北斗導(dǎo)航大數(shù)據(jù)建設(shè)與思考

● 文 |解放軍信息工程大學(xué) 陳明劍 李廣云

北斗導(dǎo)航大數(shù)據(jù)建設(shè)與思考

● 文 |解放軍信息工程大學(xué) 陳明劍 李廣云

從導(dǎo)航大數(shù)據(jù)定義入手，對(duì)當(dāng)前導(dǎo)航大數(shù)據(jù)的主要問(wèn)題進(jìn)行了討論，并針對(duì)基于北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)的導(dǎo)航大數(shù)據(jù)情況，提出當(dāng)前導(dǎo)航大數(shù)據(jù)研究主要內(nèi)容。

北斗；大數(shù)據(jù)；北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)

現(xiàn)代數(shù)據(jù)不論從重要性還是經(jīng)濟(jì)總量上都將超過(guò)石油、煤炭等天然資源，數(shù)據(jù)資源開發(fā)利用將形成巨大的數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)。隨著北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)全球部署，基于大數(shù)據(jù)的導(dǎo)航生產(chǎn)方式和生產(chǎn)模式發(fā)生了根本改變。基于位置感知的數(shù)據(jù)云智慧城市、戰(zhàn)場(chǎng)自動(dòng)化感知及戰(zhàn)場(chǎng)自動(dòng)化指揮等現(xiàn)代理念都要基于導(dǎo)航及各種數(shù)據(jù)信息，在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)時(shí)間和空間上被高度濃縮存儲(chǔ)、分析、應(yīng)用。這使得現(xiàn)代導(dǎo)航逐漸改變以往后臺(tái)理論與技術(shù)支持的地位，由靜態(tài)轉(zhuǎn)為實(shí)時(shí)服務(wù)，攜眾多服務(wù)產(chǎn)品逐步走向前臺(tái)，對(duì)提供的定位、導(dǎo)航和授時(shí)（PNT）綜合數(shù)據(jù)進(jìn)行更深層次的挖掘，并延伸其研究深度與廣度，直接應(yīng)用于戰(zhàn)場(chǎng)、航空航天、地球物理、地理信息、資源勘探、土地動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、農(nóng)牧漁業(yè)、智能化交通管理等眾多領(lǐng)域，成為智慧領(lǐng)域的基礎(chǔ)支撐，最終慢慢形成現(xiàn)代大數(shù)據(jù)意義的導(dǎo)航和現(xiàn)代導(dǎo)航意義的大數(shù)據(jù)。

一、當(dāng)前導(dǎo)航大數(shù)據(jù)建設(shè)面臨的主要問(wèn)題

1. 未能形成“導(dǎo)航云”

目前導(dǎo)航數(shù)據(jù)一般是應(yīng)用部門針對(duì)特定任務(wù)采集和獲取，利用專業(yè)數(shù)據(jù)處理方法分析局部數(shù)據(jù)精度及屬性特征。例如省域北斗地基增強(qiáng)（CORS）信息中心計(jì)算產(chǎn)生CORS差分信息，沒(méi)有地圖數(shù)據(jù)、遙感數(shù)據(jù)、光學(xué)影像數(shù)據(jù)等支持。數(shù)據(jù)依然按行業(yè)、地域、企業(yè)被隔離成一個(gè)個(gè)信息孤島，沒(méi)有形成導(dǎo)航大數(shù)據(jù)所必須的“導(dǎo)航云”，未建立一套行之有效的導(dǎo)航大數(shù)據(jù)理論與技術(shù)，無(wú)法對(duì)各種不同類型數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)進(jìn)行深度挖掘及再利用。應(yīng)當(dāng)把消除單位部門數(shù)據(jù)割據(jù)，建立公開、透明、共享的數(shù)據(jù)公共平臺(tái)作為長(zhǎng)期的戰(zhàn)略目標(biāo)。

