李 靜，趙 光，宋新艷，龍 強，馬 勝，潘 飚

(1.國網(wǎng)思極位置服務有限公司，102200，北京；2. 國網(wǎng)雅安電力(集團)公司，625000，四川，雅安)

0 引言

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)(Beidou Navigation Satellite System，BDS,以下簡稱北斗系統(tǒng))是我國著眼于國家安全和經(jīng)濟社會發(fā)展需要，自主建設運行的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)，是為全球用戶提供全天候、全天時、高精度的定位、導航和授時服務(Positioning Navigation and Timing, PNT)的國家重要時空基礎設施[1]，也是繼GPS、GLONASS之后的第3個在全球范圍提供PNT服務的衛(wèi)星導航系統(tǒng)。

2020年6月23日，隨著最后一顆北斗導航衛(wèi)星的成功發(fā)射，北斗三號30顆衛(wèi)星全部部署到位，北斗三號全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)星座建設完成。北斗系統(tǒng)融合了導航與通信能力，具有定位導航授時、全球短報文通信、國際搜救、精密單點定位、星基增強、區(qū)域短報文通信等六大功能[2]。北斗系統(tǒng)運行穩(wěn)定、持續(xù)為全球用戶提供優(yōu)質(zhì)服務，服務能力步入世界一流行列[3]。中國BDS和美國GPS、俄羅斯GLONASS、歐盟GALILEO是全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)國際委員會(International Committee on Global Navigation Satellite System，ICG)公布的全球四大衛(wèi)星導航系統(tǒng)供應商。

近年來，我國衛(wèi)星導航與位置服務產(chǎn)業(yè)以年均23.1%的增速快速發(fā)展，2020年產(chǎn)值達到4 033億元，行業(yè)衍生帶動的關(guān)聯(lián)產(chǎn)值由2016年的1 310億元增長至2 738億元，占比由61.9%提高至67.9%，下游運營服務市場規(guī)模達到1 879.38億元，占比由31%提高至46.6%，但在成熟國家，運營服務可以占到其導航產(chǎn)業(yè)的70%以上[4]，由此可見，我國北斗運營服務市場的占比相對較低。未來，隨著時空服務和“+北斗”新業(yè)態(tài)、新模式的發(fā)展以及投資推動，北斗運營服務市場還有加速發(fā)展的空間，有望成為最大產(chǎn)值環(huán)節(jié)，預期下游運營服務產(chǎn)值仍將保持快速增長，成為主要增長點。

2020年，隨著我國北斗系統(tǒng)的全面建成，國家電網(wǎng)公司啟動以大數(shù)據(jù)中心、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、5G、人工智能、北斗應用等技術(shù)為主的“數(shù)字新基建”十大重點建設任務[5]，全面推進北斗在電力運檢、營銷、基建和安監(jiān)等業(yè)務領(lǐng)域的深入應用，并取得了顯著的經(jīng)濟和社會效益。

目前為止，電力北斗在電力行業(yè)內(nèi)以及面向其他行業(yè)的商業(yè)化運營過程中的服務模式尚未確立，本文主要介紹了電力北斗系統(tǒng)的建設、服務能力及其在電力行業(yè)的典型應用，對電力北斗商業(yè)化運營的前景進行展望分析，為北斗系統(tǒng)在電力行業(yè)內(nèi)的發(fā)展和商業(yè)化運營提供參考。

1 電力北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)建設

1.1 電力北斗兩網(wǎng)一平臺建設

為滿足電力業(yè)務對北斗PNT服務的巨大需求，2019年開始，國家電網(wǎng)公司建設了電力北斗精準時空服務網(wǎng)、電力北斗時頻服務網(wǎng)和北斗時空智能綜合服務平臺，簡稱“兩網(wǎng)一平臺”。兩網(wǎng)一平臺的建設，為電力系統(tǒng)構(gòu)建了天空地一體化的全時空感知體系，實現(xiàn)時空信息的精準匹配，為電力各業(yè)務領(lǐng)域的智慧應用提供基礎支撐。

