●文｜中國(guó)交通通信信息中心　張炳琪

?

交通運(yùn)輸領(lǐng)域衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)應(yīng)用發(fā)展研究

●文｜中國(guó)交通通信信息中心張炳琪

衛(wèi)星導(dǎo)航的應(yīng)用為交通運(yùn)輸引導(dǎo)、組織、服務(wù)帶來(lái)了革命性的變化。在過(guò)去的近40年，衛(wèi)星導(dǎo)航在交通上的應(yīng)用經(jīng)歷了位置參考、概略導(dǎo)航、精細(xì)導(dǎo)航三個(gè)階段。在位置參考階段，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)獲得的位置信息可供交通工具導(dǎo)航參考，該階段從20世紀(jì)70年代至80年代，主要的系統(tǒng)是子午衛(wèi)星系統(tǒng)，定位精度不足1km，且需要間隔1個(gè)多小時(shí)定位一次，用戶終端價(jià)格高昂，用戶量很少，但即使是這樣的定位精度和定位頻度，也極大地方便了船舶導(dǎo)航。在概略導(dǎo)航階段依靠衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)獲得的位置信息可粗略地引導(dǎo)交通工具，該階段從20世紀(jì)80年代中至90年代中，主要的服務(wù)系統(tǒng)是美國(guó)的GPS和蘇聯(lián)的GLONASS系統(tǒng)，民用定位精度可達(dá)百米，用戶終端價(jià)格依舊較高，用戶量較少，該階段已經(jīng)開(kāi)始發(fā)展車輛導(dǎo)航應(yīng)用。在精細(xì)導(dǎo)航階段，可以依靠衛(wèi)星導(dǎo)航定位信息進(jìn)行道路級(jí)導(dǎo)航、引導(dǎo)車輛在復(fù)雜的路網(wǎng)中抵達(dá)目的地，該階段是從20世紀(jì)90年代末至今，主要的服務(wù)系統(tǒng)加入了我國(guó)的北斗系統(tǒng)，定位精度可達(dá)10m，用戶終端非常廉價(jià)，用戶數(shù)量爆發(fā)式增長(zhǎng)，為交通出行、管理、服務(wù)帶來(lái)了很大的方便。

總結(jié)這三個(gè)階段的發(fā)展趨勢(shì)，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的精度越來(lái)越高、用戶數(shù)量越來(lái)越多、在交通中的作用越來(lái)越大。在當(dāng)前交通領(lǐng)域智能化、信息化的背景下，智能駕駛、無(wú)人駕駛等先進(jìn)科技快速發(fā)展，新一代的交通組織和控制蓄勢(shì)待發(fā)，對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航定位提出了新的需求。預(yù)計(jì)在2020年前后，衛(wèi)星導(dǎo)航交通應(yīng)用將發(fā)展到第四個(gè)階段，即位置控制階段，定位精度將達(dá)到米級(jí)，同時(shí)對(duì)可靠性、連續(xù)性和定位頻度都提出了更高的要求，服務(wù)系統(tǒng)將是GPS、GLONASS、北斗、伽利略、天基增強(qiáng)系統(tǒng)、地基增強(qiáng)系統(tǒng)、慣導(dǎo)、地基導(dǎo)航系統(tǒng)的綜合集成。

構(gòu)建位置控制階段發(fā)展環(huán)境涉及諸多方面，本文將重點(diǎn)討論其中最重要的支撐系統(tǒng)——衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)，分析增強(qiáng)系統(tǒng)分類、發(fā)展和趨勢(shì)，研究交通運(yùn)輸領(lǐng)域應(yīng)用需求，提出發(fā)展建議。

一、衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)分析

自衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)技術(shù)出現(xiàn)以來(lái)，在世界各國(guó)建設(shè)了各種類型的增強(qiáng)系統(tǒng)，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外更是掀起了建設(shè)和使用增強(qiáng)系統(tǒng)的熱潮。本文從應(yīng)用角度對(duì)增強(qiáng)系統(tǒng)或服務(wù)的歸類、發(fā)展階段劃分以及發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行討論。

