)，也使得城市環(huán)境下的精準衛(wèi)星定位應(yīng)用成為可能。

三、定位終端

可以視為基礎(chǔ)設(shè)施的衛(wèi)星系統(tǒng)和地基增強系統(tǒng)相比，精準GNSS定位終端的發(fā)展顯得更加的靈活和多樣化。

首先，BDS的加入使得精準GNSS定位終端的定位性能大幅提高，作業(yè)范圍進一步增加，如圖3所示，在典型的城市環(huán)境中，多星定位的可用區(qū)域得到了極大地擴展。

圖3 多星定位城市環(huán)境應(yīng)用范圍對比示意圖

其次，芯片、通信技術(shù)的發(fā)展，使得硬件平臺的性能不斷增強，使得用戶在定位現(xiàn)場可以結(jié)合底圖、位圖作業(yè)，也使得現(xiàn)場的作業(yè)場景和后臺的調(diào)度指令可以實現(xiàn)實時交互，真正實現(xiàn)作業(yè)可視化，服務(wù)云端化，見圖4。

圖4 地理國情監(jiān)測高性能精準定位采集系統(tǒng)示意圖

此外，硬件集成技術(shù)的不斷發(fā)展，使得各種專業(yè)設(shè)備得以在硬件層面和精準定位終端互聯(lián)互通，實現(xiàn)多種組合的作業(yè)模式。例如：定位終端和激光測距儀的結(jié)合解決了衛(wèi)星遮擋區(qū)域偏移測量的難題；精準定位終端和管線探測儀的結(jié)合，使得作業(yè)人員可以同時采集管線狀況和管線位置數(shù)據(jù)（圖5）。

而更加值得注意的趨勢是，除了將定位終端高度集成一體化之外，另一種終端研發(fā)思路則是將精準定位功能小型化、模塊化，再通過與民用智能終端（如手機、平板電腦等）互聯(lián)（通過線纜、藍牙、NFC等方式），結(jié)合研發(fā)出相應(yīng)的后臺服務(wù)APP，從而將精準位置充分開放給各種行業(yè)應(yīng)用APP使用，實現(xiàn)原有民用終端的精準化。

圖5 精準定位終端與管線探測儀的結(jié)合應(yīng)用

四、應(yīng)用擴展

將上文中提到的衛(wèi)星系統(tǒng)、差分源、定位終端的發(fā)展結(jié)合到一起，結(jié)合GIS的平臺和應(yīng)用，便實現(xiàn)了基于BDS的精準定位服務(wù)平臺，進而服務(wù)于各行各業(yè)的精準作業(yè)需求。

北斗精準定位作為一種全天候?qū)崟r性定位手段，其優(yōu)勢在于安全和精準，但不能單獨存在，必須依托當?shù)卣蚱髽I(yè)的GIS平臺而存在，簡單地說，就是必須和地圖結(jié)合起來，才能發(fā)揮最大的優(yōu)勢。

北斗精準定位服務(wù)的系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)見圖6。

圖6 北斗精準定位服務(wù)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)層由CORS系統(tǒng)（連續(xù)運行參考站）和用戶數(shù)據(jù)組成。

服務(wù)層主要解決的是用戶取得精準位置的問題，重點在于用戶所用終端及對用戶取得定位精度的分級管理，另外各個行業(yè)、公司的基礎(chǔ)GIS業(yè)務(wù)平臺也屬于服務(wù)層，這個層面便會涉及到大量精準定位終端和GIS平臺軟件。

應(yīng)用層則是一個根據(jù)行業(yè)細分的軟件開發(fā)領(lǐng)域，精準位置除了與地圖數(shù)據(jù)結(jié)合可以達到監(jiān)控、定位、導航、調(diào)度等的應(yīng)用外，還要和各行各業(yè)的實際業(yè)務(wù)需求相結(jié)合，實現(xiàn)室外工作流程的電子化、規(guī)范化，這便需要在定位終端和后臺GIS平臺兩個層面進行軟件的二次開發(fā)，如燃氣的管線定位終端便要和管線探測儀等專業(yè)設(shè)備連接，并在定位終端和后臺GIS平臺實現(xiàn)對管線探測儀數(shù)據(jù)的識別、傳輸和分析，還要結(jié)合巡檢、焊接人員的作業(yè)標準流程開發(fā)終端軟件。

從精度級別上來說，精準定位可以實現(xiàn)米級（1～3m）、亞米級（＜1m）、厘米級（＜20cm）3個常見級別的位置獲取，在以下領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

（1）傳統(tǒng)測繪類

傳統(tǒng)測繪領(lǐng)域?qū)珳识ㄎ坏膽?yīng)用較為成熟，自20世紀90年代GPS測量型RTK傳入我國以來，經(jīng)過20多年的普及，現(xiàn)階段各地測繪人員的主要測量方式均采用GNSS衛(wèi)星定位測量；

在傳統(tǒng)的測量RTK之外，便攜大屏幕智能定位終端在2013年開始的全國地理國情監(jiān)測項目中得到了廣泛運用，作業(yè)人員可以在勘察現(xiàn)場獲取精準位置，并結(jié)合航拍圖，對原有大比例尺地圖進行地物勘驗和修改。