電力北斗精準時空服務網(wǎng)主要為采用多基站網(wǎng)絡RTK技術(shù)構(gòu)建的地基增強系統(tǒng)，項目一期建設了1200座北斗地基增強站，也稱為北斗基準站或連續(xù)運行參考站(Continuously Operating Reference Stations，CORS)，分布示意圖如圖1所示，覆蓋國家電網(wǎng)公司服務范圍內(nèi)約700萬km2區(qū)域。電力北斗地基增強站的站址選擇主要以國家電網(wǎng)公司的變電站、電網(wǎng)營業(yè)廳等場所為主，充分利用變電站和營業(yè)廳的建筑、供電和通信等資源[6]，初步形成穩(wěn)定可靠、分布合理、覆蓋廣泛的電力北斗精準時空服務網(wǎng)絡，電力北斗精準時空服務網(wǎng)的總體架構(gòu)如圖2所示。

圖1 電力北斗精準時空服務網(wǎng)基準站布設示意圖

圖2 電力北斗精準時空服務網(wǎng)總體架構(gòu)圖

電力北斗時頻服務網(wǎng)是國家電網(wǎng)的時頻基準系統(tǒng)，采用“兩級標準溯源，三級節(jié)點網(wǎng)絡”的總體設計架構(gòu)，如圖3所示，時鐘源由3臺銫鐘和3臺氫鐘構(gòu)成，系統(tǒng)基于國網(wǎng)公司已有的通信網(wǎng)絡資源，通過北斗衛(wèi)星共視授時技術(shù)和地面通信光纖鏈路向國網(wǎng)公司和國家兩級標準時間溯源，形成天地互備的電力北斗時頻服務體系。電力北斗時頻服務網(wǎng)建設國網(wǎng)公司總部、省公司、地市公司三級節(jié)點時頻網(wǎng)絡，為電網(wǎng)調(diào)度、基建、運檢、營銷等業(yè)務應用以及全網(wǎng)范圍內(nèi)的各類電力末端用戶提供統(tǒng)一的高性能時頻服務。

圖3 電力北斗時頻服務網(wǎng)總體技術(shù)架構(gòu)圖

電力北斗時空智能綜合服務平臺接入和管理1 200座北斗地基增強站，對接收到的北斗衛(wèi)星原始觀測數(shù)據(jù)進行解算，同時提供監(jiān)測和運維服務，向接入平臺的用戶終端提供播發(fā)服務。北斗時空智能綜合服務平臺按照數(shù)據(jù)層、平臺層、服務層、應用層的架構(gòu)模式進行設計,總體架構(gòu)設計如圖4所示，具備高精度位置解算、短報文信息傳輸分發(fā)、時頻處理三大核心服務能力以及運維管理、運營管理兩大關(guān)鍵配套功能模塊，可為各類業(yè)務應用提供高精度解算播發(fā)、短報文通信、終端設備接入與管理等服務。

1.2 電力北斗服務能力介紹

依托于兩網(wǎng)一平臺的基礎服務能力，電力北斗已向各專業(yè)用戶提供多種商業(yè)化服務和產(chǎn)品，主要包括PNT服務、短報文通信、平臺接口、數(shù)據(jù)及分析等。

1.2.1 PNT服務 電力北斗精準時空服務網(wǎng)以有線(包括電力光纖、電力專線、有線互聯(lián)網(wǎng)等)或無線(包括NB-IoT、GPRS及3G4G5G等)網(wǎng)絡的形式為用戶提供差分定位改正數(shù)服務，滿足實時米級、分米級、厘米級及后處理毫米級導航定位服務[7-9]，經(jīng)第3方權(quán)威機構(gòu)的檢測，電力北斗精準時空服務網(wǎng)內(nèi)符合精度為：水平1 cm、高程1 cm；外符合精度為：水平3 cm、高程5 cm；后處理定位精度達到5～10 mm。同時，電力北斗精準時空服務網(wǎng)還提供衛(wèi)星精密軌道、鐘差、區(qū)域電離層、對流層、相位偏差、碼偏差等多種精密數(shù)據(jù)，滿足星基地基融合增強、精密單點定位(Precise Point Positioning，PPP)、PPP-RTK定位、A-GNSS等定位需求，實現(xiàn)全天時、全天候的PNT服務能力。

