文｜張奮 賈小林 姬劍鋒 王龍

1．西安測繪研究所

2．地理信息工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

一、前言

2020年6月23日，北斗三號最后一顆組網(wǎng)衛(wèi)星成功發(fā)射。2020年7月31日，北斗三號建成暨開通儀式舉行，北斗三號全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正式開通，標(biāo)志著我國北斗系統(tǒng)迎來全球服務(wù)時代，提供全天候、全天時、高精度的定位、導(dǎo)航和授時服務(wù)。實(shí)際上，從2012年起，北斗系統(tǒng)便開始正式提供亞太區(qū)域服務(wù)。2020年，我國以北斗應(yīng)用發(fā)展為核心的衛(wèi)星導(dǎo)航與位置服務(wù)產(chǎn)業(yè)總體產(chǎn)值已達(dá)到4033億元，與2019年相比增長約16.9%，預(yù)計到2025年，北斗產(chǎn)業(yè)總值將達(dá)到1萬億元。據(jù)統(tǒng)計，2021年第一季度，在中國入網(wǎng)的智能手機(jī)，有79%以上提供北斗定位服務(wù)；共享單車配裝北斗終端實(shí)現(xiàn)精細(xì)管理；牧民在家就能通過北斗項(xiàng)圈放牧牛羊；支持北斗系統(tǒng)的手表、手環(huán)、學(xué)生卡，讓人們?nèi)粘Ｉ罡颖憷辉谛鹿谝咔樽钃魬?zhàn)中，北斗的貢獻(xiàn)有目共睹；全國各地數(shù)十萬臺北斗終端進(jìn)入物流行業(yè)。

北斗系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于智能交通、應(yīng)急救援、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、農(nóng)林水利、海洋開發(fā)、智慧物流、測繪勘探、電力系統(tǒng)等多個行業(yè)，并且逐漸向智能手機(jī)、智能穿戴設(shè)備等智能化、小型化領(lǐng)域發(fā)展。本文在闡述北斗系統(tǒng)行業(yè)應(yīng)用現(xiàn)狀及存在問題基礎(chǔ)上，分析其應(yīng)用趨勢并對未來發(fā)展提出建議，為進(jìn)一步推動北斗系統(tǒng)多領(lǐng)域應(yīng)用、帶動“北斗+”和“+北斗”融合創(chuàng)新應(yīng)用發(fā)展提供參考，促進(jìn)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)持續(xù)穩(wěn)定增長，加快北斗服務(wù)世界的進(jìn)程。

二、北斗系統(tǒng)發(fā)展歷程及服務(wù)類型

1.北斗系統(tǒng)發(fā)展進(jìn)程

北斗系統(tǒng)是我國重要基礎(chǔ)設(shè)施之一，按照“三步走”戰(zhàn)略建設(shè)發(fā)展。北斗一號系統(tǒng)1994年啟動建設(shè)。2000年，發(fā)射2顆地球靜止軌道衛(wèi)星（GEO）并投入使用，為國內(nèi)用戶提供定位、授時、廣域差分和短報文通信服務(wù)。北斗二號系統(tǒng)2004年啟動建設(shè)，2012年完成14顆衛(wèi)星組網(wǎng)并投入使用，為亞太地區(qū)用戶提供定位、導(dǎo)航、授時和短報文通信服務(wù)。北斗三號系統(tǒng)2009年啟動建設(shè)，在北斗二號系統(tǒng)基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提升性能、擴(kuò)展功能，2020年6月完成30顆衛(wèi)星組網(wǎng)，為全球用戶提供導(dǎo)航定位和通信數(shù)傳于一體的高品質(zhì)服務(wù)。目前，北斗系統(tǒng)服務(wù)由北斗二號系統(tǒng)和北斗三號系統(tǒng)共同提供，2020年后將平穩(wěn)過渡為北斗三號系統(tǒng)為主提供。

