北斗衛星導航系統在智慧城市建設中的應用探討＊

張 攀，朱敦堯，2，董紅波

（1.武漢大學 衛星導航定位技術研究中心，湖北 武漢430079；2.武漢光庭信息技術有限公司，湖北 武漢430073；3.武漢大學 資源與環境科學學院，湖北 武漢430079）

0 引 言

2008年，IBM公司提出“智慧地球”概念，認為世界的基礎結構正在向智慧的方向發展，可感應、可度量的信息源無處不在，互聯網的平臺讓這一切互聯互通，讓一切變得更加智能[1]。見證人類文明發展歷程的城市，是人們生活的聚集中心，在“智慧地球”概念的背景下，“智慧城市”的概念應運而生。或者說“智慧城市”是“智慧地球”實現的第一步和重要組成部分。智慧城市將為城市中的廣大居民提供智能化的服務，作為一種新的城市形態，是城市由工業化城市、數字城市發展的必然趨勢。

定位技術和通訊技術是實現城市智能化不可或缺的技術。提供定位技術的全球定位系統（GPS）自90年代用于民用以來，取得了非常廣泛的應用。北斗衛星導航系統是中國自主研發建立的全球衛星導航定位系統，是繼GPS和GLONASS之后第三個成熟的衛星導航系統。北斗的建設分三步走，第一步，在2000年，建成北斗導航試驗系統；第二步，建成覆蓋亞太地區的區域導航系統，稱為“北斗二代”，隨著2012年10月25日第16顆衛星的成功發射，宣告北斗系統區域組網工作順利完成。第三步是到2020年，建成全球衛星導航系統。隨著我國北斗衛星導航系統逐步的發展和進步，可以預見未來，在我國乃至世界，北斗將在導航與定位應用領域發揮重要作用。作為我國自主研發的衛星定位系統，北斗衛星導航系統將為我國智慧城市的建設和發展提供重要技術支撐。

1 北斗在數字城市階段的應用

李德仁院士給出了一個公式，智慧城市＝數字城市＋物聯網＋云計算[2]，得到廣泛的認可。把智慧城市分為兩個階段，即數字城市階段和物聯網階段，如圖1所示。數字城市階段，是把物理城市搬到互聯網上，實現數字化，可以說是智慧城市的初級階段[3]。物聯網階段，是將數字城市和物理城市進行關聯，達到融合互動，從而實現智能化。

圖1 智慧城市的兩個階段

“數字城市”是3S技術的產物，發展得比較成熟，可以狹義地理解為，以遙感（RS）、全球定位系統（GPS）、地理信息系統（GIS）等空間信息技術為主要手段，對地理信息資源進行整合，構建“數字城市”地理空間框架，建設城市地理信息公共服務平臺，是城市實體在計算機中的虛擬表達[1]。隨著3S技術的成熟，我國數字城市的建設早已步入實質性階段，取得了一系列成果。數字政務，數字交通等，搭建起城市地理公共服務平臺，實現了城市在經濟、社會和生態等各個層面的數字化、網絡化。

GPS是美國研發的全球定位系統，是四大衛星定位導航系統（GNSS）之一，在數字城市中基礎地理信息的獲取和位置服務等多方面發揮著重要作用。基于北斗二代的定位精度以及服務范圍，北斗定位導航系統完全可以替代GPS，在我國數字城市建設中發揮重要作用。

2 北斗在物聯網階段的應用

物聯網概念最早由比爾蓋茨提出，于2005年11月在信息社會世界峰會（WSIS）被國際電信聯盟（ITU）正式論述。物聯網是通過射頻識別（RFID）、紅外感應器、全球定位系統、激光掃描器等信息傳感設備，按約定的協議，把世界上所有物體與互聯網連接起來，進行物體與網絡之間的信息交換與通信，以實現物體智能識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種信息網絡[4]。

物聯網的關鍵環節或者組成部分可以歸納為“感知、傳輸、處理”，實現“及時、精確、面”地獲取和處理信息[5]。物聯網在邏輯架構上可以分為感知層、網絡層和應用層，如圖2所示[6]。

圖2 物聯網的邏輯構架圖

在物聯網的感知層，精確時間信息和位置信息感知中，目前主要利用GPS技術。北斗衛星導航系統的授時和定位功能可以實現時間和位置的感知，投入使用后，則可以完全取代GPS完成位置感知任務，在物聯網的感知層中充當重要角色，成為感知層不可或缺的重要組成部分。

可以看出，全球定位系統在物聯網中的作用，是實現定位、跟蹤、監控和管理的技術支撐。北斗導航系統在物聯網中的可以應用到感知層和網絡傳輸層。

1）感知層

北斗導航系統可以提供時間信息、位置信息等。導航芯片是一個可精確測量目標位置和速度的傳感器，可以直接使用北斗導航系統的短報文功能上傳。另外，在另一個重要感知技術RFID中，可以將其讀寫器與導航芯片融合設計在一起，利用導航終端直接上傳網絡[7]。

2）網絡層

由于北斗導航系統獨有的短報文功能，可用于上傳、下行信息，作為支撐網絡應用，北斗導航系統具有以下優勢：（1）導航信號分布廣泛，即使在地理位置偏遠和地形復雜地區，導航信號依然有穩定的覆蓋；（2）獨有的短報文通訊功能，每次可提供120字的短信服務，可以同時解決與“何人、何時、何地、何事”問題；（3）傳輸能力強，物聯網終端通信的業務模式具有頻繁狀態切換和位置更新以及在某一個特定的時間集中聚集到某一地區的特征；（4）服務成本低，北斗導航系統提供免費的開放服務。

