北斗系統(tǒng)應用趨勢分析

文｜張奮 賈小林 姬劍鋒 王龍

1．西安測繪研究所

2．地理信息工程國家重點實驗室

一、前言

2020年6月23日，北斗三號最后一顆組網(wǎng)衛(wèi)星成功發(fā)射。2020年7月31日，北斗三號建成暨開通儀式舉行，北斗三號全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)正式開通，標志著我國北斗系統(tǒng)迎來全球服務時代，提供全天候、全天時、高精度的定位、導航和授時服務。實際上，從2012年起，北斗系統(tǒng)便開始正式提供亞太區(qū)域服務。2020年，我國以北斗應用發(fā)展為核心的衛(wèi)星導航與位置服務產(chǎn)業(yè)總體產(chǎn)值已達到4033億元，與2019年相比增長約16.9%，預計到2025年，北斗產(chǎn)業(yè)總值將達到1萬億元。據(jù)統(tǒng)計，2021年第一季度，在中國入網(wǎng)的智能手機，有79%以上提供北斗定位服務；共享單車配裝北斗終端實現(xiàn)精細管理；牧民在家就能通過北斗項圈放牧牛羊；支持北斗系統(tǒng)的手表、手環(huán)、學生卡，讓人們?nèi)粘Ｉ罡颖憷?；在新冠疫情阻擊?zhàn)中，北斗的貢獻有目共睹；全國各地數(shù)十萬臺北斗終端進入物流行業(yè)。

北斗系統(tǒng)廣泛應用于智能交通、應急救援、精準農(nóng)業(yè)、農(nóng)林水利、海洋開發(fā)、智慧物流、測繪勘探、電力系統(tǒng)等多個行業(yè)，并且逐漸向智能手機、智能穿戴設備等智能化、小型化領域發(fā)展。本文在闡述北斗系統(tǒng)行業(yè)應用現(xiàn)狀及存在問題基礎上，分析其應用趨勢并對未來發(fā)展提出建議，為進一步推動北斗系統(tǒng)多領域應用、帶動“北斗+”和“+北斗”融合創(chuàng)新應用發(fā)展提供參考，促進北斗衛(wèi)星導航產(chǎn)業(yè)持續(xù)穩(wěn)定增長，加快北斗服務世界的進程。

二、北斗系統(tǒng)發(fā)展歷程及服務類型

1.北斗系統(tǒng)發(fā)展進程

北斗系統(tǒng)是我國重要基礎設施之一，按照“三步走”戰(zhàn)略建設發(fā)展。北斗一號系統(tǒng)1994年啟動建設。2000年，發(fā)射2顆地球靜止軌道衛(wèi)星（GEO）并投入使用，為國內(nèi)用戶提供定位、授時、廣域差分和短報文通信服務。北斗二號系統(tǒng)2004年啟動建設，2012年完成14顆衛(wèi)星組網(wǎng)并投入使用，為亞太地區(qū)用戶提供定位、導航、授時和短報文通信服務。北斗三號系統(tǒng)2009年啟動建設，在北斗二號系統(tǒng)基礎上，進一步提升性能、擴展功能，2020年6月完成30顆衛(wèi)星組網(wǎng)，為全球用戶提供導航定位和通信數(shù)傳于一體的高品質(zhì)服務。目前，北斗系統(tǒng)服務由北斗二號系統(tǒng)和北斗三號系統(tǒng)共同提供，2020年后將平穩(wěn)過渡為北斗三號系統(tǒng)為主提供。

2.北斗系統(tǒng)服務類型

北斗系統(tǒng)采用了三種軌道的混合星座設計，采用獨立的雙向時間同步觀測體制，支持星間鏈路觀測，具備導航定位和通信數(shù)傳兩大功能，提供七種北斗系統(tǒng)應用服務，具體包括：面向全球范圍，提供定位導航授時、全球短報文通信和國際搜救三種服務；在中國及周邊地區(qū)，提供星基增強、地基增強、精密單點定位和區(qū)域短報文通信四種服務。其中短報文通信服務進行了升級拓展，區(qū)域通信能力達到每次14000比特（約1000漢字），支持文字、語音和圖片等數(shù)據(jù)類型，全球通信能力支持每次560比特（約40個漢字）；星基增強服務具備一類垂直引導進近（APV-I）能力，填補我國星基增強服務空白；國際搜救服務檢測概率優(yōu)于99%，具備返向鏈路確認特色能力，顯著增強遇險人員求生信心；地基增強、精密單點定位可提供最高厘米級定位服務。