圖4 北斗時空智能綜合服務平臺總體架構(gòu)圖

在授時方面，基于電力北斗時頻服務網(wǎng)的授時授頻功能，為用戶終端或系統(tǒng)輸出標準時間頻率基準參考源，同時具備一定的授時功能，實現(xiàn)電力北斗時頻服務網(wǎng)的高可靠服務。時頻同步網(wǎng)節(jié)點提供衛(wèi)星共視、光纖授時、網(wǎng)絡授時、站內(nèi)直連等多種授時方式，不同的方式實現(xiàn)的精度不同：衛(wèi)星共視授時精度優(yōu)于5 ns；光纖授時精度優(yōu)于1 ns；網(wǎng)絡PTP授時精度優(yōu)于5 μs，NTP授時精度優(yōu)于10 ms；站內(nèi)直連IRIG-B碼提供100 ns的授時精度，以滿足不同業(yè)務場景對授時精度的要求。

1.2.2 北斗短報文通信 北斗作為全球首個在定位、授時之外還具有短報文通信功能的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)，具有用戶終端之間、用戶終端與地面控制中心之間雙向短報文通信功能。北斗二號系統(tǒng)短報文通信服務最多支持120個漢字/條、北斗三號系統(tǒng)區(qū)域短報文通信服務最多支持1 000個漢字/條[10]。

在電力系統(tǒng)，北斗短報文通信實現(xiàn)位置報告及窄帶物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的回傳，解決無公網(wǎng)覆蓋區(qū)域的用電信息采集、小水電監(jiān)測以及應急通信等需求。

1.2.3 平臺接口服務 北斗時空智能綜合服務平臺向第3方用戶提供接口服務及SDK開發(fā)服務，可集成至第3方用戶應用平臺，用戶可以根據(jù)特定的業(yè)務需求，開發(fā)“北斗核心技術(shù)+應用領(lǐng)域”解決方案。平臺提供從需求分析、開發(fā)實施、用戶體驗到系統(tǒng)運維等全方位軟件技術(shù)和硬件集成的時空信息服務整體解決方案。實現(xiàn)高性能、高可靠、高并發(fā)接入，進行高精度定位解算，滿足個性化的二次開發(fā)需求。

1.2.4 數(shù)據(jù)及分析服務 在電力北斗精準時空服務網(wǎng)長期運行的過程中，積累了大量的原始觀測數(shù)據(jù)、衛(wèi)星精密軌道數(shù)據(jù)、鐘差數(shù)據(jù)、電離層數(shù)據(jù)、對流層數(shù)據(jù)及其它時空信息數(shù)據(jù)，可開展大數(shù)據(jù)分析與數(shù)據(jù)挖掘服務。例如，借助大數(shù)據(jù)計算及分析能力，通過對原始觀測數(shù)據(jù)中的電離層數(shù)據(jù)、對流層數(shù)據(jù)進行深度挖掘，可以確定多模GNSS觀測的原始電離層延遲信息，確定多模GNSS衛(wèi)星與接收機差分碼偏差的精準度，建立全球/區(qū)域電離層TEC模型，提供中短期全球電離層信息的可靠預報；再如，通過對流層數(shù)據(jù)的深度挖掘，反演出區(qū)域可降水汽的含量，為短期的氣象預報提供精準建模參考等。

2 北斗在電力行業(yè)的應用

2.1 電力北斗應用架構(gòu)設計

電力北斗應用以電力北斗精準時空服務網(wǎng)和電力北斗時頻服務網(wǎng)為基礎和支撐，參考物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)進行設計，核心業(yè)務應用聚焦時空位置服務，包括高精度導航定位服務、高精度授時服務、全球范圍內(nèi)短報文通信服務、依托于基準站的數(shù)據(jù)服務、整體解決方案和應用業(yè)務等，總體技術(shù)架構(gòu)如圖5所示，包括基礎層、感知層、網(wǎng)絡層、平臺層和應用層。

圖5 電力北斗技術(shù)應用總體架構(gòu)

