從應(yīng)用角度談北斗導(dǎo)航系統(tǒng)精準(zhǔn)定位的發(fā)展趨勢(shì)

·文|廣州南方衛(wèi)星導(dǎo)航儀器有限公司市場(chǎng)中心

從應(yīng)用角度談北斗導(dǎo)航系統(tǒng)精準(zhǔn)定位的發(fā)展趨勢(shì)

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隨著北斗導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）亞太區(qū)域運(yùn)行的全面展開(kāi)，BDS定位應(yīng)用真正走向了產(chǎn)業(yè)規(guī)?；?，走進(jìn)了尋常百姓家。雖然系統(tǒng)成熟度、成本等各方面還存在著一些需要磨合之處，但BDS的衛(wèi)星組成特別針對(duì)亞太地區(qū)的增強(qiáng)還是為衛(wèi)星導(dǎo)航定位領(lǐng)域帶來(lái)了實(shí)實(shí)在在的技術(shù)變革。

而聚焦于精準(zhǔn)衛(wèi)星定位領(lǐng)域，在傳統(tǒng)GPS和GLONASS差分定位的基礎(chǔ)上，BDS的加入則正式開(kāi)啟了GNSS多星定位的新時(shí)代：星座的分布和數(shù)量更趨完善，差分作用距離愈發(fā)擴(kuò)展，定位終端的空間可用性不斷增強(qiáng)，而終端運(yùn)算、通信性能的提升則為更多行業(yè)更廣泛的應(yīng)用精準(zhǔn)定位提供了條件。

下文將分別就衛(wèi)星系統(tǒng)、差分源、定位終端以及應(yīng)用擴(kuò)展4個(gè)方面分析BDS精準(zhǔn)定位的發(fā)展趨勢(shì)。

一、衛(wèi)星系統(tǒng)

精準(zhǔn)衛(wèi)星定位在衛(wèi)星系統(tǒng)方面的最顯著趨勢(shì)便是GNSS多星聯(lián)合解算時(shí)代的全面到來(lái)，BDS以及Galileo的加入，使得空域中的可視衛(wèi)星不斷增加；而針對(duì)亞太尤其是中國(guó)區(qū)域來(lái)說(shuō)，BDS中地球同步軌道衛(wèi)星和區(qū)域增強(qiáng)衛(wèi)星的加入，使得星座分布更加合理，衛(wèi)星信號(hào)的穩(wěn)定性得到了極大地提升。

如圖1所示，在我國(guó)的南部地區(qū)，單一終端的衛(wèi)星捕獲數(shù)量可以經(jīng)常性的達(dá)到30顆以上，這就為精準(zhǔn)衛(wèi)星定位更廣泛的應(yīng)用奠定了星座基礎(chǔ)。

圖1 GPS+GLONASS+BDS終端捕獲星圖

而在衛(wèi)星方面的另一個(gè)重要趨勢(shì)便是以GPS的L5和BDS的B3為代表的第三定位頻段的加入。定位衛(wèi)星的第三頻段往往較另外兩個(gè)頻段的波長(zhǎng)更長(zhǎng)，具有一定的衍射效應(yīng)，對(duì)于穿透透明膜層（如玻璃）、稀疏樹(shù)葉等弱遮擋環(huán)境有著明顯的效果提升。

此外，導(dǎo)航定位衛(wèi)星的通信功能變得進(jìn)一步增強(qiáng)。這對(duì)衛(wèi)星定位的幫助或許有限，但這對(duì)位置信息的通信，尤其是在惡劣失聯(lián)環(huán)境下的位置反饋有著突出的作用和巨大的實(shí)用價(jià)值。

二、差分源

眾所周知，差分定位是現(xiàn)階段實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位最可靠、最主流的定位方式，而加入BDS后GNSS差分源的變革便對(duì)精準(zhǔn)定位的發(fā)展意義重大。從目前的應(yīng)用模式上看，一方面是基于CORS技術(shù)的北斗區(qū)域差分、廣域差分地基增強(qiáng)應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)展，另一方面則是北斗星站差分機(jī)制和衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的籌劃和設(shè)計(jì)建設(shè)。而在現(xiàn)階段，大規(guī)模展開(kāi)實(shí)用的是地基增強(qiáng)提供差分源的方式，見(jiàn)圖2。