1.增強(qiáng)系統(tǒng)分類

增強(qiáng)系統(tǒng)按照各種維度可以分為不同種類，例如，按照播發(fā)鏈路的不同，可以分為天基增強(qiáng)系統(tǒng)和地基增強(qiáng)系統(tǒng)，按照服務(wù)范圍可以分為廣域增強(qiáng)系統(tǒng)和區(qū)域增強(qiáng)系統(tǒng)。本文從應(yīng)用服務(wù)角度出發(fā)，將增強(qiáng)系統(tǒng)分為臨時(shí)服務(wù)系統(tǒng)和永久服務(wù)系統(tǒng)，其中永久服務(wù)系統(tǒng)又可以分為專用系統(tǒng)、專業(yè)公共服務(wù)系統(tǒng)、通用公共服務(wù)系統(tǒng)和商業(yè)服務(wù)系統(tǒng)。目前在北斗系統(tǒng)工程中建設(shè)的北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)屬于通用公共服務(wù)系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上交通運(yùn)輸部門需要構(gòu)建專業(yè)公共服務(wù)系統(tǒng)。以下將分別討論各類系統(tǒng)的特點(diǎn)。

臨時(shí)服務(wù)系統(tǒng)：是針對(duì)臨時(shí)性、小范圍的高精度定位需求，單位或個(gè)人臨時(shí)建設(shè)的差分系統(tǒng)，短時(shí)間服務(wù)于小范圍的特定用戶。優(yōu)勢(shì)在于方便靈活，可以在沒(méi)有永久服務(wù)系統(tǒng)的情況下實(shí)現(xiàn)高精度定位。缺點(diǎn)在于系統(tǒng)建設(shè)成本較高，需要架設(shè)臨時(shí)基準(zhǔn)站，服務(wù)質(zhì)量不容易保證。臨時(shí)系統(tǒng)在增強(qiáng)系統(tǒng)發(fā)展初期得到了大量應(yīng)用。

永久服務(wù)系統(tǒng)：是針對(duì)某些應(yīng)用建設(shè)的永久性服務(wù)系統(tǒng)，細(xì)分的四類永久服務(wù)系統(tǒng)特點(diǎn)如下：

①專用系統(tǒng)：?jiǎn)挝换騻€(gè)人建設(shè)的“永久”差分系統(tǒng)，只服務(wù)于特定用戶。如大壩監(jiān)控、港口作業(yè)、農(nóng)業(yè)。特點(diǎn)是應(yīng)用單一，運(yùn)行維護(hù)成本高，綜合效益差。

②專業(yè)公共服務(wù)系統(tǒng)：政府或公共服務(wù)機(jī)構(gòu)建設(shè)的面向某類應(yīng)用的系統(tǒng)，提供開(kāi)放服務(wù)。我國(guó)建設(shè)的沿海差分系統(tǒng)、美國(guó)的WAAS（廣域增強(qiáng)系統(tǒng)）等是面向交通的公共服務(wù)系統(tǒng)。

③通用公共服務(wù)系統(tǒng)：政府或公共服務(wù)機(jī)構(gòu)建設(shè)的可以滿足多種應(yīng)用的增強(qiáng)系統(tǒng)。如IGS服務(wù)（國(guó)際全球衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù)），德國(guó)SAPOS（德國(guó)衛(wèi)星定位與導(dǎo)航服務(wù)）系統(tǒng)，日本的QZSS系統(tǒng)（準(zhǔn)天頂衛(wèi)星系統(tǒng)）。

④商業(yè)服務(wù)系統(tǒng)：面向某類高附加值、對(duì)服務(wù)質(zhì)量要求較高的應(yīng)用，由商業(yè)公司提供有償服務(wù)。如星火（Starfire）等系統(tǒng)，主要面向精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、海洋測(cè)繪等應(yīng)用提供收費(fèi)的增強(qiáng)服務(wù)。