（2）管線類

管線類精準應(yīng)用涵蓋多個行業(yè)領(lǐng)域，在城市范疇內(nèi)，燃氣、自來水（給排水）、供電照明等細分行業(yè)均有著明顯的需求；而在較大范圍內(nèi)的能源管道（石油、石化）、電力線路（國家電網(wǎng)、南方電網(wǎng)）也有著巨大的需求量；

管線類精準應(yīng)用解決的主要問題是在短時間內(nèi)快速確定某一特定管線特征點（如焊接點、泄漏點、閥門、變壓器、路燈桿）的準確位置，尤其是針對安全問題敏感的地下可燃氣體管線（如青島石化爆炸事件中的天然氣管線）有著顯著的優(yōu)勢；

而由于精準定位終端一般具備藍牙、RFID、WiFi、NFC等通信功能，可以和其他的行業(yè)專業(yè)設(shè)備（如管線探測儀）實現(xiàn)數(shù)據(jù)互聯(lián)，并通過移動通信網(wǎng)絡(luò)實時回傳給數(shù)據(jù)中心，能夠讓管線行業(yè)的巡檢、維修、施工作業(yè)流程實時操作實時審批，并兼具導航和指令調(diào)度的功能應(yīng)用。

（3）車輛監(jiān)控類

常見的車輛監(jiān)控一般采用低精度定位設(shè)備（如兩客一危），主要解決的是車輛在哪、行駛路線記錄的問題；而精準定位下的車輛應(yīng)用則可以監(jiān)控更多的車輛實時狀態(tài)，包括精確判斷車速、油量、里程及行駛范圍，實現(xiàn)對車輛的車道級監(jiān)控（亞米級精度即可實現(xiàn)），滿足對特定區(qū)域內(nèi)（如安全要求較高的廠區(qū)、礦區(qū)）、特種車輛（如危險性物體載運車、可燃氣體探測車、高等級活動環(huán)衛(wèi)清掃車）的精確監(jiān)控需求。

（4）水上應(yīng)用類

精準定位的船舶應(yīng)用除了結(jié)合航道圖的導航、定向定位外，還可以結(jié)合水上測深儀完成航道疏浚、測量任務(wù)；在港口范疇內(nèi)的船舶停泊精確導航（可結(jié)合自動化技術(shù)實現(xiàn)自動停泊）、集裝箱貨運的精確機械控制方面也有著很多應(yīng)用案例。

（5）精準路線控制類

應(yīng)用衛(wèi)星精準定位實現(xiàn)對車輛、機械的厘米級精確路線控制在國外已經(jīng)有廣泛的應(yīng)用，在精準農(nóng)業(yè)范疇，結(jié)合自動駕駛實現(xiàn)全天候農(nóng)機自動精確播種、收割；在道路施工范疇，實現(xiàn)對道路壓實的精確控制；在高速鐵路施工實現(xiàn)對軌道鋪設(shè)的精確測量；

這方面的應(yīng)用在國內(nèi)已經(jīng)開始起步，尤其集中在現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的需求巨大，東北、內(nèi)蒙和新疆等大農(nóng)場集聚地區(qū)已有成熟的應(yīng)用；在新一輪土地改革的推動下，更多的農(nóng)村地區(qū)將出現(xiàn)土地集中使用、耕種的規(guī)?；?、集約化需求，前景廣闊。

（6）安全安防類

在地質(zhì)災害頻發(fā)的山區(qū)、水壩，以及針對安全要求較高橋梁、高層建筑物，精準定位可以實現(xiàn)對剛體外形的形變、沉降監(jiān)測，精度可達到毫米級別，達到全天候、實時地解算和圖形化顯示，在尾礦庫、水庫、大型橋梁、大范圍地面沉降等方面已有很多成熟案例。

（7）駕駛?cè)丝荚囶?/p>

2013年1月1日開始執(zhí)行的公安部第123號令——《機動車駕駛證申領(lǐng)和使用規(guī)定》，對駕駛?cè)丝荚噧?nèi)容進行了調(diào)整，并提出了新的更加嚴格的要求，這對駕駛?cè)丝荚囇邪l(fā)行業(yè)是一個新的挑戰(zhàn)，必須嚴格按照新部令要求，摒棄落后技術(shù)，結(jié)合衛(wèi)星定位系統(tǒng)對車輛進行實時動態(tài)定位定姿測量，從而達到不需要在考試場地安裝設(shè)備就可以精確評判的效果。

目前全國各地的駕照考試場地已經(jīng)開始陸續(xù)采用精準定位實現(xiàn)考試結(jié)果無人介入評判，年市場容量達到了10億量級，而各地駕校也開始實施高度模擬真實考試環(huán)境的駕駛?cè)伺嘤栂到y(tǒng)，將使駕駛?cè)丝荚嚒⑴嘤柺袌鰧崿F(xiàn)進一步的增長。

（8）執(zhí)法巡查類

警務(wù)、城管及市政巡查，是近幾年來廣泛應(yīng)用米級精準定位的執(zhí)法巡查領(lǐng)域。

結(jié)合高度加密的后臺系統(tǒng)，警務(wù)、城管人員可以應(yīng)用精準定位終端實現(xiàn)現(xiàn)場執(zhí)法的查詢（身份確認）、上報（實時回傳）、處罰（罰單打印）、取證（圖像、視頻采集）等一系列執(zhí)法流程；

市政巡查人員則可以結(jié)合地圖數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對市政物件（如井蓋、垃圾桶、路燈等）和市政事件（損壞、丟失、報廢等）的現(xiàn)場實時操作。