基礎層：主要包括電力北斗精準時空服務網(wǎng)和電力北斗時頻服務網(wǎng)，是電力北斗的時空基礎設施，為北斗時空智能綜合服務平臺提供基礎時空數(shù)據(jù)。

感知層：統(tǒng)籌輸電、配電、變電等泛在物聯(lián)和深度感知需求，通過無線、有線、衛(wèi)星通信等方式實現(xiàn)導航定位終端、授時終端、短報文終端接入平臺，服務于電網(wǎng)業(yè)務。

網(wǎng)絡層：使用無線公網(wǎng)、無線專網(wǎng)、衛(wèi)星通信、電力光纖等傳輸通道，實現(xiàn)應用終端與北斗時空智能綜合服務平臺互聯(lián)互通。

平臺層：主要是國家電網(wǎng)企業(yè)中臺的北斗時空智能綜合服務平臺，為企業(yè)中臺和各類業(yè)務應用提供開放、標準的服務，充分發(fā)揮數(shù)據(jù)資產(chǎn)價值。

應用層：通過北斗時空智能綜合服務平臺以及SDK開發(fā)接口服務，實現(xiàn)各類業(yè)務的統(tǒng)一運維、統(tǒng)一運營等，提高應用服務的持續(xù)性和安全性。

2.2 電力北斗的典型應用

國家電網(wǎng)公司早在2010年就開始探索北斗技術(shù)在電力行業(yè)的落地應用[5]，經(jīng)過10多年的融合發(fā)展，北斗定位、導航、授時、短報文通信服務以及對應的各類硬件終端在電網(wǎng)基建、運檢、安質(zhì)、調(diào)度、營銷等多個業(yè)務領(lǐng)域的典型場景得到廣泛的應用。

北斗高精度定位方面，基于電力北斗精準時空服務網(wǎng)和北斗時空智能綜合服務平臺，為電力北斗高精度定位終端提供實時亞米級、厘米級以及靜態(tài)毫米級的高精度定位服務。截至2021年中，電力行業(yè)北斗高精度定位終端的應用數(shù)量超過1.3萬臺[11]，主要包括電力勘測工程的測量測繪、車輛調(diào)度管理、電網(wǎng)輸電線路無人機自主巡檢、線路桿塔形變監(jiān)測、地質(zhì)災害監(jiān)測、導線舞動監(jiān)測、變電站機器人巡檢、基建工程現(xiàn)場作業(yè)人員安全管控、施工機械操作高精度數(shù)據(jù)監(jiān)測、電網(wǎng)大型重點物資在途運輸管理、營配設備資產(chǎn)管理和地理信息采集、水電站大壩沉降和形變監(jiān)測等應用場景[12-18]，提升了電力設施設備運行狀態(tài)在線監(jiān)測能力，提高了新型電力系統(tǒng)精益化管理水平。

北斗普通定位方面，利用電力北斗衛(wèi)星導航或輔助定位系統(tǒng)，為定位終端提供實時米級的定位與導航服務，主要應用于人員、車輛、設備等實時定位、導航與軌跡監(jiān)控，終端形態(tài)包括工卡、手環(huán)、手持終端、車載終端等，在電力行業(yè)的應用數(shù)量已達20余萬臺套[11]。

北斗授時授頻應用方面，電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)利用北斗高精度授時服務實現(xiàn)全站(網(wǎng))的時間同步，保障電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、可靠運行，應用終端數(shù)量超過2.9萬套[11]。同時，通過北斗同步時鐘，同步相量測量裝置在同一參考時間框架下捕捉到大規(guī)?；ヂ?lián)電力系統(tǒng)各地點的實時穩(wěn)態(tài)/動態(tài)信息，解決了高精度時間異地同步問題[19-20]，實現(xiàn)對廣域信息的實時監(jiān)測和處理，滿足電力系統(tǒng)全局動態(tài)過程監(jiān)測、控制與保護的時間同步需要，為大電網(wǎng)實現(xiàn)廣域同步測量提供技術(shù)支撐，在全網(wǎng)動態(tài)過程記錄和事后分析、暫態(tài)穩(wěn)定預測及控制、低頻振蕩分析及抑制、全局反饋控制、故障定位及參數(shù)辨識等方面有廣泛的應用。

