北斗系統(tǒng)在交通運(yùn)輸新基建的應(yīng)用與展望

文|蔣玉龍 劉斯影

中國(guó)交通通信信息中心

一、前言

交通運(yùn)輸行業(yè)是關(guān)乎國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展和民生需要的基礎(chǔ)性、服務(wù)性行業(yè)。自改革開放以來，在黨中央的堅(jiān)強(qiáng)領(lǐng)導(dǎo)下，我國(guó)交通運(yùn)輸發(fā)展實(shí)現(xiàn)了從瓶頸制約到基本適應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的歷史性跨越，交通運(yùn)輸行業(yè)信息化水平與服務(wù)水平顯著提高、交通基礎(chǔ)設(shè)施加速成網(wǎng)，基本形成以“十縱十橫”綜合運(yùn)輸大通道為主骨架的綜合立體交通網(wǎng)絡(luò)，為國(guó)民經(jīng)濟(jì)持續(xù)健康發(fā)展提供了強(qiáng)有力支撐。

雖然我國(guó)交通運(yùn)輸行業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施愈加完善，但對(duì)比世界發(fā)達(dá)的交通強(qiáng)國(guó)，依然存在基礎(chǔ)設(shè)施布局不合理、綜合交通體系不完善等問題。為進(jìn)一步發(fā)揮基礎(chǔ)設(shè)施在行業(yè)的服務(wù)能力，提升行業(yè)信息化服務(wù)水平，交通運(yùn)輸部于2020 年印發(fā)《關(guān)于推動(dòng)交通運(yùn)輸領(lǐng)域新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的指導(dǎo)意見》（簡(jiǎn)稱《指導(dǎo)意見》），以促進(jìn)交通運(yùn)輸提效能、擴(kuò)功能、增動(dòng)能為導(dǎo)向，推動(dòng)交通基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字轉(zhuǎn)型、智能升級(jí)，建設(shè)便捷順暢、經(jīng)濟(jì)高效、綠色集約、智能先進(jìn)、安全可靠的交通運(yùn)輸領(lǐng)域新型基礎(chǔ)設(shè)施。

交通運(yùn)輸行業(yè)新型基礎(chǔ)設(shè)施就是指以技術(shù)創(chuàng)新為驅(qū)動(dòng)，以數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化為主線行業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施，其概念較為寬泛，有別于傳統(tǒng)的公路、航道、橋梁等傳統(tǒng)交通行業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施，但交通運(yùn)輸行業(yè)新型基礎(chǔ)設(shè)施與傳統(tǒng)交通行業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施一樣，對(duì)于行業(yè)能夠起到基礎(chǔ)的促進(jìn)作用。如傳統(tǒng)的高速公路、橋梁是為了保障道路運(yùn)輸快速通行的物理基礎(chǔ)，而利用如專用短程通信技術(shù)（DSRC）、視頻識(shí)別、大數(shù)據(jù)分析等現(xiàn)代信息技術(shù)手段建設(shè)的高速公路不停車收費(fèi)系統(tǒng)（ETC）、構(gòu)建的車路協(xié)同的管理體系均屬于行業(yè)新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的范圍。從廣義而言，利用現(xiàn)代綜合技術(shù)以提升交通運(yùn)輸行業(yè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)服務(wù)能力、感知能力、監(jiān)測(cè)能力等的技術(shù)手段都可以視為交通運(yùn)輸行業(yè)新型的基礎(chǔ)設(shè)施。

《指導(dǎo)意見》提出的交通運(yùn)輸行業(yè)新型基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展目標(biāo)為：“到2035 年，交通運(yùn)輸領(lǐng)域新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)取得顯著成效。先進(jìn)信息技術(shù)深度賦能交通基礎(chǔ)設(shè)施，精準(zhǔn)感知、精確分析、精細(xì)管理和精心服務(wù)能力全面提升，成為加快建設(shè)交通強(qiáng)國(guó)的有力支撐。基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)運(yùn)營(yíng)能耗水平有效控制。泛在感知設(shè)施、先進(jìn)傳輸網(wǎng)絡(luò)、北斗時(shí)空信息服務(wù)在交通運(yùn)輸行業(yè)深度覆蓋，行業(yè)數(shù)據(jù)中心和網(wǎng)絡(luò)安全體系基本建立，智能列車、自動(dòng)駕駛汽車、智能船舶等逐步應(yīng)用?？萍紕?chuàng)新支撐能力顯著提升，前瞻性技術(shù)應(yīng)用水平居世界前列。”