2.北斗系統(tǒng)服務(wù)類型

北斗系統(tǒng)采用了三種軌道的混合星座設(shè)計，采用獨(dú)立的雙向時間同步觀測體制，支持星間鏈路觀測，具備導(dǎo)航定位和通信數(shù)傳兩大功能，提供七種北斗系統(tǒng)應(yīng)用服務(wù)，具體包括：面向全球范圍，提供定位導(dǎo)航授時、全球短報文通信和國際搜救三種服務(wù)；在中國及周邊地區(qū)，提供星基增強(qiáng)、地基增強(qiáng)、精密單點(diǎn)定位和區(qū)域短報文通信四種服務(wù)。其中短報文通信服務(wù)進(jìn)行了升級拓展，區(qū)域通信能力達(dá)到每次14000比特（約1000漢字），支持文字、語音和圖片等數(shù)據(jù)類型，全球通信能力支持每次560比特（約40個漢字）；星基增強(qiáng)服務(wù)具備一類垂直引導(dǎo)進(jìn)近（APV-I）能力，填補(bǔ)我國星基增強(qiáng)服務(wù)空白；國際搜救服務(wù)檢測概率優(yōu)于99%，具備返向鏈路確認(rèn)特色能力，顯著增強(qiáng)遇險人員求生信心；地基增強(qiáng)、精密單點(diǎn)定位可提供最高厘米級定位服務(wù)。

三、北斗系統(tǒng)行業(yè)應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢分析

1.北斗系統(tǒng)行業(yè)應(yīng)用分析

在北斗系統(tǒng)支撐下，我國北斗產(chǎn)業(yè)鏈已形成了完整的內(nèi)循環(huán)（圖1）：上游基礎(chǔ)部件是產(chǎn)業(yè)自主可控的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，主要由基帶芯片、射頻芯片、板卡、天線等構(gòu)成；中游主要包括終端集成和系統(tǒng)集成，是產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)；下游的解決方案和運(yùn)維服務(wù)提供眾多行業(yè)應(yīng)用。北斗工程首任總設(shè)計師孫家棟院士曾說過“北斗的應(yīng)用只受人類想象力的限制”。北斗系統(tǒng)已在交通運(yùn)輸、農(nóng)業(yè)漁業(yè)、水文監(jiān)測、氣象預(yù)報、救災(zāi)減災(zāi)、公共安全等行業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，本文將重點(diǎn)針對交通、海洋、航空、防災(zāi)救災(zāi)、大眾應(yīng)用等幾個行業(yè)領(lǐng)域的北斗應(yīng)用展開討論和分析研究。

圖1 北斗系統(tǒng)行業(yè)應(yīng)用總體架構(gòu)

（1）“北斗+交通”

交通運(yùn)輸行業(yè)是北斗系統(tǒng)最大的應(yīng)用行業(yè)之一。據(jù)統(tǒng)計，每年中國道路運(yùn)輸客運(yùn)量達(dá)百億人次，公路貨物周轉(zhuǎn)量達(dá)萬億噸。北斗系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于重點(diǎn)運(yùn)輸過程監(jiān)控、公路基礎(chǔ)設(shè)施安全監(jiān)控等領(lǐng)域。2011年，第一個交通領(lǐng)域民用應(yīng)用示范工程“重點(diǎn)運(yùn)輸過程監(jiān)控管理服務(wù)示范系統(tǒng)工程”率先推動北斗系統(tǒng)應(yīng)用于我國道路運(yùn)輸安全管理，降低了道路運(yùn)輸事故發(fā)生風(fēng)險。截至目前，我國有超過700萬輛道路營運(yùn)車輛、3.63萬輛郵政和快遞車輛、約1400艘公務(wù)船舶、約350架通用飛行器應(yīng)用北斗系統(tǒng)，建成全球最大的營運(yùn)車輛動態(tài)監(jiān)管系統(tǒng)，提升了我國綜合交通管理效率和運(yùn)輸安全水平。

（2）“北斗+海洋”

海洋和河道是當(dāng)今世界上應(yīng)用最廣泛的運(yùn)輸方式，效率、安全和最優(yōu)化是海洋與河道運(yùn)輸?shù)闹攸c(diǎn)。北斗系統(tǒng)在海洋應(yīng)用主要包括漁業(yè)管理、航海救援、港口運(yùn)作、船舶監(jiān)管、海洋漁業(yè)、海洋風(fēng)暴預(yù)警、海洋測繪與環(huán)境監(jiān)測等。北斗技術(shù)的應(yīng)用有效解決了最小航行交通沖突，保障了航行安全，提高了海洋應(yīng)用效能。海洋漁業(yè)現(xiàn)已成為北斗海洋民用市場規(guī)模較大的行業(yè)，北斗海洋應(yīng)用中融合北斗短報文、手機(jī)短信、互聯(lián)網(wǎng)等多種通信信息技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)北斗短報文與手機(jī)短信的互聯(lián)互通，具有遇險報警、搜救協(xié)調(diào)通信、現(xiàn)場尋位、海上安全信息播放、常規(guī)公眾業(yè)務(wù)通信等功能。目前全國7萬艘漁船和執(zhí)法船安裝了北斗終端，累計救助1萬余人。