2.發(fā)展階段劃分

增強(qiáng)系統(tǒng)隨著衛(wèi)星導(dǎo)航高精度定位技術(shù)不斷發(fā)展，不同類型的增強(qiáng)系統(tǒng)面向不同的應(yīng)用需求。按照建設(shè)時(shí)間和系統(tǒng)特點(diǎn)可以分為三個(gè)階段：

第一階段為初步發(fā)展期。從20世紀(jì)90年代初出現(xiàn)了面向局部高精度應(yīng)用的單站差分增強(qiáng)系統(tǒng)，這個(gè)階段多以臨時(shí)服務(wù)系統(tǒng)的形式存在。

第二階段為面向各專業(yè)應(yīng)用的獨(dú)立發(fā)展階段。20世紀(jì)90年代中期開(kāi)始出現(xiàn)面向某一應(yīng)用方向服務(wù)的專業(yè)永久增強(qiáng)系統(tǒng)，為特定行業(yè)提供專業(yè)服務(wù)。各系統(tǒng)間相互獨(dú)立發(fā)展，典型代表為美國(guó)的WAAS等增強(qiáng)系統(tǒng)。

第三階段為資源共享、融合發(fā)展階段。近幾年來(lái)，國(guó)外建設(shè)的增強(qiáng)系統(tǒng)多具有綜合服務(wù)功能。如歐洲EGNOS系統(tǒng)（歐洲自主建設(shè)的第一個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)）不僅提供天基的增強(qiáng)服務(wù)，還可以通過(guò)企業(yè)級(jí)分布式應(yīng)用服務(wù)（EDAS）功能利用地面通信資源播發(fā)增強(qiáng)信息，以滿足不同應(yīng)用的需求。

3.發(fā)展趨勢(shì)分析

目前，國(guó)內(nèi)外衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)的發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入第三階段，比較顯著的發(fā)展趨勢(shì)如下：

①基礎(chǔ)融合：基礎(chǔ)設(shè)施方面，基準(zhǔn)站是所有差分增強(qiáng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，世界各國(guó)均推動(dòng)基準(zhǔn)站的共用共享，包括各行業(yè)間和各國(guó)間；數(shù)據(jù)產(chǎn)品方面，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)狀態(tài)、精密軌道、精密鐘差、電離層格網(wǎng)等產(chǎn)品具有通用性，可以在增強(qiáng)系統(tǒng)間共享。歐洲的SAPOS和EGNOS在基礎(chǔ)融合方面做了很好的嘗試。

②產(chǎn)品細(xì)分：各應(yīng)用領(lǐng)域?qū)υ鰪?qiáng)服務(wù)的需求不盡一致，需要在基礎(chǔ)融合的前提下，發(fā)展細(xì)分的增強(qiáng)服務(wù)產(chǎn)品。如日本QZSS系統(tǒng)可以播發(fā)多種差分信息和通信信息，實(shí)現(xiàn)從米級(jí)至厘米級(jí)的定位，還可以實(shí)現(xiàn)地震等自然災(zāi)害預(yù)警。隨著衛(wèi)星導(dǎo)航在智能駕駛和物聯(lián)網(wǎng)等方面的深入應(yīng)用，將會(huì)產(chǎn)生出更多的增強(qiáng)信息產(chǎn)品。

③服務(wù)多樣：美歐現(xiàn)有的增強(qiáng)系統(tǒng)在服務(wù)多樣化方面進(jìn)行了很好的嘗試，并取得初步成功。現(xiàn)有的增強(qiáng)服務(wù)包括公益服務(wù)、商業(yè)服務(wù)、全球服務(wù)、區(qū)域服務(wù)、天基服務(wù)、地基服務(wù)等，以滿足不同用戶的多種應(yīng)用需求。

④應(yīng)用普及：近年來(lái)國(guó)際主流導(dǎo)航型芯片紛紛增加增強(qiáng)輔助功能，定位精度和定位收斂速度不斷提高。隨著增強(qiáng)服務(wù)的普及，未來(lái)增強(qiáng)應(yīng)用將不再是少數(shù)專業(yè)接收機(jī)的特有功能。

交通運(yùn)輸衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)的應(yīng)用和發(fā)展應(yīng)該符合上述趨勢(shì)。