北斗系統(tǒng)是我國(guó)重要的空間基礎(chǔ)設(shè)施，通過北斗系統(tǒng)可以全天候、全天時(shí)的位置感知，是未來構(gòu)建綜合交通運(yùn)輸體系的基礎(chǔ)。黨中央、國(guó)務(wù)院印發(fā)的《交通強(qiáng)國(guó)建設(shè)綱要》《國(guó)家綜合立體交通網(wǎng)規(guī)劃綱要》等文件均提出交通運(yùn)輸行業(yè)要大力推動(dòng)北斗系統(tǒng)應(yīng)用。2021 年9 月26 日，國(guó)務(wù)院新聞辦舉行的加快推動(dòng)交通運(yùn)輸領(lǐng)域新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)發(fā)布會(huì)上，交通運(yùn)輸部相關(guān)負(fù)責(zé)人指出：交通運(yùn)輸行業(yè)是北斗系統(tǒng)最大的民用行業(yè)用戶之一。交通運(yùn)輸部先后實(shí)施了多項(xiàng)國(guó)家北斗專項(xiàng)應(yīng)用示范工程，印發(fā)了北斗系統(tǒng)行業(yè)應(yīng)用專項(xiàng)規(guī)劃，在“十四五”數(shù)字交通規(guī)劃和交通新基建行動(dòng)方案中都把北斗系統(tǒng)在交通運(yùn)輸領(lǐng)域的應(yīng)用列為重要任務(wù)。

二、交通運(yùn)輸行業(yè)北斗應(yīng)用現(xiàn)狀

北斗系統(tǒng)是我國(guó)自主建設(shè)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，具備定位導(dǎo)航授時(shí)及全球/區(qū)域短報(bào)文、星基增強(qiáng)、地基增強(qiáng)、精密單點(diǎn)定位、國(guó)際搜救等“1+6”特色服務(wù)。

全國(guó)范圍內(nèi)有超過700 萬輛“兩客一?！避囕v（跨省班線、旅游包車、危險(xiǎn)品貨物運(yùn)輸車）及12噸以上重型貨車、半掛牽引車安裝北斗車載終端，覆蓋率達(dá)100%；郵政和快遞干線車輛近4 萬輛；通用航空器400 余架。交通運(yùn)輸系統(tǒng)1800 余艘公務(wù)船舶安裝北斗船載終端；水上導(dǎo)助航設(shè)施1.3 萬余座應(yīng)用北斗系統(tǒng)；相關(guān)北斗水上應(yīng)急搜救設(shè)備逐步成為船舶標(biāo)準(zhǔn)配置。同時(shí)，在沿海和長(zhǎng)江干線建設(shè)了200 余座北斗地基增強(qiáng)站，可為長(zhǎng)江干線及我國(guó)沿海周邊區(qū)域提供高精度位置服務(wù)。

三、北斗作為行業(yè)新基建所發(fā)揮的重要作用

《指導(dǎo)意見》中，對(duì)北斗系統(tǒng)的應(yīng)用進(jìn)行了單獨(dú)的描述，提到要“提升交通運(yùn)輸行業(yè)北斗系統(tǒng)高精度導(dǎo)航與位置服務(wù)能力，推動(dòng)衛(wèi)星定位增強(qiáng)基準(zhǔn)站資源共建共享，提供高精度、高可靠的服務(wù)。推動(dòng)在特長(zhǎng)隧道及干線航道的信號(hào)盲區(qū)布設(shè)北斗系統(tǒng)信號(hào)增強(qiáng)站，率先在長(zhǎng)江航運(yùn)實(shí)現(xiàn)北斗系統(tǒng)信號(hào)高質(zhì)量全覆蓋。建設(shè)行業(yè)北斗系統(tǒng)高精度地理信息地圖，整合行業(yè)北斗系統(tǒng)時(shí)空數(shù)據(jù)，為綜合交通規(guī)劃、決策、服務(wù)等提供基礎(chǔ)支撐。推進(jìn)北斗系統(tǒng)短報(bào)文特色功能在船舶監(jiān)管、應(yīng)急通信等領(lǐng)域應(yīng)用。探索推動(dòng)北斗系統(tǒng)與車路協(xié)同、ETC 等技術(shù)融合應(yīng)用，研究北斗自由流收費(fèi)技術(shù)。鼓勵(lì)在道路運(yùn)輸及運(yùn)輸服務(wù)新業(yè)態(tài)、航運(yùn)等領(lǐng)域拓展應(yīng)用。推動(dòng)北斗系統(tǒng)在航標(biāo)遙測(cè)遙控終端等領(lǐng)域應(yīng)用。推進(jìn)鐵路行業(yè)北斗系統(tǒng)綜合應(yīng)用示范，搭建鐵路基礎(chǔ)設(shè)施全資產(chǎn)、全數(shù)據(jù)信息化平臺(tái)，建設(shè)鐵路北斗系統(tǒng)地基增強(qiáng)網(wǎng)，推動(dòng)在工程測(cè)量、智慧工地等領(lǐng)域應(yīng)用”。