三、北斗系統(tǒng)行業(yè)應用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢分析

1.北斗系統(tǒng)行業(yè)應用分析

在北斗系統(tǒng)支撐下，我國北斗產(chǎn)業(yè)鏈已形成了完整的內(nèi)循環(huán)（圖1）：上游基礎部件是產(chǎn)業(yè)自主可控的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，主要由基帶芯片、射頻芯片、板卡、天線等構(gòu)成；中游主要包括終端集成和系統(tǒng)集成，是產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重點；下游的解決方案和運維服務提供眾多行業(yè)應用。北斗工程首任總設計師孫家棟院士曾說過“北斗的應用只受人類想象力的限制”。北斗系統(tǒng)已在交通運輸、農(nóng)業(yè)漁業(yè)、水文監(jiān)測、氣象預報、救災減災、公共安全等行業(yè)領域得到廣泛應用，本文將重點針對交通、海洋、航空、防災救災、大眾應用等幾個行業(yè)領域的北斗應用展開討論和分析研究。

圖1 北斗系統(tǒng)行業(yè)應用總體架構(gòu)

（1）“北斗+交通”

交通運輸行業(yè)是北斗系統(tǒng)最大的應用行業(yè)之一。據(jù)統(tǒng)計，每年中國道路運輸客運量達百億人次，公路貨物周轉(zhuǎn)量達萬億噸。北斗系統(tǒng)廣泛應用于重點運輸過程監(jiān)控、公路基礎設施安全監(jiān)控等領域。2011年，第一個交通領域民用應用示范工程“重點運輸過程監(jiān)控管理服務示范系統(tǒng)工程”率先推動北斗系統(tǒng)應用于我國道路運輸安全管理，降低了道路運輸事故發(fā)生風險。截至目前，我國有超過700萬輛道路營運車輛、3.63萬輛郵政和快遞車輛、約1400艘公務船舶、約350架通用飛行器應用北斗系統(tǒng)，建成全球最大的營運車輛動態(tài)監(jiān)管系統(tǒng)，提升了我國綜合交通管理效率和運輸安全水平。

（2）“北斗+海洋”

海洋和河道是當今世界上應用最廣泛的運輸方式，效率、安全和最優(yōu)化是海洋與河道運輸?shù)闹攸c。北斗系統(tǒng)在海洋應用主要包括漁業(yè)管理、航海救援、港口運作、船舶監(jiān)管、海洋漁業(yè)、海洋風暴預警、海洋測繪與環(huán)境監(jiān)測等。北斗技術(shù)的應用有效解決了最小航行交通沖突，保障了航行安全，提高了海洋應用效能。海洋漁業(yè)現(xiàn)已成為北斗海洋民用市場規(guī)模較大的行業(yè)，北斗海洋應用中融合北斗短報文、手機短信、互聯(lián)網(wǎng)等多種通信信息技術(shù)手段，實現(xiàn)北斗短報文與手機短信的互聯(lián)互通，具有遇險報警、搜救協(xié)調(diào)通信、現(xiàn)場尋位、海上安全信息播放、常規(guī)公眾業(yè)務通信等功能。目前全國7萬艘漁船和執(zhí)法船安裝了北斗終端，累計救助1萬余人。

（3）“北斗+航空”

全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)（GNSS）是現(xiàn)代空中航行系統(tǒng)的重要基礎，是提升全球空中航行安全水平和服務質(zhì)量的重要手段。北斗系統(tǒng)提供全球服務是民航行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的有力保證和重要技術(shù)支撐，能夠提供精確完好、安全可靠的導航定位授時服務，為空中交通服務提供全空域監(jiān)視服務，能夠全面提升民航安全水平，空域容量、運營效率和服務能力，為新時代民航強國發(fā)展提供強大技術(shù)支撐。北斗在航空領域中的應用包括飛機導航、航路劃定、導彈制導、飛行監(jiān)控和控制等。2019年12月，民航局正式發(fā)布《中國民航北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)應用實施路線圖》，提出要大力推進系統(tǒng)應用，積極構(gòu)建以北斗為核心、兼容多個星座的GNSS技術(shù)應用體系，逐步實現(xiàn)北斗系統(tǒng)、民航行業(yè)應用全覆蓋可替代，為運輸、通用航空及無人駕駛航空器飛行，提供精確完好、安全可靠的導航服務。

（4）“北斗+防災救災”