圖2 上海測(cè)繪院SHCORS系統(tǒng)網(wǎng)形圖及南方BDS子系統(tǒng)性能測(cè)試結(jié)論

在地基增強(qiáng)方面，除了原有的虛擬網(wǎng)絡(luò)參考站、主輔站技術(shù)繼續(xù)不斷完善和成熟之外，BDS還為地基增強(qiáng)系統(tǒng)帶來(lái)了更多的差分共用衛(wèi)星，從而大大增加了差分作用的距離和穩(wěn)定性；而多星聯(lián)合解算差分?jǐn)?shù)據(jù)的播發(fā)，也使得城市環(huán)境下的精準(zhǔn)衛(wèi)星定位應(yīng)用成為可能。

三、定位終端

可以視為基礎(chǔ)設(shè)施的衛(wèi)星系統(tǒng)和地基增強(qiáng)系統(tǒng)相比，精準(zhǔn)GNSS定位終端的發(fā)展顯得更加的靈活和多樣化。

首先，BDS的加入使得精準(zhǔn)GNSS定位終端的定位性能大幅提高，作業(yè)范圍進(jìn)一步增加，如圖3所示，在典型的城市環(huán)境中，多星定位的可用區(qū)域得到了極大地?cái)U(kuò)展。

圖3 多星定位城市環(huán)境應(yīng)用范圍對(duì)比示意圖

其次，芯片、通信技術(shù)的發(fā)展，使得硬件平臺(tái)的性能不斷增強(qiáng)，使得用戶在定位現(xiàn)場(chǎng)可以結(jié)合底圖、位圖作業(yè)，也使得現(xiàn)場(chǎng)的作業(yè)場(chǎng)景和后臺(tái)的調(diào)度指令可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)交互，真正實(shí)現(xiàn)作業(yè)可視化，服務(wù)云端化，見(jiàn)圖4。

圖4 地理國(guó)情監(jiān)測(cè)高性能精準(zhǔn)定位采集系統(tǒng)示意圖

此外，硬件集成技術(shù)的不斷發(fā)展，使得各種專(zhuān)業(yè)設(shè)備得以在硬件層面和精準(zhǔn)定位終端互聯(lián)互通，實(shí)現(xiàn)多種組合的作業(yè)模式。例如：定位終端和激光測(cè)距儀的結(jié)合解決了衛(wèi)星遮擋區(qū)域偏移測(cè)量的難題；精準(zhǔn)定位終端和管線探測(cè)儀的結(jié)合，使得作業(yè)人員可以同時(shí)采集管線狀況和管線位置數(shù)據(jù)（圖5）。

而更加值得注意的趨勢(shì)是，除了將定位終端高度集成一體化之外，另一種終端研發(fā)思路則是將精準(zhǔn)定位功能小型化、模塊化，再通過(guò)與民用智能終端（如手機(jī)、平板電腦等）互聯(lián)（通過(guò)線纜、藍(lán)牙、NFC等方式），結(jié)合研發(fā)出相應(yīng)的后臺(tái)服務(wù)APP，從而將精準(zhǔn)位置充分開(kāi)放給各種行業(yè)應(yīng)用APP使用，實(shí)現(xiàn)原有民用終端的精準(zhǔn)化。

圖5 精準(zhǔn)定位終端與管線探測(cè)儀的結(jié)合應(yīng)用

四、應(yīng)用擴(kuò)展

將上文中提到的衛(wèi)星系統(tǒng)、差分源、定位終端的發(fā)展結(jié)合到一起，結(jié)合GIS的平臺(tái)和應(yīng)用，便實(shí)現(xiàn)了基于BDS的精準(zhǔn)定位服務(wù)平臺(tái)，進(jìn)而服務(wù)于各行各業(yè)的精準(zhǔn)作業(yè)需求。

北斗精準(zhǔn)定位作為一種全天候?qū)崟r(shí)性定位手段，其優(yōu)勢(shì)在于安全和精準(zhǔn)，但不能單獨(dú)存在，必須依托當(dāng)?shù)卣蚱髽I(yè)的GIS平臺(tái)而存在，簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是必須和地圖結(jié)合起來(lái)，才能發(fā)揮最大的優(yōu)勢(shì)。

北斗精準(zhǔn)定位服務(wù)的系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖6。

圖6 北斗精準(zhǔn)定位服務(wù)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)層由CORS系統(tǒng)（連續(xù)運(yùn)行參考站）和用戶數(shù)據(jù)組成。

服務(wù)層主要解決的是用戶取得精準(zhǔn)位置的問(wèn)題，重點(diǎn)在于用戶所用終端及對(duì)用戶取得定位精度的分級(jí)管理，另外各個(gè)行業(yè)、公司的基礎(chǔ)GIS業(yè)務(wù)平臺(tái)也屬于服務(wù)層，這個(gè)層面便會(huì)涉及到大量精準(zhǔn)定位終端和GIS平臺(tái)軟件。

