北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在智慧城市建設(shè)中的應(yīng)用探討＊

張 攀，朱敦堯，2，董紅波

（1.武漢大學(xué) 衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)研究中心，湖北 武漢430079；2.武漢光庭信息技術(shù)有限公司，湖北 武漢430073；3.武漢大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢430079）

0 引 言

2008年，IBM公司提出“智慧地球”概念，認(rèn)為世界的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)正在向智慧的方向發(fā)展，可感應(yīng)、可度量的信息源無處不在，互聯(lián)網(wǎng)的平臺讓這一切互聯(lián)互通，讓一切變得更加智能[1]。見證人類文明發(fā)展歷程的城市，是人們生活的聚集中心，在“智慧地球”概念的背景下，“智慧城市”的概念應(yīng)運而生?；蛘哒f“智慧城市”是“智慧地球”實現(xiàn)的第一步和重要組成部分。智慧城市將為城市中的廣大居民提供智能化的服務(wù)，作為一種新的城市形態(tài)，是城市由工業(yè)化城市、數(shù)字城市發(fā)展的必然趨勢。

定位技術(shù)和通訊技術(shù)是實現(xiàn)城市智能化不可或缺的技術(shù)。提供定位技術(shù)的全球定位系統(tǒng)（GPS）自90年代用于民用以來，取得了非常廣泛的應(yīng)用。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是中國自主研發(fā)建立的全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，是繼GPS和GLONASS之后第三個成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。北斗的建設(shè)分三步走，第一步，在2000年，建成北斗導(dǎo)航試驗系統(tǒng)；第二步，建成覆蓋亞太地區(qū)的區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)，稱為“北斗二代”，隨著2012年10月25日第16顆衛(wèi)星的成功發(fā)射，宣告北斗系統(tǒng)區(qū)域組網(wǎng)工作順利完成。第三步是到2020年，建成全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。隨著我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)逐步的發(fā)展和進(jìn)步，可以預(yù)見未來，在我國乃至世界，北斗將在導(dǎo)航與定位應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。作為我國自主研發(fā)的衛(wèi)星定位系統(tǒng)，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)將為我國智慧城市的建設(shè)和發(fā)展提供重要技術(shù)支撐。

1 北斗在數(shù)字城市階段的應(yīng)用

李德仁院士給出了一個公式，智慧城市＝數(shù)字城市＋物聯(lián)網(wǎng)＋云計算[2]，得到廣泛的認(rèn)可。把智慧城市分為兩個階段，即數(shù)字城市階段和物聯(lián)網(wǎng)階段，如圖1所示。數(shù)字城市階段，是把物理城市搬到互聯(lián)網(wǎng)上，實現(xiàn)數(shù)字化，可以說是智慧城市的初級階段[3]。物聯(lián)網(wǎng)階段，是將數(shù)字城市和物理城市進(jìn)行關(guān)聯(lián)，達(dá)到融合互動，從而實現(xiàn)智能化。

圖1 智慧城市的兩個階段

“數(shù)字城市”是3S技術(shù)的產(chǎn)物，發(fā)展得比較成熟，可以狹義地理解為，以遙感（RS）、全球定位系統(tǒng)（GPS）、地理信息系統(tǒng)（GIS）等空間信息技術(shù)為主要手段，對地理信息資源進(jìn)行整合，構(gòu)建“數(shù)字城市”地理空間框架，建設(shè)城市地理信息公共服務(wù)平臺，是城市實體在計算機中的虛擬表達(dá)[1]。隨著3S技術(shù)的成熟，我國數(shù)字城市的建設(shè)早已步入實質(zhì)性階段，取得了一系列成果。數(shù)字政務(wù)，數(shù)字交通等，搭建起城市地理公共服務(wù)平臺，實現(xiàn)了城市在經(jīng)濟、社會和生態(tài)等各個層面的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化。

GPS是美國研發(fā)的全球定位系統(tǒng)，是四大衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS）之一，在數(shù)字城市中基礎(chǔ)地理信息的獲取和位置服務(wù)等多方面發(fā)揮著重要作用?；诒倍范亩ㄎ痪纫约胺?wù)范圍，北斗定位導(dǎo)航系統(tǒng)完全可以替代GPS，在我國數(shù)字城市建設(shè)中發(fā)揮重要作用。