（3）“北斗+航空”

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS）是現(xiàn)代空中航行系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)，是提升全球空中航行安全水平和服務(wù)質(zhì)量的重要手段。北斗系統(tǒng)提供全球服務(wù)是民航行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的有力保證和重要技術(shù)支撐，能夠提供精確完好、安全可靠的導(dǎo)航定位授時服務(wù)，為空中交通服務(wù)提供全空域監(jiān)視服務(wù)，能夠全面提升民航安全水平，空域容量、運(yùn)營效率和服務(wù)能力，為新時代民航強(qiáng)國發(fā)展提供強(qiáng)大技術(shù)支撐。北斗在航空領(lǐng)域中的應(yīng)用包括飛機(jī)導(dǎo)航、航路劃定、導(dǎo)彈制導(dǎo)、飛行監(jiān)控和控制等。2019年12月，民航局正式發(fā)布《中國民航北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)施路線圖》，提出要大力推進(jìn)系統(tǒng)應(yīng)用，積極構(gòu)建以北斗為核心、兼容多個星座的GNSS技術(shù)應(yīng)用體系，逐步實(shí)現(xiàn)北斗系統(tǒng)、民航行業(yè)應(yīng)用全覆蓋可替代，為運(yùn)輸、通用航空及無人駕駛航空器飛行，提供精確完好、安全可靠的導(dǎo)航服務(wù)。

（4）“北斗+防災(zāi)救災(zāi)”

在地震監(jiān)測、森林防火、山體滑坡監(jiān)測、泥石流監(jiān)測、橋梁變形監(jiān)測等應(yīng)用中，北斗系統(tǒng)能夠提供實(shí)時位置監(jiān)測、實(shí)時救災(zāi)指揮調(diào)度、救災(zāi)物資管理與調(diào)運(yùn)、應(yīng)急通信、災(zāi)情信息快速上報與共享等服務(wù)，顯著提高災(zāi)害預(yù)警、災(zāi)害應(yīng)急救援等防災(zāi)減災(zāi)的快速反應(yīng)能力和決策能力。2008年汶川地震中，第一條匯報來自于北斗短報文；2010年玉樹地震，北斗系統(tǒng)在搜救中也發(fā)揮了重要作用；2020年新冠疫情防控中北斗系統(tǒng)大顯身手，基于北斗系統(tǒng)的高精度定位設(shè)備在武漢火神山、雷神山醫(yī)院建設(shè)中完成精準(zhǔn)放線測量，北斗系統(tǒng)還為防疫物資、醫(yī)護(hù)人員等抗疫一線提供精準(zhǔn)時空體系精準(zhǔn)服務(wù)。目前，我國已建成北斗綜合減災(zāi)救災(zāi)應(yīng)用系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)全國應(yīng)急救援“一張圖”有效動態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)控，按“部、省、市（縣）”三級平臺部署，已在全國10多個省開展規(guī)?；ㄔO(shè)應(yīng)用，推廣北斗終端超過4.5萬臺。

（5）“北斗+大眾應(yīng)用”

北斗系統(tǒng)大眾服務(wù)發(fā)展前景廣闊?；诒倍返膶?dǎo)航服務(wù)已被電子商務(wù)、移動智能終端制造、位置服務(wù)等廠商采用，廣泛進(jìn)入中國大眾消費(fèi)、共享經(jīng)濟(jì)和民生領(lǐng)域，隨著5G商用時代的到來，北斗正在與新一代移動通信、區(qū)塊鏈、人工智能等新技術(shù)加速融合，北斗應(yīng)用的新模式、新業(yè)態(tài)、新經(jīng)濟(jì)不斷涌現(xiàn)，深刻改變著人們的生產(chǎn)生活方式。2018年1月，工業(yè)和信息化部電子信息司組織完成北斗在智能手機(jī)中的應(yīng)用推廣。國內(nèi)外主流芯片廠商均推出兼容北斗的通導(dǎo)一體化芯片。 隨著5G時代的到來，在人工智能的催生下，很多智能手機(jī)具有地圖導(dǎo)航、智能停車等智能出行精準(zhǔn)導(dǎo)航服務(wù)，為用戶提供了更安全、更高效、更省心的出行指導(dǎo)。在電子商務(wù)領(lǐng)域，國內(nèi)多家電子商務(wù)企業(yè)的物流貨車及配送員，應(yīng)用北斗車載終端和手環(huán)，實(shí)現(xiàn)了車、人、貨信息的實(shí)時調(diào)度。智能穿戴領(lǐng)域，多款支持北斗系統(tǒng)的手表、手環(huán)等智能穿戴設(shè)備，以及學(xué)生卡、老人卡等特殊人群關(guān)愛產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)，得到廣泛應(yīng)用。

