構建北斗地基增強系統(tǒng)打造智慧城市基礎設施

· 文|航天恒星科技有限公司 侯倩 蔣勇 李東俊

構建北斗地基增強系統(tǒng)打造智慧城市基礎設施

· 文|航天恒星科技有限公司 侯倩 蔣勇 李東俊

2008年，IBM公司提出智慧地球理念。智慧城市是智慧地球理念在城市中的實踐。IBM從技術上給出的智慧城市定義是：智慧城市是能夠充分運用信息和通信技術手段感測、分析、整合城市運行核心系統(tǒng)的各項關鍵信息，從而對于包括民生、環(huán)保、公共安全、城市服務、工商業(yè)活動在內的各種需求做出智能的響應，為人類創(chuàng)造更美好的城市生活”.它包括三方面的內容：更透徹的感知、更全面的互聯(lián)互通、更深入的智能化。

位置信息感知是建立透徹感知能力的重要一步，也是實現城市智能化的基礎。隨著衛(wèi)星導航技術、地理信息系統(tǒng)技術、射頻識別技術、傳感器技術的深度融合，衛(wèi)星導航應用產業(yè)已發(fā)展為是以衛(wèi)星導航和地理空間信息為基礎、以具有時空特征標識的各類數據為資源、以面向市場需求提供智能化服務產品為主要特征的戰(zhàn)略性新興產業(yè)。

當前北斗導航系統(tǒng)已具備區(qū)域定位能力，提升精準時空信息服務能力是北斗導航產業(yè)化應用的基礎和前提，將促進基于高精度位置服務的相關產業(yè)諸如農業(yè)信息化、工業(yè)智能化、測繪服務業(yè)實時性等產業(yè)升級，是構建智慧城市的信息基礎設施。

一、智慧城市概述

1.智慧城市內涵

從技術上看，智慧城市是數字城市、物聯(lián)網、云計算等先進技術的集合。從智慧城市建設可實施、可操作的角度出發(fā)，可認為“智慧城市＝數字城市＋智能管理＋泛在服務”。其中數字城市是建立在地理網格化、設施部件化、信息管理GIS化等基礎上的城市基礎地理信息平臺；智能管理包括智能政務管理、智能民生管理和智能行業(yè)管理三方面內容；泛在服務是指綜合運用物聯(lián)網、云計算、衛(wèi)星應用等新一代信息技術為智慧城市的服務對象（政府、公眾或企業(yè)）提供無處不在的服務。

“數字城市”的概念源于“數字地球”，它以計算機技術、多媒體技術和大規(guī)模存儲技術為基礎，以寬帶網絡為紐帶，運用遙感（RS）、全球導航定位系統(tǒng)（GNSS）、地理信息系統(tǒng)（GIS）、遙測、仿真技術等對城市進行多分辨率、多尺度、多時空和多種類的三維描述，即利用信息技術手段把城市的過去、現狀和未來的全部內容在網絡上進行數字化虛擬實現，并在此基礎上將城市的各種數字信息及各種信息資源加以整合并充分利用。

“智慧城市”是繼“數字城市”后，城市信息化發(fā)展的新目標和新階段。相比數字城市，智慧城市更加強調城市信息的全面感知、互聯(lián)互通，以及城市生活的智能決策與處理。數字城市與智慧城市之間的區(qū)別見表1。

表1 數字城市與智慧城市的區(qū)別

2.智慧城市體系架構

從天地一體化綜合信息系統(tǒng)集成應用的角度提出智慧城市體系架構。智慧城市體系架構由一個平臺、兩張網絡、三類應用、兩個保障組成，如圖1所示。一個平臺為智慧共用的基礎信息平臺，兩張網絡為泛在感知網和天地立體通信網，三類應用為智慧政務應用、智慧民生應用和智慧行業(yè)應用，兩個保障為信息安全體系和管理機制。

其中，徹底、有效的感知是智慧城市建設的基礎和核心要求。按照劉經南院士對地球空間智能傳感網的設想,未來應建立互聯(lián)、共通、共享的天、空、地協(xié)同式感知網絡。其中天基平臺由各類衛(wèi)星等構成，空基平臺由平流層氣球、飛艇、無人機等空基感知網絡平臺，地基平臺則以衛(wèi)星導航增強系統(tǒng)為主要骨干網絡構成。