2 北斗在物聯(lián)網(wǎng)階段的應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)概念最早由比爾蓋茨提出，于2005年11月在信息社會世界峰會（WSIS）被國際電信聯(lián)盟（ITU）正式論述。物聯(lián)網(wǎng)是通過射頻識別（RFID）、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把世界上所有物體與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進(jìn)行物體與網(wǎng)絡(luò)之間的信息交換與通信，以實現(xiàn)物體智能識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種信息網(wǎng)絡(luò)[4]。

物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)或者組成部分可以歸納為“感知、傳輸、處理”，實現(xiàn)“及時、精確、面”地獲取和處理信息[5]。物聯(lián)網(wǎng)在邏輯架構(gòu)上可以分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，如圖2所示[6]。

圖2 物聯(lián)網(wǎng)的邏輯構(gòu)架圖

在物聯(lián)網(wǎng)的感知層，精確時間信息和位置信息感知中，目前主要利用GPS技術(shù)。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的授時和定位功能可以實現(xiàn)時間和位置的感知，投入使用后，則可以完全取代GPS完成位置感知任務(wù)，在物聯(lián)網(wǎng)的感知層中充當(dāng)重要角色，成為感知層不可或缺的重要組成部分。

可以看出，全球定位系統(tǒng)在物聯(lián)網(wǎng)中的作用，是實現(xiàn)定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的技術(shù)支撐。北斗導(dǎo)航系統(tǒng)在物聯(lián)網(wǎng)中的可以應(yīng)用到感知層和網(wǎng)絡(luò)傳輸層。

1）感知層

北斗導(dǎo)航系統(tǒng)可以提供時間信息、位置信息等。導(dǎo)航芯片是一個可精確測量目標(biāo)位置和速度的傳感器，可以直接使用北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的短報文功能上傳。另外，在另一個重要感知技術(shù)RFID中，可以將其讀寫器與導(dǎo)航芯片融合設(shè)計在一起，利用導(dǎo)航終端直接上傳網(wǎng)絡(luò)[7]。

2）網(wǎng)絡(luò)層

由于北斗導(dǎo)航系統(tǒng)獨有的短報文功能，可用于上傳、下行信息，作為支撐網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，北斗導(dǎo)航系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢：（1）導(dǎo)航信號分布廣泛，即使在地理位置偏遠(yuǎn)和地形復(fù)雜地區(qū)，導(dǎo)航信號依然有穩(wěn)定的覆蓋；（2）獨有的短報文通訊功能，每次可提供120字的短信服務(wù)，可以同時解決與“何人、何時、何地、何事”問題；（3）傳輸能力強，物聯(lián)網(wǎng)終端通信的業(yè)務(wù)模式具有頻繁狀態(tài)切換和位置更新以及在某一個特定的時間集中聚集到某一地區(qū)的特征；（4）服務(wù)成本低，北斗導(dǎo)航系統(tǒng)提供免費的開放服務(wù)。

電信網(wǎng)絡(luò)具有網(wǎng)絡(luò)成熟、市場基礎(chǔ)等優(yōu)勢。在今后物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展中，導(dǎo)航系統(tǒng)與電信網(wǎng)絡(luò)可以優(yōu)勢互補，能更好地支撐物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。

3 北斗典型應(yīng)用模型

根據(jù)在數(shù)字城市階段和物聯(lián)網(wǎng)階段的應(yīng)用分析，可以提煉出北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的兩種應(yīng)用模型，靜態(tài)模型和動態(tài)模型。

1）靜態(tài)模型

靜態(tài)模型主要是利用北斗定位系統(tǒng)獲取基礎(chǔ)地理信息以及滿足測繪需求。具體包括：（1）大地控制測量，如圖3所示的數(shù)字高程模型；（2）精密工程測量及變形監(jiān)測，如水庫大壩外觀變形監(jiān)測、滑坡外觀變形監(jiān)測以及機場軸線定位等[8]；（3）線路勘探及隧道貫通測量；（4）地形、地籍及房地產(chǎn)測量。這些工程上的應(yīng)用，是構(gòu)建數(shù)字城市的基礎(chǔ)。