在地震監(jiān)測、森林防火、山體滑坡監(jiān)測、泥石流監(jiān)測、橋梁變形監(jiān)測等應用中，北斗系統(tǒng)能夠提供實時位置監(jiān)測、實時救災指揮調(diào)度、救災物資管理與調(diào)運、應急通信、災情信息快速上報與共享等服務，顯著提高災害預警、災害應急救援等防災減災的快速反應能力和決策能力。2008年汶川地震中，第一條匯報來自于北斗短報文；2010年玉樹地震，北斗系統(tǒng)在搜救中也發(fā)揮了重要作用；2020年新冠疫情防控中北斗系統(tǒng)大顯身手，基于北斗系統(tǒng)的高精度定位設備在武漢火神山、雷神山醫(yī)院建設中完成精準放線測量，北斗系統(tǒng)還為防疫物資、醫(yī)護人員等抗疫一線提供精準時空體系精準服務。目前，我國已建成北斗綜合減災救災應用系統(tǒng)，實現(xiàn)全國應急救援“一張圖”有效動態(tài)遠程監(jiān)控，按“部、省、市（縣）”三級平臺部署，已在全國10多個省開展規(guī)?；ㄔO應用，推廣北斗終端超過4.5萬臺。

（5）“北斗+大眾應用”

北斗系統(tǒng)大眾服務發(fā)展前景廣闊?；诒倍返膶Ш椒找驯浑娮由虅铡⒁苿又悄芙K端制造、位置服務等廠商采用，廣泛進入中國大眾消費、共享經(jīng)濟和民生領域，隨著5G商用時代的到來，北斗正在與新一代移動通信、區(qū)塊鏈、人工智能等新技術(shù)加速融合，北斗應用的新模式、新業(yè)態(tài)、新經(jīng)濟不斷涌現(xiàn)，深刻改變著人們的生產(chǎn)生活方式。2018年1月，工業(yè)和信息化部電子信息司組織完成北斗在智能手機中的應用推廣。國內(nèi)外主流芯片廠商均推出兼容北斗的通導一體化芯片。 隨著5G時代的到來，在人工智能的催生下，很多智能手機具有地圖導航、智能停車等智能出行精準導航服務，為用戶提供了更安全、更高效、更省心的出行指導。在電子商務領域，國內(nèi)多家電子商務企業(yè)的物流貨車及配送員，應用北斗車載終端和手環(huán)，實現(xiàn)了車、人、貨信息的實時調(diào)度。智能穿戴領域，多款支持北斗系統(tǒng)的手表、手環(huán)等智能穿戴設備，以及學生卡、老人卡等特殊人群關(guān)愛產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)，得到廣泛應用。

第一，為提高員工工作績效，應注重對員工謙虛沉穩(wěn)態(tài)度的培養(yǎng)；第二，從企業(yè)長期發(fā)展、不斷創(chuàng)造最大化經(jīng)濟效益的角度出發(fā)，注重對員工感恩奉獻精神的培養(yǎng)；第三，為激發(fā)員工積極進取、提升自身綜合能力，應培養(yǎng)員工尊敬禮讓的良好品質(zhì)；第四，通過提升員工包容寬恕的態(tài)度，為促進員工工作績效的提升奠定良好基礎。

2.存在問題分析

盡管衛(wèi)星導航系統(tǒng)行業(yè)應用甚廣，但是衛(wèi)星導航系統(tǒng)天然存在的諸多缺陷也頻繁暴露出來。首先，北斗系統(tǒng)與其他衛(wèi)星導航系統(tǒng)一樣具有天然的脆弱性，易被干擾和欺騙。以美國GPS為參考，GPS欺騙、干擾或服務中斷事件已經(jīng)從早期的國家黑客或電子戰(zhàn)部隊蔓延至船運、航空等民用領域。據(jù)美國海岸警衛(wèi)隊全球GPS事件狀態(tài)報告，2019年GPS攻擊事件嚴重威脅人員生命財產(chǎn)和交通運輸安全。北斗系統(tǒng)應用存在潛在威脅。其次，衛(wèi)星定位可靠性和精度問題。目前，尚無任何技術(shù)可以宣稱絕對安全可靠，北斗系統(tǒng)亦是如此。在定位精度方面，衛(wèi)星定位技術(shù)受到信號功率、帶寬和傳播時延的限制，精度很難進一步提高。此外，電磁信號易受到大氣電離層和對流層干擾，精度很難保證，在城市、山區(qū)等復雜環(huán)境下，由于建筑物、樹木、地形的遮蔽作用，信號存在非直線傳播，導致不同環(huán)境下的定位效果存在較大差異，無法保證導航定位授時服務的連續(xù)性和可靠性。再者，受限于信號的傳播條件，在地下、水下、隧道、室內(nèi)等環(huán)境中，衛(wèi)星定位信號無法穿透地面、水、建筑物等實體，無法進行定位。這些問題的現(xiàn)實存在，導致北斗系統(tǒng)在實時高精度定位、地下水下導航等領域和區(qū)域應用存在一定的限制和約束。