圍繞《指導(dǎo)意見》的總體建設(shè)任務(wù)，北斗系統(tǒng)的能力可以深入到行業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域，如文中提到的在特長(zhǎng)隧道架設(shè)北斗增強(qiáng)站、建設(shè)行業(yè)高精度地圖以及與ETC、車路協(xié)同等技術(shù)融合很好地助力了建設(shè)“智慧公路”的相關(guān)要求。推進(jìn)干線航道布設(shè)北斗增強(qiáng)站，推動(dòng)航運(yùn)領(lǐng)域、遙測(cè)遙控領(lǐng)域應(yīng)用北斗系統(tǒng)也是助力智慧航道、智慧港口的建設(shè)。包括北斗星基增強(qiáng)服務(wù)是未來民航領(lǐng)域不可或缺的增強(qiáng)技術(shù)，其授時(shí)服務(wù)是未來鐵路、公路等有力的支撐保障。近些年隨著北斗系統(tǒng)服務(wù)能力的不斷提升，其在交通運(yùn)輸行業(yè)各個(gè)領(lǐng)域均取得了非常顯著的應(yīng)用效果，其定位導(dǎo)航能力可以為行業(yè)各領(lǐng)域提供基礎(chǔ)位置信息和導(dǎo)航服務(wù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)行業(yè)內(nèi)車輛、船舶的動(dòng)態(tài)位置監(jiān)管；優(yōu)于20ns 的授時(shí)精度可以為鐵路列控、公路路網(wǎng)指揮調(diào)度等對(duì)時(shí)間同步要求較高的領(lǐng)域提供精準(zhǔn)授時(shí)服務(wù)；星基增強(qiáng)可以為民航領(lǐng)域提供高完好性、高連續(xù)性的高精度服務(wù)；地基增強(qiáng)技術(shù)可以大幅度提升北斗系統(tǒng)原始定位精度，為橋梁、公路邊坡等基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)生的微小形變或位移提供安全預(yù)警服務(wù)，同時(shí)可為自動(dòng)駕駛、車路協(xié)同、自由流收費(fèi)、智慧港航等新興智能交通領(lǐng)域提供高精度位置服務(wù)；區(qū)域/全球短報(bào)文與國(guó)際搜救服務(wù)可進(jìn)一步提升行業(yè)安全預(yù)警管理水平及應(yīng)急通信保障能力，提升遇險(xiǎn)救援效率及生命救助成功率；隧道偽衛(wèi)星等新興導(dǎo)航技術(shù)可以進(jìn)一步提升行業(yè)信息化服務(wù)水平。綜上所述，北斗系統(tǒng)所提供的綜合立體全方位的通信導(dǎo)航服務(wù)對(duì)未來構(gòu)建綜合立體交通運(yùn)輸體系，建設(shè)“安全、便捷、高效、綠色、經(jīng)濟(jì)”的交通強(qiáng)國(guó)將起到至關(guān)重要的作用，是未來交通運(yùn)輸行業(yè)的重要技術(shù)基礎(chǔ)。

1.北斗高精度定位在交通基礎(chǔ)設(shè)施形變監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

結(jié)合地基增強(qiáng)系統(tǒng)，北斗系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)后處理毫米級(jí)定位水平，對(duì)于交通運(yùn)輸行業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施微小形變或公路邊坡滑坡監(jiān)測(cè)等情況提供持續(xù)性的安全監(jiān)測(cè)服務(wù)，有效提升行業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施安全保障能力。

基于北斗等傳感器技術(shù)實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)設(shè)施形變或邊坡表面位移的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，獲取各類數(shù)據(jù)信息；通過網(wǎng)絡(luò)通信將各類數(shù)據(jù)傳輸至系統(tǒng)管理平臺(tái)。通過系統(tǒng)平臺(tái)對(duì)形變數(shù)據(jù)進(jìn)行狀態(tài)評(píng)估分析，并及時(shí)對(duì)超過閾值的形變進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警（圖1）。