圖3 數(shù)字高程模型

2）動態(tài)模型

動態(tài)模型主要是利用北斗定位系統(tǒng)進(jìn)行實時位置服務(wù)。如圖4所示，利用北斗終端獲取實時的位置信息，并將位置和事件信息通過短文通訊傳輸給云計算中心，再通過物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)層，將計算結(jié)果傳輸給有關(guān)管理部門，實現(xiàn)對該事件監(jiān)控和處理。動態(tài)模型在智慧城市中有非常廣泛的應(yīng)用。

圖4 北斗導(dǎo)航系統(tǒng)在智慧城市應(yīng)用中的動態(tài)模型

4 應(yīng)用實例

智慧城市的建設(shè)內(nèi)容包羅萬象，如城市的交通、醫(yī)療和環(huán)保等。凡需要定位及無線通訊技術(shù)的環(huán)節(jié)，都可以使用北斗。位置信息是智慧城市在感知層中非常關(guān)鍵的信息，只有掌握了位置信息，才能進(jìn)行針對性的處理。北斗在智慧城市的建設(shè)中有非常廣泛的應(yīng)用空間。

1）智慧交通

智能交通系統(tǒng)通常包括交通信息、車輛監(jiān)控、車輛管理以及車輛控制等子系統(tǒng)組成。在交通信息及通訊子系統(tǒng)中，諸如有關(guān)路段事故、急救等緊急、重要的信息在通過陸基無線／有線通信通道傳輸?shù)耐瑫r，可以通過北斗系統(tǒng)的通信服務(wù)傳輸給監(jiān)控中心及相關(guān)的北斗系統(tǒng)移動車輛用戶終端，保證這些緊急、重要的交通信息在任何環(huán)境下不中斷[9]，如圖5所示。在交通監(jiān)管子系統(tǒng)中，可以使用北斗進(jìn)行路況信息采集與管理，車輛跟蹤，智能調(diào)度及緊急救援等。

圖5 智能緊急救援

2）智慧水電

如果在未來的水表中，裝入北斗二代終端芯片，以及其他傳感裝備，則可以實現(xiàn)用水量數(shù)據(jù)的實時傳送，以及實時監(jiān)控企業(yè)和居民用水情況。如當(dāng)出現(xiàn)用水異常，可以通過北斗二代短文通訊，反饋到水表終端，以提醒用戶注意。同時管理部門也可以及時地獲取到出現(xiàn)異常的位置信息，有利于做出判斷和及時地處理。

在照明設(shè)備原有的配電和控制設(shè)備基礎(chǔ)上，加入北斗二代終端芯片，可以增加定位和短文通訊功能，從而使照明設(shè)備處于可管理狀態(tài)。通過網(wǎng)絡(luò)實時將照明電壓、功率、設(shè)備溫度等監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳到控制中心，結(jié)合位置信息，可以及時判斷故障和進(jìn)行處理。

利用動態(tài)模型，還可以實現(xiàn)對水電管網(wǎng)的在線實時監(jiān)測，可以快速定位發(fā)生問題的地點，從而有效的解決地下管網(wǎng)監(jiān)測難題，并且降低成本。

3）智慧環(huán)保

全球衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS）與氣象學(xué)的結(jié)合形成了GNSS氣象學(xué)（GNSS／MET meteorology），主要利用GNSS理論和技術(shù)來遙感地球大氣，進(jìn)行氣象學(xué)的理論和方法研究，可以測定大氣溫度及水汽含量，監(jiān)測氣候變化等。北斗作為四大衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)之一，將在我國氣象領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

綜合利用空氣質(zhì)量傳感器、衛(wèi)星定位以及衛(wèi)星圖片處理等技術(shù)，可以實時感知城市環(huán)境變化，對變化情況進(jìn)行趨勢分析和預(yù)測，及時發(fā)現(xiàn)問題。

5 結(jié) 論

智慧城市的建設(shè)，涉及人類生活的方方面面?；诒倍沸l(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的定位通訊技術(shù)以及各項傳感、通訊、云計算等技術(shù)，讓人們對智慧城市充滿了遐想。人們對智慧城市的需求，以及城市智慧化的發(fā)展，為北斗的應(yīng)用提供了廣闊的市場，帶來了前所未有的良機。同時北斗也經(jīng)受著GPS深厚的應(yīng)用基礎(chǔ)以及價格、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)等多方面的挑戰(zhàn)。但是北斗二代的建成，讓人們對北斗充滿期待。相信北斗一定會在我國乃至世界的智慧城市建設(shè)中發(fā)揮重要作用。

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