二、北斗地基增強系統(tǒng)建設現狀

為提升北斗衛(wèi)星導航服務性能以適應關系國家安全戰(zhàn)略的重點行業(yè)及領域應用需求，促進北斗產業(yè)規(guī)模化發(fā)展，亟待建設層次互補、開放兼容、面向應用的北斗地基增強基礎設施——基于北斗系統(tǒng)的多模連續(xù)運行參考站網。

圖 1 智慧城市體系架構

1.北斗地基增強系統(tǒng)的組成

北斗地基增強系統(tǒng)主要由基準站子系統(tǒng)、數據處理中心、數據通信子系統(tǒng)、用戶應用子系統(tǒng)構成?；鶞收臼荂ORS系統(tǒng)的重要基礎設施，為用戶計算差分改正數等其他監(jiān)測數據。CORS通信子系統(tǒng)是由GNSS衛(wèi)星、計算機、GNSS接收機、用戶通信設備、無線通信基站、網絡設備等物理設備構成節(jié)點，由電話線、網線、無線信號等建立起來的物理鏈路。可以實現“基準站——數據中心”、“數據中心——用戶終端”之間的通信。用戶應用子系統(tǒng)是保證用戶完成差分導航及定位的終端設備。按照應用場景不同可分為測量型、車載型、航空型、手持型等等。數據中心子系統(tǒng)是北斗 GNSS局域增強系統(tǒng)的核心單元，通過運行網絡RTK系統(tǒng)管理和定位服務軟件，實時快速處理多個GNSS基準站的數據，建立各種誤差修正模型，為分布在各地的用戶提供高精度的實時差分修正數，同時為事后用戶提供高精度的參考數據。

CORS網通過建設若干永久性連續(xù)運行的基準站，實現對衛(wèi)星信號長時間的連續(xù)跟蹤觀測，利用網絡解算獲取覆蓋該地區(qū)和該時間段的“局域精密星歷”及其他改正參數，用于測區(qū)內其它基線觀測值的精密解算。其定位精度達到實時厘米級、事后毫米級，大大提高衛(wèi)星導航系統(tǒng)應用效能，可向社會各行業(yè)提供各種地理空間信息數據服務，滿足高精度測量需求。同時，連續(xù)運行參考站網可以提供連續(xù)不間斷的對導航衛(wèi)星的完好性監(jiān)測，可對衛(wèi)星精密星歷、衛(wèi)星精密鐘差、大氣層傳播延遲等誤差進行確定并播報，大大克服導航衛(wèi)星系統(tǒng)在可靠性、可用性方面的脆弱性。

2.我國北斗地基增強系統(tǒng)建設情況

（1）國家級北斗地基增強系統(tǒng)總體布局

我國已迎來面向未來的重大空間信息化基礎設施的密集建設期。2013年9月國務院辦公廳頒布了《國家衛(wèi)星導航產業(yè)中長期發(fā)展規(guī)劃》。規(guī)劃明確提出完善導航基礎設施，未來以提升衛(wèi)星導航服務性能為目標，加快建設統(tǒng)一、協(xié)調、完整、開放的衛(wèi)星導航基礎設施體系，重點建設多模連續(xù)運行參考站網等重大地面基礎設施。

中國衛(wèi)星導航系統(tǒng)管理辦公室已將北斗地基增強系統(tǒng)作為中國第二代衛(wèi)星導航系統(tǒng)重大專項應用推廣與產業(yè)化項目，在“十二五”期間完成建設并投入使用。未來將充分依托行業(yè)部門及地方政府先期建設積累的GPS監(jiān)測資源，借助各系統(tǒng)陸續(xù)開展北斗性能監(jiān)測升級換代的時機，建成覆蓋我國大陸和海域的近千個框架網和加密網基準站，構建可靠的天基和地基增強信息播發(fā)手段，提供廣域2m級和分米級的北斗高精度導航位置服務和相關的完好性監(jiān)測服務，以及區(qū)域厘米級、事后毫米級的北斗/GNSS精密定位服務，提供北斗/GNSS實時和事后數據交換服務，形成北斗衛(wèi)星導航地面監(jiān)測資源全國一張網，建成性能先進、穩(wěn)定可靠的北斗地基增強系統(tǒng)。