二、交通運(yùn)輸領(lǐng)域衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)應(yīng)用需求

1.應(yīng)用需求綜合分析

衛(wèi)星導(dǎo)航在道路運(yùn)輸、水路運(yùn)輸、公路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和公眾交通等領(lǐng)域?qū)πl(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)服務(wù)的應(yīng)用需求主要包含以下四類：

（1）1～2m級(jí)精度增強(qiáng)服務(wù)需求

船舶監(jiān)控與導(dǎo)航、車輛監(jiān)控與導(dǎo)航、公路養(yǎng)護(hù)和公眾交通出行等應(yīng)用均需1～2m級(jí)的精度增強(qiáng)服務(wù)，且該類服務(wù)要求覆蓋主要內(nèi)河、沿海和公路，實(shí)時(shí)性要求也比較高。用戶包含營(yíng)運(yùn)車輛、乘用車輛、養(yǎng)護(hù)車輛及手機(jī)用戶，預(yù)計(jì)用戶規(guī)模將達(dá)到億級(jí)。

（2）分米級(jí)精度增強(qiáng)服務(wù)需求

航道測(cè)量、航道疏浚、沿海船舶進(jìn)港、車輛碰撞、事故調(diào)查、施工機(jī)械控制應(yīng)用等均需提供分米級(jí)的高精度導(dǎo)航增強(qiáng)服務(wù)，根據(jù)應(yīng)用的范圍確定覆蓋區(qū)域，且需要具備一定的實(shí)時(shí)性。分米級(jí)高精度導(dǎo)航位置需求發(fā)展迅速，涉及領(lǐng)域眾多，用戶規(guī)模將達(dá)到百萬(wàn)級(jí)。

（3）厘米級(jí)、毫米級(jí)精度增強(qiáng)需求

厘米級(jí)、毫米級(jí)精密定位服務(wù)主要面向交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)工程前期測(cè)量、橋梁邊坡形變監(jiān)測(cè)、大型施工機(jī)械精密控制、駕駛員培訓(xùn)等應(yīng)用領(lǐng)域，對(duì)實(shí)時(shí)性和可用性有較高的要求。厘米級(jí)實(shí)時(shí)精密定位服務(wù)初步針對(duì)固定的用戶群，隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的快速發(fā)展，用戶規(guī)模會(huì)達(dá)到十萬(wàn)級(jí)。

（4）完好性增強(qiáng)服務(wù)需求

交通行業(yè)在生命財(cái)產(chǎn)安全方面具有其特殊性，地基增強(qiáng)系統(tǒng)不僅僅只考慮精度增強(qiáng)，還需要考慮完好性增強(qiáng)。在主要的交通導(dǎo)航應(yīng)用中，船舶避碰告警、船舶進(jìn)港引航、車輛碰撞預(yù)警和交通基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測(cè)等對(duì)完好性均有相應(yīng)的要求。

2.應(yīng)用特點(diǎn)分析

與測(cè)繪、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)等應(yīng)用相比，交通運(yùn)輸領(lǐng)域衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)應(yīng)用有較強(qiáng)的特殊性，主要反映在用戶規(guī)模、應(yīng)用模式、使用范圍和可靠性要求等方面。

首先，交通用戶規(guī)模巨大，如在手機(jī)用戶中推廣增強(qiáng)應(yīng)用則用戶量更加巨大。這一特點(diǎn)要求增強(qiáng)服務(wù)系統(tǒng)具有很強(qiáng)的處理能力，能夠應(yīng)對(duì)千萬(wàn)級(jí)甚至億級(jí)規(guī)模用戶的服務(wù)。

其次，交通領(lǐng)域衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)應(yīng)用模式多種多樣，包括公眾應(yīng)用、企業(yè)應(yīng)用和政府應(yīng)用，各自的需求和價(jià)格敏感程度差異較大，需要根據(jù)各種細(xì)分市場(chǎng)提供多樣化的服務(wù)產(chǎn)品。