應(yīng)用層則是一個(gè)根據(jù)行業(yè)細(xì)分的軟件開(kāi)發(fā)領(lǐng)域，精準(zhǔn)位置除了與地圖數(shù)據(jù)結(jié)合可以達(dá)到監(jiān)控、定位、導(dǎo)航、調(diào)度等的應(yīng)用外，還要和各行各業(yè)的實(shí)際業(yè)務(wù)需求相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)室外工作流程的電子化、規(guī)范化，這便需要在定位終端和后臺(tái)GIS平臺(tái)兩個(gè)層面進(jìn)行軟件的二次開(kāi)發(fā)，如燃?xì)獾墓芫€定位終端便要和管線探測(cè)儀等專(zhuān)業(yè)設(shè)備連接，并在定位終端和后臺(tái)GIS平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)管線探測(cè)儀數(shù)據(jù)的識(shí)別、傳輸和分析，還要結(jié)合巡檢、焊接人員的作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)流程開(kāi)發(fā)終端軟件。

從精度級(jí)別上來(lái)說(shuō)，精準(zhǔn)定位可以實(shí)現(xiàn)米級(jí)（1～3m）、亞米級(jí)（＜1m）、厘米級(jí)（＜20cm）3個(gè)常見(jiàn)級(jí)別的位置獲取，在以下領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

（1）傳統(tǒng)測(cè)繪類(lèi)

傳統(tǒng)測(cè)繪領(lǐng)域?qū)珳?zhǔn)定位的應(yīng)用較為成熟，自20世紀(jì)90年代GPS測(cè)量型RTK傳入我國(guó)以來(lái)，經(jīng)過(guò)20多年的普及，現(xiàn)階段各地測(cè)繪人員的主要測(cè)量方式均采用GNSS衛(wèi)星定位測(cè)量；

在傳統(tǒng)的測(cè)量RTK之外，便攜大屏幕智能定位終端在2013年開(kāi)始的全國(guó)地理國(guó)情監(jiān)測(cè)項(xiàng)目中得到了廣泛運(yùn)用，作業(yè)人員可以在勘察現(xiàn)場(chǎng)獲取精準(zhǔn)位置，并結(jié)合航拍圖，對(duì)原有大比例尺地圖進(jìn)行地物勘驗(yàn)和修改。

（2）管線類(lèi)

管線類(lèi)精準(zhǔn)應(yīng)用涵蓋多個(gè)行業(yè)領(lǐng)域，在城市范疇內(nèi)，燃?xì)?、自?lái)水（給排水）、供電照明等細(xì)分行業(yè)均有著明顯的需求；而在較大范圍內(nèi)的能源管道（石油、石化）、電力線路（國(guó)家電網(wǎng)、南方電網(wǎng)）也有著巨大的需求量；

管線類(lèi)精準(zhǔn)應(yīng)用解決的主要問(wèn)題是在短時(shí)間內(nèi)快速確定某一特定管線特征點(diǎn)（如焊接點(diǎn)、泄漏點(diǎn)、閥門(mén)、變壓器、路燈桿）的準(zhǔn)確位置，尤其是針對(duì)安全問(wèn)題敏感的地下可燃?xì)怏w管線（如青島石化爆炸事件中的天然氣管線）有著顯著的優(yōu)勢(shì)；

而由于精準(zhǔn)定位終端一般具備藍(lán)牙、RFID、WiFi、NFC等通信功能，可以和其他的行業(yè)專(zhuān)業(yè)設(shè)備（如管線探測(cè)儀）實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)互聯(lián)，并通過(guò)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)回傳給數(shù)據(jù)中心，能夠讓管線行業(yè)的巡檢、維修、施工作業(yè)流程實(shí)時(shí)操作實(shí)時(shí)審批，并兼具導(dǎo)航和指令調(diào)度的功能應(yīng)用。

（3）車(chē)輛監(jiān)控類(lèi)

常見(jiàn)的車(chē)輛監(jiān)控一般采用低精度定位設(shè)備（如兩客一危），主要解決的是車(chē)輛在哪、行駛路線記錄的問(wèn)題；而精準(zhǔn)定位下的車(chē)輛應(yīng)用則可以監(jiān)控更多的車(chē)輛實(shí)時(shí)狀態(tài)，包括精確判斷車(chē)速、油量、里程及行駛范圍，實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)輛的車(chē)道級(jí)監(jiān)控（亞米級(jí)精度即可實(shí)現(xiàn)），滿足對(duì)特定區(qū)域內(nèi)（如安全要求較高的廠區(qū)、礦區(qū)）、特種車(chē)輛（如危險(xiǎn)性物體載運(yùn)車(chē)、可燃?xì)怏w探測(cè)車(chē)、高等級(jí)活動(dòng)環(huán)衛(wèi)清掃車(chē)）的精確監(jiān)控需求。