2. 難以保證數(shù)據(jù)安全

類似地基增強(qiáng)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)中心不間斷全天候采集基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)，并按照用戶要求進(jìn)行高精度導(dǎo)航定位，可以實(shí)現(xiàn)米級(jí)甚至分米級(jí)精度的定位，可廣泛采集各行業(yè)導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)。但這些數(shù)據(jù)都面臨著安全問(wèn)題。①在數(shù)據(jù)高度分布、去中心化的場(chǎng)景中（如物聯(lián)網(wǎng)），數(shù)據(jù)的交換是匿名的、無(wú)需信任的、無(wú)單點(diǎn)控制、在網(wǎng)絡(luò)中隨時(shí)發(fā)生，數(shù)據(jù)交易通過(guò)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)。②在很多北斗導(dǎo)航應(yīng)用中，數(shù)據(jù)不能無(wú)條件向公眾開放，而只能做點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的共享，或者基于某種特殊約束的多邊條件。比如高精度點(diǎn)信息（點(diǎn)之計(jì)等）安全。

保護(hù)國(guó)家層面的數(shù)據(jù)安全，恰恰是以數(shù)據(jù)開放為基礎(chǔ)的。開放是一種態(tài)度，更是一項(xiàng)能力。導(dǎo)航大數(shù)據(jù)時(shí)代，高精度位置信息數(shù)據(jù)所有制已經(jīng)不再是主流，要保證高精度信息數(shù)據(jù)可以使用，但不可以看見(jiàn)，“可用不可見(jiàn)，相交不相識(shí)”，保證數(shù)據(jù)絕對(duì)安全。

3. 導(dǎo)航大數(shù)據(jù)支撐系統(tǒng)尚未建立

大數(shù)據(jù)建設(shè)不僅僅需要解決信息數(shù)字化，還要解決數(shù)據(jù)信息的處理和預(yù)測(cè)。這需要建設(shè)落地的大數(shù)據(jù)支撐系統(tǒng)。導(dǎo)航大數(shù)據(jù)支撐系統(tǒng)應(yīng)主要包含導(dǎo)航傳感器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)管理和分析系統(tǒng)、共享服務(wù)平臺(tái)、安全保密系統(tǒng)等。目前，已建立了一些初級(jí)北斗導(dǎo)航大數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)，都是基于衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)，綜合利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、大數(shù)據(jù)、通信、電子等技術(shù)，提供毫米級(jí)到米級(jí)的精度分級(jí)導(dǎo)航定位、動(dòng)態(tài)框架基準(zhǔn)、態(tài)勢(shì)分析等高精度空間位置信息服務(wù)的系統(tǒng)。

這些服務(wù)已形成產(chǎn)業(yè)，尤其是基于地基增強(qiáng)系統(tǒng)大數(shù)據(jù)位置服務(wù)的產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)墙鼛啄臧l(fā)展起來(lái)的一種信息服務(wù)的新興產(chǎn)業(yè)。

由于Fenton法降解反應(yīng)需要控制pH值，且過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生含鐵污泥，后續(xù)處理存在較大難度，目前主要被應(yīng)用于廢水處理中。如今自然水體中的有機(jī)物污染日益嚴(yán)重，而且近年來(lái)，隨著技術(shù)不斷發(fā)展，出現(xiàn)了催化型Fenton技術(shù)，從根本上解決了傳統(tǒng)Fenton的弊端：拓寬了體系pH值的適用范圍（在5~9之間）；該技術(shù)能固化催化劑，減少催化劑溶出，更便于分離回收，不會(huì)產(chǎn)生明顯的污泥（牛建瑞等，2016）。而Fenton法對(duì)有機(jī)物的去除效果突出，將是未來(lái)水處理的研究主題之一。