第一，為提高員工工作績效，應(yīng)注重對員工謙虛沉穩(wěn)態(tài)度的培養(yǎng)；第二，從企業(yè)長期發(fā)展、不斷創(chuàng)造最大化經(jīng)濟(jì)效益的角度出發(fā)，注重對員工感恩奉獻(xiàn)精神的培養(yǎng)；第三，為激發(fā)員工積極進(jìn)取、提升自身綜合能力，應(yīng)培養(yǎng)員工尊敬禮讓的良好品質(zhì)；第四，通過提升員工包容寬恕的態(tài)度，為促進(jìn)員工工作績效的提升奠定良好基礎(chǔ)。

2.存在問題分析

盡管衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)行業(yè)應(yīng)用甚廣，但是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)天然存在的諸多缺陷也頻繁暴露出來。首先，北斗系統(tǒng)與其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)一樣具有天然的脆弱性，易被干擾和欺騙。以美國GPS為參考，GPS欺騙、干擾或服務(wù)中斷事件已經(jīng)從早期的國家黑客或電子戰(zhàn)部隊(duì)蔓延至船運(yùn)、航空等民用領(lǐng)域。據(jù)美國海岸警衛(wèi)隊(duì)全球GPS事件狀態(tài)報告，2019年GPS攻擊事件嚴(yán)重威脅人員生命財產(chǎn)和交通運(yùn)輸安全。北斗系統(tǒng)應(yīng)用存在潛在威脅。其次，衛(wèi)星定位可靠性和精度問題。目前，尚無任何技術(shù)可以宣稱絕對安全可靠，北斗系統(tǒng)亦是如此。在定位精度方面，衛(wèi)星定位技術(shù)受到信號功率、帶寬和傳播時延的限制，精度很難進(jìn)一步提高。此外，電磁信號易受到大氣電離層和對流層干擾，精度很難保證，在城市、山區(qū)等復(fù)雜環(huán)境下，由于建筑物、樹木、地形的遮蔽作用，信號存在非直線傳播，導(dǎo)致不同環(huán)境下的定位效果存在較大差異，無法保證導(dǎo)航定位授時服務(wù)的連續(xù)性和可靠性。再者，受限于信號的傳播條件，在地下、水下、隧道、室內(nèi)等環(huán)境中，衛(wèi)星定位信號無法穿透地面、水、建筑物等實(shí)體，無法進(jìn)行定位。這些問題的現(xiàn)實(shí)存在，導(dǎo)致北斗系統(tǒng)在實(shí)時高精度定位、地下水下導(dǎo)航等領(lǐng)域和區(qū)域應(yīng)用存在一定的限制和約束。

3.北斗系統(tǒng)應(yīng)用趨勢

國家綜合PNT（導(dǎo)航、定位、授時）體系的提出和建立將有效破解北斗系統(tǒng)擴(kuò)大應(yīng)用所面臨的問題和困境。隨著5G基站建設(shè)、大數(shù)據(jù)中心、人工智能、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等方面國家政策的陸續(xù)出臺，國家將進(jìn)一步加大力度對相關(guān)產(chǎn)業(yè)建設(shè)和發(fā)展的政策支持，北斗系統(tǒng)將與新一代5G通信、物聯(lián)網(wǎng)人工智能、大數(shù)據(jù)等新技術(shù)深度融合，不斷催生智能交通、精細(xì)農(nóng)業(yè)、精準(zhǔn)物流、自動駕駛等北斗行業(yè)應(yīng)用的新模式、新業(yè)態(tài)，讓北斗服務(wù)無處不在、無時不有。未來北斗系統(tǒng)應(yīng)用形態(tài)和發(fā)展方向?qū)Ⅲw現(xiàn)在以下幾個方面。