3.北斗系統(tǒng)應用趨勢

國家綜合PNT（導航、定位、授時）體系的提出和建立將有效破解北斗系統(tǒng)擴大應用所面臨的問題和困境。隨著5G基站建設、大數(shù)據(jù)中心、人工智能、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等方面國家政策的陸續(xù)出臺，國家將進一步加大力度對相關(guān)產(chǎn)業(yè)建設和發(fā)展的政策支持，北斗系統(tǒng)將與新一代5G通信、物聯(lián)網(wǎng)人工智能、大數(shù)據(jù)等新技術(shù)深度融合，不斷催生智能交通、精細農(nóng)業(yè)、精準物流、自動駕駛等北斗行業(yè)應用的新模式、新業(yè)態(tài)，讓北斗服務無處不在、無時不有。未來北斗系統(tǒng)應用形態(tài)和發(fā)展方向?qū)Ⅲw現(xiàn)在以下幾個方面。

（1）融合化

進一步推動創(chuàng)新高效的融合機制建立，實現(xiàn)北斗、GPS、格洛納斯、伽利略等GNSS多系統(tǒng)融合，北斗定位、視覺導航、慣性導航等多技術(shù)融合，在融技術(shù)、融數(shù)據(jù)、融網(wǎng)絡、融平臺的聯(lián)動互通催生下，真正實現(xiàn)以北斗為核心的時空信息服務高效互聯(lián)互通共享，并具備抗干擾、防欺騙、連續(xù)、穩(wěn)定和高可靠性，促使北斗系統(tǒng)在智慧城市、智慧交通、精準物流等多個行業(yè)跨界融合應用。

（2）泛在化

北斗與5G通信、位置服務、GIS（地理信息系統(tǒng)）相結(jié)合，突破5G融合北斗與位置服務的室內(nèi)外無縫定位技術(shù)，持續(xù)提升室外到室內(nèi)、地面到地下、海底到深空的無縫連接時空信息服務。在大眾應用領域，突破實時動態(tài)高精度導航地圖，構(gòu)建多樣化出行服務體系，打通時空信息“最后一公里”服務，以重點行業(yè)應用為牽引，通過創(chuàng)新社會治理模式、深化大眾生活位置服務應用等，推動大眾消費的規(guī)模化應用，形成從智能終端到平臺再到行業(yè)應用完整鏈路的泛在、智能、連續(xù)可靠的北斗時空信息服務。

（3）小型化

（4）網(wǎng)絡化

北斗與物聯(lián)網(wǎng)、5G通信的結(jié)合，將大力促進北斗智能終端、北斗應用系統(tǒng)互聯(lián)互通互操作的實現(xiàn)。突破結(jié)合窄帶物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的系列低功耗北斗技術(shù)，以及利用北斗B2a信號寬帶特性進行多路徑檢測和消除技術(shù)，大幅提升復雜場景的定位精度，形成“北斗+物聯(lián)網(wǎng)+5G”的通導一體化解決方案，實現(xiàn)在智慧城市、智能物流、安防監(jiān)控、智慧農(nóng)業(yè)、資產(chǎn)監(jiān)管、環(huán)境監(jiān)測等領域的規(guī)模應用，真正實現(xiàn)北斗應用萬物互聯(lián)。

（5）智能化

北斗與人工智能、5G、云計算、大數(shù)據(jù)結(jié)合，突破北斗芯片與陀螺儀、里程計等多傳感器融合定位技術(shù)，全面提升PNT服務的定位精度、可用性和抗多路徑能力，突破適用無人系統(tǒng)的高性能、高精度、小型化并符合汽車電子系統(tǒng)通用標準的多模多頻北斗/GNSS芯片，實現(xiàn)以北斗為核心的時空信息智能感知、智能處理和智能服務，形成北斗高精度技術(shù)在智能網(wǎng)聯(lián)汽車、無人機、小型機器人、智能穿戴設備等領域深度應用，大幅提升北斗智能化應用水平。

四、結(jié)束語

北斗系統(tǒng)是國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，是我國重要信息基礎設施之一，也是我國信息化建設的重要保證，為促進和推動經(jīng)濟社會發(fā)展提供了強大動力。北斗系統(tǒng)的全面建成進一步確立和鞏固了我國在衛(wèi)星導航領域的國際地位，促進了全球?qū)Ш较到y(tǒng)的競爭與合作，推動了系統(tǒng)共同發(fā)展，對提升我國航天能力，推動航天強國建設意義重大。為了更好地應用北斗，我國應進一步加大北斗應用政策支持力度，促進北斗在行業(yè)領域應用的法規(guī)標準建立，在深度融合的框架下，不斷擴大北斗融合應用廣度和深度，同時加大全源導航、通導一體等核心技術(shù)研發(fā)，不斷促進北斗行業(yè)應用和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，推動“北斗+” 和“+北斗”融合創(chuàng)新應用發(fā)展。同時可考慮實行更多積極開放的多邊合作和國際合作，開辟更廣闊的北斗應用空間。