目前，可采用超站儀、衛(wèi)星導(dǎo)航接收設(shè)備、慣導(dǎo)設(shè)備等設(shè)備對(duì)影像、位置、地理信息、人員信息等進(jìn)行數(shù)據(jù)化；通過(guò)基于位置信息的其他服務(wù)信息，例如位置、影像等分析人員流動(dòng)狀態(tài)；導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)處理達(dá)到米級(jí)、分米級(jí)乃至毫米級(jí)精度。但僅僅能夠分析諸如位置、姿態(tài)、距離、時(shí)間等信息,對(duì)于態(tài)勢(shì)分析、現(xiàn)實(shí)效益分析、未來(lái)預(yù)測(cè)等決策者關(guān)注的問(wèn)題，目前導(dǎo)航大數(shù)據(jù)系統(tǒng)還做不到。

二、基于北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)的導(dǎo)航大數(shù)據(jù)情況

隨著北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)的建設(shè)和發(fā)展，導(dǎo)航大數(shù)據(jù)主要來(lái)源為地基增強(qiáng)系統(tǒng)及導(dǎo)航定位應(yīng)用服務(wù)平臺(tái)，還有就是日常生活存儲(chǔ)的導(dǎo)航數(shù)據(jù)。例如60多個(gè)CORS站的北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)量就達(dá)10個(gè)G左右。

我國(guó)自20世紀(jì)90年代起，各地測(cè)繪、國(guó)土等部門先后建設(shè)基于GPS的CORS系統(tǒng)，僅統(tǒng)計(jì)的站點(diǎn)就達(dá)到5000多個(gè)（不包括其他小型的系統(tǒng)）。隨著北斗系統(tǒng)于2012年年底提供區(qū)域服務(wù)，包括上海、重慶、河南、河北、山西等在內(nèi)多地建成北斗增強(qiáng)系統(tǒng)。通過(guò)軍民融合，整合利用江蘇、浙江、福建、江西等15省現(xiàn)有的站網(wǎng)數(shù)據(jù)資源，建成空間布局合理、基于北斗的精密導(dǎo)航服務(wù)系統(tǒng)。

這些數(shù)據(jù)特點(diǎn)主要為：應(yīng)用對(duì)象的轉(zhuǎn)變，從“內(nèi)部”到“開放”，從“專業(yè)”到“公眾”；導(dǎo)航數(shù)據(jù)將從公益性、專業(yè)性測(cè)繪導(dǎo)航保障向整個(gè)社會(huì)產(chǎn)業(yè)體系的產(chǎn)業(yè)方向擴(kuò)展；面向軍隊(duì)、政府部門、專業(yè)領(lǐng)域的大數(shù)據(jù)擴(kuò)大到面向社會(huì)公眾服務(wù)。

北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)合交通信息數(shù)據(jù)、氣象信息數(shù)據(jù)、地圖信息將極大改變?nèi)祟惿罘绞剑纬深愃朴诶先岁P(guān)愛(ài)系統(tǒng)、智慧校園系統(tǒng)、車輛的精準(zhǔn)監(jiān)控、精細(xì)農(nóng)業(yè)等，成為智慧城市支撐基礎(chǔ)。

三、基于北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)的導(dǎo)航大數(shù)據(jù)主要發(fā)展方向

當(dāng)前智慧大數(shù)據(jù)應(yīng)用路徑為從數(shù)字城市到智慧城市，中間經(jīng)過(guò)智能城市變化，將各種信息數(shù)字化后，形成智能管理，再經(jīng)過(guò)云計(jì)算及“互聯(lián)網(wǎng)+”及傳感形成大數(shù)據(jù)智慧分析。北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)及其應(yīng)用正是對(duì)大數(shù)據(jù)的典型應(yīng)用。

技術(shù)方面，基于北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)及應(yīng)用，在北斗導(dǎo)航大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、計(jì)算以及相關(guān)服務(wù)體系方面，逐步實(shí)現(xiàn)大流量定位請(qǐng)求的自動(dòng)負(fù)載均衡、定位信息的快速與長(zhǎng)期存儲(chǔ)、北斗定位終端注冊(cè)管理等北斗定位基礎(chǔ)服務(wù)接口和平臺(tái)，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)北斗應(yīng)用開發(fā)與運(yùn)行開放平臺(tái)、北斗應(yīng)用權(quán)限與數(shù)據(jù)管理體系、北斗業(yè)務(wù)深入分析（統(tǒng)計(jì)報(bào)表、分析報(bào)表）系統(tǒng)。但還是有如下工作需要研究：