（2）區(qū)域和行業(yè)北斗地基增強系統(tǒng)建設現狀

我國多個區(qū)域和行業(yè)已意識到北斗衛(wèi)星導航應用對提高產業(yè)效率、推動產業(yè)升級、拓展新興消費領域等經濟推動力，紛紛制定了導航產業(yè)相關規(guī)劃并啟動了區(qū)域CORS系統(tǒng)建設。

深圳市作為中國首個城市CORS示范建設城市，其先行先試效果明顯。2012年11月，深圳市發(fā)改委發(fā)布了《關于深圳市北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)應用產業(yè)化實施方案》。方案中提出建設三大基礎工程，包括北斗地基增強系統(tǒng)、北斗時空服務平臺、北斗產業(yè)創(chuàng)新平臺，并明確將按照“智慧深圳”統(tǒng)一部署，推動北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的廣泛應用，在智慧公交、警務車輛管理、私家車服務三大應用實施推廣工程。深圳市北斗地基增強系統(tǒng)建設2013年6月啟動，計劃2014年驗收投入使用。

湖北省CORS建設一直走在全國前列。2012年完成湖北省連續(xù)運行衛(wèi)星定位服務系統(tǒng)（HBCORS）建設，建立了覆蓋全省范圍的80 個連續(xù)運行參考站和1個固定監(jiān)測站。2013年12月政府出臺了《湖北省北斗衛(wèi)星導航應用產業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2014-2020年）》，規(guī)劃中將建設和完成省北斗地基增強系統(tǒng)作為重大項目，提出要實現全省范圍內的厘米級實時精密定位服務，并以此為基礎，開發(fā)厘米級高精度定位智能終端產品，在智慧城市地理空間框架建設、地理國情普查及監(jiān)測、基礎測繪等方面的深度應用，實現北斗地基增強系統(tǒng)應用產業(yè)化。規(guī)劃中還明確在智慧交通、智慧物流、現代農業(yè)、智慧林業(yè)、智慧航運、智慧社區(qū)六大領域基于北斗的智能化服務應用工程，并選擇有條件的城市和區(qū)域開展智慧城市建設。

上海市戰(zhàn)略性新興產業(yè)項目——“北斗衛(wèi)星高精度接收設備研制和地面增強網”已取得初步成果。2012年底，上海市完成北斗CORS應用示范項目建設。該項目共15站點，覆蓋整個上海市區(qū)以及周邊城鎮(zhèn)，目前已經完成第一期工作，通過內部組織驗收測試，精度和性能上均符合國家相關規(guī)范要求，正在進行試運行。2013年6月，上海市測繪院啟動了上海市CORS系統(tǒng)北斗改造工程。根據上海市衛(wèi)星導航產業(yè)的總體發(fā)展規(guī)劃，到2015年，上海市要率先建成衛(wèi)星導航基礎設施比較完備，產業(yè)特色比較鮮明，產業(yè)規(guī)模相對較大，應用示范全面領先的城市，使衛(wèi)星導航與位置服務成為上海展示智慧城市建設成果的載體。

除區(qū)域外，交通運輸部也啟動了導航地基增強系統(tǒng)的建設和推廣應用工作。以往交通部在沿海建立了20余個GPS CORS構成了衛(wèi)星定位地面差分站,主要用于沿海船舶導航定位。2013年4月26日，交通運輸部綜合規(guī)劃司組織召開了“北斗地基增強系統(tǒng)建設方案論證研究大綱咨詢會”, 標志著交通運輸行業(yè)北斗地基增強系統(tǒng)建設方案論證工作正式啟動。交通行業(yè)北斗地基增強系統(tǒng)，旨在為北斗交通行業(yè)深度應用提供有力支撐，為交通信息化和智能化提供高精度位置基礎。目前論證的方案中具體建設內容包括：建設基于高速公路光纖網的衛(wèi)星導航基礎觀測網絡、增強數據處理中心，面向公路、內河、沿海、鐵路、民航分別建設應用服務系統(tǒng)，包括高精度地圖，多種信息播發(fā)手段和應用平臺。

三、北斗地基增強系統(tǒng)的應用需求分析

1.北斗地基增強系統(tǒng)的行業(yè)應用需求總體分析

北斗地基增強系統(tǒng)可將北斗導航定位性能提高至實時分米級、厘米級和事后毫米級，在此梳理了四大類十四種行業(yè)應用對高精度位置信息的需求，綜合其精度、可用性、實時性三類需求，可以發(fā)現建設覆蓋全面的北斗地基增強系統(tǒng)是滿足應用需求的最便利和經濟的方式和手段，見表2。