北斗短報文通信方面，在電力行業(yè)，目前已經(jīng)應用北斗短報文通信終端1.7萬余臺[9]。通過北斗短報文通信服務，可以在無通信網(wǎng)絡覆蓋的地區(qū)，開展用電信息等計量數(shù)據(jù)遠程集抄、輸電線路監(jiān)測數(shù)據(jù)回傳、基建工程現(xiàn)場人員應急保障、小水電/光伏電站數(shù)據(jù)回傳等應用[21-23]。在應急救災場景下，利用北斗短報文通信服務，可實現(xiàn)指揮中心與現(xiàn)場作業(yè)人員的信息交互[24]，達成基于電力任務的聯(lián)動和防護目的。

近年來，隨著電力業(yè)務對北斗PNT服務需求的增加，國家電網(wǎng)公司開發(fā)多種“電力+北斗”智能終端產(chǎn)品，包括基于北斗定位的可穿戴設備、桿塔形變監(jiān)測設備、移動作業(yè)終端、無人機高精度定位終端、室內(nèi)外一體化定位終端等，基于北斗授時的電力線故障定位及時間同步裝置，以及短報文通信終端等，在輸電線路災害預警監(jiān)測、線路風偏舞動監(jiān)測等多個基建、運檢場景推廣應用，部署實施1.5萬余套電力北斗終端，提早發(fā)現(xiàn)并處置重要輸電線路地質(zhì)災害隱患，保障電力系統(tǒng)的安全運行。

3 電力北斗商業(yè)化運營分析及展望

3.1 北斗在電力行業(yè)內(nèi)外的商業(yè)化運營服務分析

國家電網(wǎng)公司服務范圍廣，各省公司及地市公司存在較大的地域性差異，由于“放管服”政策的施行，各單位存在個性化的管理模式。因此，電力北斗在運營服務過程中，面向電力行業(yè)內(nèi)的業(yè)務提供PNT服務時，運營服務管理模式需要具備較強的兼容性和靈活性，以實現(xiàn)區(qū)域化、分批次的服務模式。對于普通定位、基于地基增強的高精度定位、授時和短報文通信等服務采用先行統(tǒng)推的方式實現(xiàn)標準化的服務模式，對于具有定制化需求的服務，如星基地基融合增強、高精度后處理、大數(shù)據(jù)分析等可采用非標準的服務模式，滿足用戶不同層次的需求。在電力行業(yè)外，早在北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)建設完成之前，包括國土資源部門在內(nèi)的多個政府和企業(yè)單位已建設了地基增強系統(tǒng)，開展基于GPS和GLONASS雙模融合的PNT服務，在地質(zhì)測繪、工程建設、地質(zhì)形變觀測、交通出行監(jiān)控、農(nóng)業(yè)管理、公共安全、氣象預報、防災減災、?？崭酃芾淼葮I(yè)務活動中有著廣泛的應用，并取得了一定的社會和經(jīng)濟成效[25-26]。電力北斗作為PNT服務的新進入者，在做好電力行業(yè)內(nèi)運營服務的基礎上穩(wěn)步推動向行業(yè)外“走出去”的戰(zhàn)略，開發(fā)在能源、交通、水利及應急等領(lǐng)域的潛在用戶。

在電力行業(yè)內(nèi)和電力行業(yè)外，電力北斗時空位置服務的商業(yè)運營模式和運營機制存在區(qū)別。

電力行業(yè)內(nèi)，電力北斗運營服務主要以賦能電力主業(yè)為主，保障電力安全生產(chǎn)，實現(xiàn)能源的安全供應，以B2B運營和服務模式為主，主要應用于作業(yè)人員和設備的高精度定位服務、電力系統(tǒng)的高精度時頻同步服務等，市場推動主要依靠技術(shù)發(fā)展、行業(yè)監(jiān)管和系統(tǒng)內(nèi)推廣。同時，由于電力行業(yè)對北斗應用的技術(shù)可靠性和安全性要求較高，對參與該行業(yè)的服務商的服務能力、服務質(zhì)量和響應速度等也有較高的要求。