圖1 形變監(jiān)測(cè)原理圖

2.北斗系統(tǒng)在智慧交通中的應(yīng)用

北斗系統(tǒng)提供的精準(zhǔn)定位服務(wù)能力是未來發(fā)展智慧交通的重要技術(shù)基礎(chǔ)，可為行業(yè)全要素提供精準(zhǔn)位置信息，有助于為構(gòu)建綜合立體交通體系提供底層位置信息基礎(chǔ)。在智慧公路領(lǐng)域，基于北斗的車輛行駛軌跡可為高速公路電子不停車收費(fèi)系統(tǒng)提供收費(fèi)輔助依據(jù)，未來還可以繼續(xù)探索基于衛(wèi)星導(dǎo)航的自由流收費(fèi)方式，進(jìn)一步提升高速公路行車效率。

利用安裝在車輛上的北斗終端來確定車輛在高速公路行駛的軌跡，通過軌跡及相應(yīng)的費(fèi)率計(jì)算車輛高速公路費(fèi)用，并結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)、清分結(jié)算等技術(shù)實(shí)現(xiàn)費(fèi)用收取。該方法目前已經(jīng)在德國(guó)等國(guó)家使用多年，可以有效解決現(xiàn)行收費(fèi)方式可能出現(xiàn)的道路二義性、中途插拔卡等影響費(fèi)率計(jì)算精準(zhǔn)度的問題。同時(shí)，基于衛(wèi)星導(dǎo)航的收費(fèi)技術(shù)不需要建設(shè)收費(fèi)站，運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本更低，且可以真正實(shí)現(xiàn)不停車收費(fèi)，進(jìn)一步提升道路通行效率，降低道路運(yùn)輸成本。

基于北斗的隧道偽衛(wèi)星系統(tǒng)利用偽衛(wèi)星技術(shù)，通過在隧道內(nèi)加裝偽衛(wèi)星設(shè)備，向行駛在隧道內(nèi)的車輛播發(fā)模擬衛(wèi)星信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)隧道內(nèi)定位，可有效解決長(zhǎng)隧道衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)丟失情況，實(shí)現(xiàn)隧道內(nèi)外導(dǎo)航信號(hào)的無縫銜接，充分有效提升隧道行車安全及遇險(xiǎn)救援能力（圖2）。

圖2 隧道偽衛(wèi)星原理

在智慧港口領(lǐng)域，通過北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)為港區(qū)構(gòu)建高精度作業(yè)環(huán)境，在輪胎門式起重機(jī)（RTG）固定位置安裝北斗高精度接收機(jī)，為RTG 提供厘米級(jí)作業(yè)精度，依托系統(tǒng)構(gòu)建作業(yè)模型，實(shí)現(xiàn)港區(qū)RTG 的無人精準(zhǔn)抓放箱作業(yè)。與磁釘敷設(shè)相比，該技術(shù)具備原理簡(jiǎn)單、操作便捷、改造成本低等優(yōu)勢(shì)，尤其適用于無法敷設(shè)磁釘?shù)睦吓f港口改造。同時(shí)，還可為港區(qū)集卡安裝高精度車載終端，配合激光雷達(dá)、視頻智能識(shí)別等技術(shù)實(shí)現(xiàn)港區(qū)集卡自動(dòng)駕駛，進(jìn)一步提升港區(qū)作業(yè)效率，降低港區(qū)人工成本。