電信網絡具有網絡成熟、市場基礎等優勢。在今后物聯網發展中，導航系統與電信網絡可以優勢互補，能更好地支撐物聯網的發展。

3 北斗典型應用模型

根據在數字城市階段和物聯網階段的應用分析，可以提煉出北斗導航系統的兩種應用模型，靜態模型和動態模型。

1）靜態模型

靜態模型主要是利用北斗定位系統獲取基礎地理信息以及滿足測繪需求。具體包括：（1）大地控制測量，如圖3所示的數字高程模型；（2）精密工程測量及變形監測，如水庫大壩外觀變形監測、滑坡外觀變形監測以及機場軸線定位等[8]；（3）線路勘探及隧道貫通測量；（4）地形、地籍及房地產測量。這些工程上的應用，是構建數字城市的基礎。

圖3 數字高程模型

2）動態模型

動態模型主要是利用北斗定位系統進行實時位置服務。如圖4所示，利用北斗終端獲取實時的位置信息，并將位置和事件信息通過短文通訊傳輸給云計算中心，再通過物聯網的網絡層，將計算結果傳輸給有關管理部門，實現對該事件監控和處理。動態模型在智慧城市中有非常廣泛的應用。

圖4 北斗導航系統在智慧城市應用中的動態模型

4 應用實例

智慧城市的建設內容包羅萬象，如城市的交通、醫療和環保等。凡需要定位及無線通訊技術的環節，都可以使用北斗。位置信息是智慧城市在感知層中非常關鍵的信息，只有掌握了位置信息，才能進行針對性的處理。北斗在智慧城市的建設中有非常廣泛的應用空間。

1）智慧交通

智能交通系統通常包括交通信息、車輛監控、車輛管理以及車輛控制等子系統組成。在交通信息及通訊子系統中，諸如有關路段事故、急救等緊急、重要的信息在通過陸基無線／有線通信通道傳輸的同時，可以通過北斗系統的通信服務傳輸給監控中心及相關的北斗系統移動車輛用戶終端，保證這些緊急、重要的交通信息在任何環境下不中斷[9]，如圖5所示。在交通監管子系統中，可以使用北斗進行路況信息采集與管理，車輛跟蹤，智能調度及緊急救援等。

圖5 智能緊急救援

2）智慧水電

如果在未來的水表中，裝入北斗二代終端芯片，以及其他傳感裝備，則可以實現用水量數據的實時傳送，以及實時監控企業和居民用水情況。如當出現用水異常，可以通過北斗二代短文通訊，反饋到水表終端，以提醒用戶注意。同時管理部門也可以及時地獲取到出現異常的位置信息，有利于做出判斷和及時地處理。

在照明設備原有的配電和控制設備基礎上，加入北斗二代終端芯片，可以增加定位和短文通訊功能，從而使照明設備處于可管理狀態。通過網絡實時將照明電壓、功率、設備溫度等監測數據上傳到控制中心，結合位置信息，可以及時判斷故障和進行處理。

利用動態模型，還可以實現對水電管網的在線實時監測，可以快速定位發生問題的地點，從而有效的解決地下管網監測難題，并且降低成本。

3）智慧環保

全球衛星定位導航系統（GNSS）與氣象學的結合形成了GNSS氣象學（GNSS／MET meteorology），主要利用GNSS理論和技術來遙感地球大氣，進行氣象學的理論和方法研究，可以測定大氣溫度及水汽含量，監測氣候變化等。北斗作為四大衛星導航定位系統之一，將在我國氣象領域發揮重要作用。

綜合利用空氣質量傳感器、衛星定位以及衛星圖片處理等技術，可以實時感知城市環境變化，對變化情況進行趨勢分析和預測，及時發現問題。

5 結 論

智慧城市的建設，涉及人類生活的方方面面。基于北斗衛星導航系統的定位通訊技術以及各項傳感、通訊、云計算等技術，讓人們對智慧城市充滿了遐想。人們對智慧城市的需求，以及城市智慧化的發展，為北斗的應用提供了廣闊的市場，帶來了前所未有的良機。同時北斗也經受著GPS深厚的應用基礎以及價格、技術標準等多方面的挑戰。但是北斗二代的建成，讓人們對北斗充滿期待。相信北斗一定會在我國乃至世界的智慧城市建設中發揮重要作用。

[1]吳余龍.智慧城市：物聯網背景下的現代城市建設之道[M].電子工業出版社，2011.

[2]李德仁.從數字城市到智慧城市[R].2011.

[3]史文勇，李 琦.數字城市：智能城市的初級階段[J].地學前緣（中國地質大學（北京）；北京大學），2006（5）：99－103.

[4]王保云.物聯網技術研究綜述[J].電子測量與儀器學報，2009（12）：1－7.

[5]解沖鋒，孫 穎，高歆雅.物聯網與電信網融合策略探討[J].電信科學，2009（12）：9－12.

[6]李明凡，張紅領.北斗將成為物聯網的重要組成部分[J].國際太空，2012（4）：42－45.

[7]潘程吉，汪 勃.北斗導航系統在物聯網中的應用展望[J].遙測遙控，2011（11）：14－17.

[8]徐紹銓，張華海，楊志強，等.GPS測量原理及應用[M].武漢大學出版社，2008.

[9]徐志剛.北斗衛星導航系統在智能交通系統中的應用[C]／／第三屆中國衛星導航學術年會，2012.