1. 地基增強(qiáng)服務(wù)模式研究

地基增強(qiáng)服務(wù)模式、數(shù)據(jù)產(chǎn)生與處理模式的不同，帶來(lái)大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與應(yīng)用不同。目前，主要有兩種模式：區(qū)域改正數(shù)技術(shù)（FKP）和虛擬參考站技術(shù)（VRS）。其中，F(xiàn)KP模式可以支持無(wú)限數(shù)量用戶，但成本較高，無(wú)法進(jìn)行大面積推廣；VRS模式對(duì)設(shè)備要求較低，但為每一個(gè)用戶都獨(dú)立生成虛擬參考站數(shù)據(jù)，因此它的用戶數(shù)量受限于服務(wù)器的計(jì)算能力，無(wú)法做到大面積推廣。為此將整個(gè)服務(wù)區(qū)域格網(wǎng)編碼，進(jìn)行格網(wǎng)地基增強(qiáng)計(jì)算、格網(wǎng)廣播或格網(wǎng)輔助精密單點(diǎn)定位（PPP）計(jì)算，可以從根本上提升用戶數(shù)量，提高數(shù)據(jù)云端計(jì)算效率。

2. 自動(dòng)組網(wǎng)建設(shè)

結(jié)合當(dāng)前精確導(dǎo)航多種實(shí)時(shí)應(yīng)用模式，例如地基增強(qiáng)模式、廣播式模式、地基增強(qiáng)輔助PPP模式，建立多種并行數(shù)據(jù)計(jì)算及應(yīng)急組網(wǎng)模式，利用系留平臺(tái)或者無(wú)人機(jī)完成不同應(yīng)急組網(wǎng)任務(wù)，接收應(yīng)急狀態(tài)下的數(shù)據(jù)。這種數(shù)據(jù)是未來(lái)應(yīng)對(duì)突發(fā)狀況，快速救援救災(zāi)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，可為決策提供支持。

3. 導(dǎo)航大數(shù)據(jù)平臺(tái)搭建

解決計(jì)算和服務(wù)虛擬化、大規(guī)模數(shù)據(jù)并行處理、海量數(shù)據(jù)分布式存儲(chǔ)、彈性伸縮和動(dòng)態(tài)調(diào)配。其中通過(guò)資源虛擬化統(tǒng)一管理底層存儲(chǔ)和計(jì)算資源，并對(duì)上層提供透明存儲(chǔ)和計(jì)算服務(wù)；利用大數(shù)據(jù)環(huán)境實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬化資源的統(tǒng)一管理，并構(gòu)建業(yè)務(wù)所需要的存儲(chǔ)體系和計(jì)算平臺(tái)。

根據(jù)需求的變化，對(duì)計(jì)算資源自動(dòng)地進(jìn)行分配和管理，實(shí)現(xiàn)高度“彈性”的縮放和優(yōu)化使用。規(guī)模動(dòng)態(tài)伸縮，以滿足服務(wù)和用戶規(guī)模變化的需求。

通過(guò)處理技術(shù)，北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)大規(guī)模定位請(qǐng)求的高效處理。北斗系統(tǒng)信息支持服務(wù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)按授權(quán)和規(guī)則對(duì)應(yīng)用提供全面信息支持服務(wù)，比如運(yùn)行情況統(tǒng)計(jì)等。

4. 北斗綜合服務(wù)云數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與挖掘技術(shù)