（1）融合化

進(jìn)一步推動創(chuàng)新高效的融合機(jī)制建立，實(shí)現(xiàn)北斗、GPS、格洛納斯、伽利略等GNSS多系統(tǒng)融合，北斗定位、視覺導(dǎo)航、慣性導(dǎo)航等多技術(shù)融合，在融技術(shù)、融數(shù)據(jù)、融網(wǎng)絡(luò)、融平臺的聯(lián)動互通催生下，真正實(shí)現(xiàn)以北斗為核心的時空信息服務(wù)高效互聯(lián)互通共享，并具備抗干擾、防欺騙、連續(xù)、穩(wěn)定和高可靠性，促使北斗系統(tǒng)在智慧城市、智慧交通、精準(zhǔn)物流等多個行業(yè)跨界融合應(yīng)用。

（2）泛在化

北斗與5G通信、位置服務(wù)、GIS（地理信息系統(tǒng)）相結(jié)合，突破5G融合北斗與位置服務(wù)的室內(nèi)外無縫定位技術(shù)，持續(xù)提升室外到室內(nèi)、地面到地下、海底到深空的無縫連接時空信息服務(wù)。在大眾應(yīng)用領(lǐng)域，突破實(shí)時動態(tài)高精度導(dǎo)航地圖，構(gòu)建多樣化出行服務(wù)體系，打通時空信息“最后一公里”服務(wù)，以重點(diǎn)行業(yè)應(yīng)用為牽引，通過創(chuàng)新社會治理模式、深化大眾生活位置服務(wù)應(yīng)用等，推動大眾消費(fèi)的規(guī)?；瘧?yīng)用，形成從智能終端到平臺再到行業(yè)應(yīng)用完整鏈路的泛在、智能、連續(xù)可靠的北斗時空信息服務(wù)。

（3）小型化

（4）網(wǎng)絡(luò)化

北斗與物聯(lián)網(wǎng)、5G通信的結(jié)合，將大力促進(jìn)北斗智能終端、北斗應(yīng)用系統(tǒng)互聯(lián)互通互操作的實(shí)現(xiàn)。突破結(jié)合窄帶物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的系列低功耗北斗技術(shù)，以及利用北斗B2a信號寬帶特性進(jìn)行多路徑檢測和消除技術(shù)，大幅提升復(fù)雜場景的定位精度，形成“北斗+物聯(lián)網(wǎng)+5G”的通導(dǎo)一體化解決方案，實(shí)現(xiàn)在智慧城市、智能物流、安防監(jiān)控、智慧農(nóng)業(yè)、資產(chǎn)監(jiān)管、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域的規(guī)模應(yīng)用，真正實(shí)現(xiàn)北斗應(yīng)用萬物互聯(lián)。

（5）智能化

北斗與人工智能、5G、云計算、大數(shù)據(jù)結(jié)合，突破北斗芯片與陀螺儀、里程計等多傳感器融合定位技術(shù)，全面提升PNT服務(wù)的定位精度、可用性和抗多路徑能力，突破適用無人系統(tǒng)的高性能、高精度、小型化并符合汽車電子系統(tǒng)通用標(biāo)準(zhǔn)的多模多頻北斗/GNSS芯片，實(shí)現(xiàn)以北斗為核心的時空信息智能感知、智能處理和智能服務(wù)，形成北斗高精度技術(shù)在智能網(wǎng)聯(lián)汽車、無人機(jī)、小型機(jī)器人、智能穿戴設(shè)備等領(lǐng)域深度應(yīng)用，大幅提升北斗智能化應(yīng)用水平。

四、結(jié)束語

北斗系統(tǒng)是國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，是我國重要信息基礎(chǔ)設(shè)施之一，也是我國信息化建設(shè)的重要保證，為促進(jìn)和推動經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展提供了強(qiáng)大動力。北斗系統(tǒng)的全面建成進(jìn)一步確立和鞏固了我國在衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域的國際地位，促進(jìn)了全球?qū)Ш较到y(tǒng)的競爭與合作，推動了系統(tǒng)共同發(fā)展，對提升我國航天能力，推動航天強(qiáng)國建設(shè)意義重大。為了更好地應(yīng)用北斗，我國應(yīng)進(jìn)一步加大北斗應(yīng)用政策支持力度，促進(jìn)北斗在行業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)建立，在深度融合的框架下，不斷擴(kuò)大北斗融合應(yīng)用廣度和深度，同時加大全源導(dǎo)航、通導(dǎo)一體等核心技術(shù)研發(fā)，不斷促進(jìn)北斗行業(yè)應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，推動“北斗+” 和“+北斗”融合創(chuàng)新應(yīng)用發(fā)展。同時可考慮實(shí)行更多積極開放的多邊合作和國際合作，開辟更廣闊的北斗應(yīng)用空間。