3.北斗系統(tǒng)在安全應(yīng)急搜救領(lǐng)域的應(yīng)用

北斗系統(tǒng)作為行業(yè)新型基礎(chǔ)設(shè)施，不僅能為行業(yè)提供精準(zhǔn)的定位導(dǎo)航服務(wù)，助力智能交通發(fā)展，北斗系統(tǒng)具備的短報(bào)文通信和國(guó)際搜救能力還可以進(jìn)一步提升行業(yè)安全管理及應(yīng)急搜救水平。北斗三號(hào)系統(tǒng)有6 顆中圓地球軌道（MEO）衛(wèi)星搭載了搜救載荷，其主要作用是可以接收地面上播發(fā)的406MHz（國(guó)際統(tǒng)一頻率）的遇險(xiǎn)報(bào)警求救信號(hào)，通過構(gòu)建完整的搜救體系，可以為用戶提供全球范圍內(nèi)海上搜救服務(wù)，具體原理見圖3。同時(shí)，北斗系統(tǒng)具備短報(bào)文特色服務(wù)，可以在沒有其他通信手段的情況下，完成船舶通信及位置上報(bào)。目前交通運(yùn)輸部等單位正在聯(lián)合推動(dòng)北斗中軌搜救系統(tǒng)納入到全球衛(wèi)星搜救系統(tǒng)（COSPASSARSAT）；推動(dòng)北斗短報(bào)文系統(tǒng)（BDMSS）納入到全球海上遇險(xiǎn)與安全系統(tǒng)（GMDSS）當(dāng)中。隨著相關(guān)國(guó)際組織的認(rèn)可，北斗系統(tǒng)將為我國(guó)乃至全球海上安全應(yīng)急救援服務(wù)提供強(qiáng)大助力。

圖3 北斗衛(wèi)星搜救系統(tǒng)工作流程圖

四、行業(yè)未來北斗系統(tǒng)應(yīng)用發(fā)展方向

目前，北斗系統(tǒng)所提供的服務(wù)已經(jīng)在行業(yè)各個(gè)領(lǐng)域取得了良好的效果，但距離行業(yè)北斗應(yīng)用全面覆蓋依然還有不小差距：民航領(lǐng)域受限于國(guó)際民航組織相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)制約，北斗系統(tǒng)尚無法成為民航飛機(jī)標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)航配置；自動(dòng)駕駛等新興領(lǐng)域受限于技術(shù)、政策及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的影響，尚處于測(cè)試實(shí)驗(yàn)階段；行業(yè)部分領(lǐng)域衛(wèi)星導(dǎo)航設(shè)備GPS依然存在先發(fā)優(yōu)勢(shì)，北斗應(yīng)用尚未實(shí)現(xiàn)全面覆蓋；同時(shí)，國(guó)內(nèi)衛(wèi)星導(dǎo)航相關(guān)的政策法規(guī)尚不完善；北斗國(guó)際化應(yīng)用規(guī)模與GPS 尚存在差距等。為了進(jìn)一步擴(kuò)大北斗系統(tǒng)行業(yè)應(yīng)用規(guī)模，推動(dòng)逐步實(shí)現(xiàn)北斗系統(tǒng)在行業(yè)的全面覆蓋，下一步將繼續(xù)大力推廣行業(yè)北斗應(yīng)用，主要包含以下幾個(gè)方面：

一是深化綜合交通運(yùn)輸領(lǐng)域的北斗應(yīng)用，擴(kuò)展應(yīng)用規(guī)模。大力推動(dòng)北斗在鐵路、公路、水運(yùn)、郵政等領(lǐng)域全面應(yīng)用，形成齊頭并進(jìn)的良好態(tài)勢(shì)。

二是推動(dòng)北斗創(chuàng)新應(yīng)用。充分發(fā)揮北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)的作用，推動(dòng)北斗在智慧公路、智慧航道、智慧港口、智慧樞紐等領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用和滲透式應(yīng)用。

三是持續(xù)推廣北斗國(guó)際化應(yīng)用。在相關(guān)國(guó)際組織框架下進(jìn)一步推動(dòng)北斗系統(tǒng)納入有關(guān)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，助力北斗“走出去”。

四是加強(qiáng)政策引導(dǎo)和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范制修訂，為北斗深度應(yīng)用營(yíng)造良好環(huán)境。

五是繼續(xù)加強(qiáng)跨部門跨領(lǐng)域合作，助力北斗產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，通過與相關(guān)部門、相關(guān)院所、社會(huì)團(tuán)體和組織的密切合作，推動(dòng)北斗系統(tǒng)“產(chǎn)學(xué)研用”的一體化發(fā)展，助力北斗產(chǎn)業(yè)化重大工程實(shí)施。

五、結(jié)語

隨著我國(guó)綜合交通運(yùn)輸體系的不斷建立完善，行業(yè)各個(gè)領(lǐng)域?qū)ξ恢梅?wù)的需求也愈發(fā)強(qiáng)烈，北斗系統(tǒng)作為新型的信息化基礎(chǔ)設(shè)施，為用戶提供更加精準(zhǔn)的定位導(dǎo)航授時(shí)服務(wù)，是未來構(gòu)建綜合立體交通網(wǎng)的重要技術(shù)基礎(chǔ)，成為交通強(qiáng)國(guó)建設(shè)中的重要一環(huán)。