電力行業(yè)外，電力北斗運營服務將面對著完全不同的市場環(huán)境，雖然存在著多樣化的業(yè)務需求，包括眾多行業(yè)的B2B服務、面向大眾的海量的B2C服務，但由于已經(jīng)存在多個PNT服務商，以及各運營服務商之間的競爭，使得電力北斗運營在服務質(zhì)量、產(chǎn)品宣傳、市場營銷、產(chǎn)品價格和服務體系等方面將存在較大的壓力，需做靈活適配和服務調(diào)整，以適應市場的競爭。

3.2 電力北斗商業(yè)化運營服務體系架構(gòu)

電力北斗商業(yè)化運營服務體系涵蓋電力北斗的基礎設施支撐、運營服務模塊、運營的產(chǎn)品和服務等核心內(nèi)容、體系搭建和業(yè)務場景，電力北斗商業(yè)運營服務體系框架如圖 6所示。

圖6 電力北斗商業(yè)運營服務體系框架圖

電力北斗商業(yè)化運營服務主要包括運營策劃、市場推廣、用戶服務、營銷支撐等，依托“兩網(wǎng)一平臺”基礎構(gòu)建商業(yè)運營服務體系，實現(xiàn)運營和服務支撐。電力北斗精準時空服務網(wǎng)和電力北斗時頻服務網(wǎng)提供全天候、全天時、高精度的定位、導航、授時和短報文通信等服務，并以此積極探索、拓展融合發(fā)展和應用。電力北斗運營服務系統(tǒng)需實現(xiàn)用戶管理、營帳計費、用戶服務、用戶畫像等營銷支撐，同時，通過運營端和營銷端不斷反饋用戶需求，實現(xiàn)用戶的觸達和深耕運營，不斷推動電力北斗“兩網(wǎng)一平臺”服務能力和服務水平的持續(xù)改進與提升。

3.3 電力北斗商業(yè)化運營服務展望

電力北斗是國家電網(wǎng)公司投資建設的重要時空基礎設施，以服務于本行業(yè)內(nèi)各業(yè)務領(lǐng)域的需求為主要目標，相對于電力行業(yè)外的北斗運營服務商而言，電力北斗在信息安全、網(wǎng)絡覆蓋范圍、建設和運營成本方面存在一定的優(yōu)勢，在滿足電力行業(yè)需求的前提下，提升產(chǎn)品適應能力，探索北斗時空智能綜合服務運營思路，適時擴大運營服務范圍，拓展電力行業(yè)外更加廣泛的市場。

未來，隨著人類活動范圍的拓展和社會經(jīng)濟的發(fā)展，對定位、導航和授時服務的需求也在不斷增加和深入，例如，智慧城市、自動駕駛、個人精準導航服務等領(lǐng)域?qū)⒋嬖诰薮蟮陌l(fā)展空間，也將推動GNSS及相關(guān)服務進一步發(fā)展。

4 結(jié)束語

電力北斗是支撐國家雙碳目標和新型電力系統(tǒng)建設的重要時空基礎設施，是國家電網(wǎng)公司的戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)。在電力行業(yè)，電力北斗是賦能電力物聯(lián)網(wǎng)、保障電力安全、助力電力服務升級的重要技術(shù)力量。

隨著國家電網(wǎng)公司數(shù)字化建設工作的推進，電力各專業(yè)領(lǐng)域?qū)r空智能業(yè)務的需求逐年增加，電力北斗兩網(wǎng)一平臺的建設和運營，全面提升了電力各專業(yè)應用的數(shù)字化、智能化水平，激發(fā)了“北斗+”和“+北斗”在電力行業(yè)內(nèi)的智慧化應用。同時，電力北斗在滿足電力行業(yè)需求的前提下也將積極拓展，加強科技創(chuàng)新、商業(yè)模式創(chuàng)新和運營機制創(chuàng)新，促進電力北斗在各行業(yè)的普適、共享和規(guī)?；瘧谩?/p>