（4）水上應(yīng)用類(lèi)

精準(zhǔn)定位的船舶應(yīng)用除了結(jié)合航道圖的導(dǎo)航、定向定位外，還可以結(jié)合水上測(cè)深儀完成航道疏浚、測(cè)量任務(wù)；在港口范疇內(nèi)的船舶停泊精確導(dǎo)航（可結(jié)合自動(dòng)化技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)停泊）、集裝箱貨運(yùn)的精確機(jī)械控制方面也有著很多應(yīng)用案例。

（5）精準(zhǔn)路線控制類(lèi)

應(yīng)用衛(wèi)星精準(zhǔn)定位實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)輛、機(jī)械的厘米級(jí)精確路線控制在國(guó)外已經(jīng)有廣泛的應(yīng)用，在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)范疇，結(jié)合自動(dòng)駕駛實(shí)現(xiàn)全天候農(nóng)機(jī)自動(dòng)精確播種、收割；在道路施工范疇，實(shí)現(xiàn)對(duì)道路壓實(shí)的精確控制；在高速鐵路施工實(shí)現(xiàn)對(duì)軌道鋪設(shè)的精確測(cè)量；

這方面的應(yīng)用在國(guó)內(nèi)已經(jīng)開(kāi)始起步，尤其集中在現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的需求巨大，東北、內(nèi)蒙和新疆等大農(nóng)場(chǎng)集聚地區(qū)已有成熟的應(yīng)用；在新一輪土地改革的推動(dòng)下，更多的農(nóng)村地區(qū)將出現(xiàn)土地集中使用、耕種的規(guī)模化、集約化需求，前景廣闊。

（6）安全安防類(lèi)

在地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)的山區(qū)、水壩，以及針對(duì)安全要求較高橋梁、高層建筑物，精準(zhǔn)定位可以實(shí)現(xiàn)對(duì)剛體外形的形變、沉降監(jiān)測(cè)，精度可達(dá)到毫米級(jí)別，達(dá)到全天候、實(shí)時(shí)地解算和圖形化顯示，在尾礦庫(kù)、水庫(kù)、大型橋梁、大范圍地面沉降等方面已有很多成熟案例。

（7）駕駛?cè)丝荚囶?lèi)

2013年1月1日開(kāi)始執(zhí)行的公安部第123號(hào)令——《機(jī)動(dòng)車(chē)駕駛證申領(lǐng)和使用規(guī)定》，對(duì)駕駛?cè)丝荚噧?nèi)容進(jìn)行了調(diào)整，并提出了新的更加嚴(yán)格的要求，這對(duì)駕駛?cè)丝荚囇邪l(fā)行業(yè)是一個(gè)新的挑戰(zhàn)，必須嚴(yán)格按照新部令要求，摒棄落后技術(shù)，結(jié)合衛(wèi)星定位系統(tǒng)對(duì)車(chē)輛進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位定姿測(cè)量，從而達(dá)到不需要在考試場(chǎng)地安裝設(shè)備就可以精確評(píng)判的效果。

目前全國(guó)各地的駕照考試場(chǎng)地已經(jīng)開(kāi)始陸續(xù)采用精準(zhǔn)定位實(shí)現(xiàn)考試結(jié)果無(wú)人介入評(píng)判，年市場(chǎng)容量達(dá)到了10億量級(jí)，而各地駕校也開(kāi)始實(shí)施高度模擬真實(shí)考試環(huán)境的駕駛?cè)伺嘤?xùn)系統(tǒng)，將使駕駛?cè)丝荚?、培?xùn)市場(chǎng)實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的增長(zhǎng)。

（8）執(zhí)法巡查類(lèi)

警務(wù)、城管及市政巡查，是近幾年來(lái)廣泛應(yīng)用米級(jí)精準(zhǔn)定位的執(zhí)法巡查領(lǐng)域。

結(jié)合高度加密的后臺(tái)系統(tǒng)，警務(wù)、城管人員可以應(yīng)用精準(zhǔn)定位終端實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)法的查詢（身份確認(rèn)）、上報(bào)（實(shí)時(shí)回傳）、處罰（罰單打?。?、取證（圖像、視頻采集）等一系列執(zhí)法流程；

市政巡查人員則可以結(jié)合地圖數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)市政物件（如井蓋、垃圾桶、路燈等）和市政事件（損壞、丟失、報(bào)廢等）的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)操作。