研究圖像、視頻、文字等異構(gòu)大數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)技術(shù)；針對(duì)位置數(shù)據(jù)混雜性、復(fù)雜性和稀疏性等特點(diǎn)，對(duì)位置大數(shù)據(jù)的預(yù)處理方法、局部位置數(shù)據(jù)的特征提取、位置數(shù)據(jù)的特征關(guān)聯(lián)和協(xié)同挖掘方法進(jìn)行研究，以提供面向不同需求的位置大數(shù)據(jù)的綜合分析服務(wù)；研制建立全息位置地圖綜合服務(wù)平臺(tái)，綜合建立影像地圖、矢量地圖、室內(nèi)導(dǎo)航數(shù)據(jù)、三維空間數(shù)據(jù)之間關(guān)聯(lián)分析，使位置數(shù)據(jù)能夠用來(lái)感知人類社群活動(dòng)規(guī)律，為面向不同應(yīng)用的北斗位置服務(wù)平臺(tái)提供技術(shù)基礎(chǔ)。

5. 云平臺(tái)安全技術(shù)

數(shù)據(jù)安全首先是訪問(wèn)權(quán)限控制,其次是動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的安全，主要是加密和動(dòng)態(tài)審計(jì)能力。數(shù)據(jù)不能無(wú)條件向公眾開放，而只能做點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的共享，或者基于某種特殊約束的多邊交換。參考站、數(shù)據(jù)中心、用戶經(jīng)特定的密鑰管理機(jī)制獲得密鑰，數(shù)據(jù)加密后送入可信執(zhí)行環(huán)境，交由經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的數(shù)據(jù)處理邏輯處理,支持更大的數(shù)據(jù)規(guī)模。需要進(jìn)行云端數(shù)據(jù)加密技術(shù)研究，將傳統(tǒng)加密技術(shù)與云平臺(tái)安全機(jī)制集成；研究數(shù)據(jù)訪問(wèn)控制技術(shù)，利用屬性基加密技術(shù)，形成新的安全控制機(jī)制，保證數(shù)據(jù)的高效共享。

四、結(jié)束語(yǔ)

以數(shù)字化裝備為主，將北斗導(dǎo)航、遙感、地理信息系統(tǒng)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)、智能手機(jī)有機(jī)結(jié)合，進(jìn)入全民參與導(dǎo)航的時(shí)代，實(shí)現(xiàn)空、天、陸、海一體化導(dǎo)航，是北斗導(dǎo)航大數(shù)據(jù)的主要來(lái)源。以位置信息服務(wù)為主，充分利用物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)等現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、計(jì)算技術(shù)，借助聲音、圖片、視頻、文字、圖表等形式為用戶提供體驗(yàn)式服務(wù)，是導(dǎo)航大數(shù)據(jù)建設(shè)的主要任務(wù)?；诳梢暬治?、統(tǒng)計(jì)分析、數(shù)據(jù)挖掘算法、預(yù)測(cè)性分析、自然語(yǔ)言處理等人工智能處理技術(shù)是導(dǎo)航大數(shù)據(jù)建設(shè)的關(guān)鍵。

[1] 維克托·邁爾-舍恩伯格，肯尼斯·庫(kù)克耶．《大數(shù)據(jù)時(shí)代-生活、工作與思維的大變革》[M].盛楊燕，周濤譯．杭州：浙江人民出版社，2013年.

[2] James Manyika、Michael Chui等，《Big data: The next frontier for innovation, competition, and productivity》．2011年5月.

[3] 安暉，陳陽(yáng)，張鼎．《大數(shù)據(jù):下一個(gè)創(chuàng)新、競(jìng)爭(zhēng)和生產(chǎn)力的前沿》．賽迪譯叢． 2012年6月18日第25期.

[4] 李德仁院士：智慧地球時(shí)代測(cè)繪地理信息學(xué)的新使命，http://news.ccidnet.com/art/1032/20130925/5195129_1.html.

[5] IBM與牛津大學(xué)賽德商學(xué)院共同制定 《分析：大數(shù)據(jù)在現(xiàn)實(shí)世界中的應(yīng)用》白皮書 ，2013年3月.

[6] CCF大數(shù)據(jù)專家委員會(huì)，中關(guān)村大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)共同編制《聯(lián)盟中國(guó)大數(shù)據(jù)技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展白皮書》，2014年.