表2 高精度位置信息在行業(yè)應用的需求分析表

續(xù) 表2

2.北斗地基增強系統(tǒng)的行業(yè)帶動作用

北斗地基增強系統(tǒng)是改造提升傳統(tǒng)產業(yè)的助推器和倍增器。在產品和裝備中融入高精度偽距差分終端或軟件，實現產品和裝備的數字化和智能化，實現農業(yè)精準化、測量實時性、大型設備自動化。在物流運輸過程融入時空位置信息，整合其他信息化手段，即可優(yōu)化物流管理流程，實現過程智能化。CORS系統(tǒng)在高精度測量領域、現代精準農業(yè)、工業(yè)自動化、物流自動化等領域的應用，大大提高提升整個產業(yè)鏈的綜合競爭能力，促進傳統(tǒng)行業(yè)轉型升級。

北斗地基增強系統(tǒng)是奠定物聯(lián)網戰(zhàn)略性新興產業(yè)的基石。物聯(lián)網建設首先要形成縱向天空地立體覆蓋、橫向全面無縫感知的信息感知網絡。CORS網作為時空基準為所有智能感知網提供時空位置服務，其終端可與各類傳感器共同完成信息采集，構成天、空、地一體化的地理域情感知網絡。因此，CORS系統(tǒng)是物聯(lián)網的重要基礎設施。CORS網終端、芯片與各類傳感器的融合，蘊含著巨大的創(chuàng)新空間，將催生大量新產品、新應用、新模式也將不斷創(chuàng)新，從而推進物聯(lián)網感知能力。

在智慧城市建設中，區(qū)域北斗地基增強系統(tǒng)的運營平臺是智慧城市基礎信息平臺的重要組成。掌握CORS網運營，就等于掌握區(qū)域北斗高精度位置服務的標準制定和接口設計的主導權，對開拓區(qū)域物聯(lián)網和智慧城市等時空基準服務關聯(lián)市場掌握先機。同時，區(qū)域北斗地基增強系統(tǒng)的運營管理將掌握區(qū)域內大量用戶的時空動態(tài)數據，為未來的大數據驅動型經濟發(fā)展獲取先機。

四、推動北斗地基增強系統(tǒng)的建議

未來北斗地基增強系統(tǒng)將作為智慧城市建設的基礎設施，其部署將從根本上解決我國高精度位置服務領域的信息安全，未來其與互聯(lián)網、物聯(lián)網以及云計算、大數據的融合，將催生大量的新技術、新產品、新應用、新模式，為北斗產業(yè)化應用帶來難得的發(fā)展機遇和廣闊的發(fā)展空間。

當前，中國北斗地基增強系統(tǒng)仍然處于發(fā)展初期，依然存在亟待解決的問題。在技術層面，與美國GPS CORS參考站網絡形成國家級、合作式、區(qū)域型三類設施不同，中國尚未形成各行業(yè)北斗地基增強系統(tǒng)的分類標準和技術要求。因此，制定北斗CORS建設和運營管理的標準對于促進各類地基增強系統(tǒng)的良性發(fā)展，并保證最終全國一張網的互通性和標準化有重要作用。

中國原有的GPS CORS的建設者和使用者主要集中為測繪、氣象、地震等主管部門，為促進北斗地基增強系統(tǒng)的社會化應用，必須秉著開放、包容的原則，拓寬建設和運營北斗地基增強系統(tǒng)的門檻；同時，在平臺的運營管理上，要結合分析其商業(yè)模式，為用戶提供自動化、智能化解決方案，以創(chuàng)新商業(yè)模式帶動產業(yè)鏈發(fā)展。

由于中國存在區(qū)域經濟發(fā)展不均衡的問題，當前真正開始建設北斗地基系統(tǒng)的區(qū)域主要集中在經濟發(fā)達區(qū)域，在西部等經濟欠發(fā)達地區(qū)存在建站晚、站點少的問題，亟需從國家層面進行支持。

高分二號衛(wèi)星上海融合影像

圖為高分二號衛(wèi)星獲取的上海區(qū)域影像，為全色影像（0.8m）和多光譜影像（3.2m）融合圖，接收日期為2014年9月25日。

國防科工局重大專項工程中心 制作中國資源衛(wèi)星應用中心