再次，應(yīng)用范圍方面，交通運(yùn)輸具有流動(dòng)性大，使用范圍廣等特點(diǎn)，要求在各省市、各公路、主要水路等主要交通應(yīng)用領(lǐng)域均有一致的增強(qiáng)服務(wù)，這對(duì)增強(qiáng)服務(wù)的播發(fā)手段和覆蓋范圍具有較高的要求。

最后，可靠性方面，交通運(yùn)輸涉及到公路收費(fèi)、違章處理等管理性應(yīng)用，甚至涉及未來(lái)的無(wú)人駕駛等應(yīng)用，對(duì)增強(qiáng)服務(wù)的精度和可靠性要求很高，需要增強(qiáng)系統(tǒng)具有穩(wěn)定可靠的服務(wù)能力。

三、交通運(yùn)輸領(lǐng)域衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)應(yīng)用發(fā)展思路

面向交通運(yùn)輸領(lǐng)域高精度定位應(yīng)用需求，應(yīng)在國(guó)家相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施的基礎(chǔ)上，利用良好的基準(zhǔn)站資源，結(jié)合交通運(yùn)輸應(yīng)用需求特點(diǎn)，提供細(xì)分的導(dǎo)航增強(qiáng)服務(wù)和數(shù)據(jù)產(chǎn)品，為公路和水路交通運(yùn)輸用戶提供專業(yè)的衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)服務(wù)。發(fā)展思路如下：

（1）聚焦行業(yè)特點(diǎn)，打造專業(yè)服務(wù)

交通運(yùn)輸對(duì)于衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)服務(wù)的需求具有用戶量巨大、可靠性高的特點(diǎn)，涉及安全生產(chǎn)和安全監(jiān)管，關(guān)乎社會(huì)安全和人民群眾生命安全，需要高質(zhì)量、高可信的衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)服務(wù)。這就要求交通運(yùn)輸增強(qiáng)服務(wù)必須從專業(yè)角度出發(fā)，做好頂層設(shè)計(jì)，突出用戶專業(yè)需求，充分考慮用戶規(guī)模、用戶對(duì)成本的接受能力等因素，建設(shè)專業(yè)系統(tǒng)，打造專業(yè)服務(wù)。

（2）發(fā)布標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，推動(dòng)業(yè)務(wù)化運(yùn)行

研究制定并發(fā)布交通運(yùn)輸衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)應(yīng)用系列標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，確保系統(tǒng)建設(shè)、日常運(yùn)維、運(yùn)營(yíng)服務(wù)等環(huán)節(jié)的標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化。要充分結(jié)合交通運(yùn)輸各個(gè)領(lǐng)域的業(yè)務(wù)化運(yùn)行特點(diǎn)與需求，以標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的形式，推動(dòng)北斗增強(qiáng)服務(wù)與交通業(yè)務(wù)結(jié)合的持續(xù)性和深入性。

（3）倡導(dǎo)免費(fèi)服務(wù)，鼓勵(lì)增值運(yùn)營(yíng)

作為交通運(yùn)輸領(lǐng)域的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施，應(yīng)倡導(dǎo)增強(qiáng)數(shù)據(jù)和輔助定位免費(fèi)服務(wù)，同時(shí)鼓勵(lì)開(kāi)展高精度位置服務(wù)增值運(yùn)營(yíng)，推動(dòng)相關(guān)服務(wù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，反哺系統(tǒng)的日常運(yùn)維和升級(jí)換代，保持系統(tǒng)的生命力，確保系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展。

四、結(jié)論

“十三五”期間位置應(yīng)用將從“精細(xì)導(dǎo)航”階段升級(jí)為“基于位置的控制”階段，衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)提供的高精度定位能力和完好性告警能力是構(gòu)建位置控制服務(wù)的關(guān)鍵基礎(chǔ)。在我國(guó)已有增強(qiáng)服務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施的基礎(chǔ)上，應(yīng)遵循增強(qiáng)服務(wù)的發(fā)展規(guī)律，建設(shè)專用的增強(qiáng)服務(wù)系統(tǒng)，發(fā)布標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，盡快形成功能完善、性能一致、覆蓋全國(guó)的交通增強(qiáng)服務(wù)。