從應用角度談北斗導航系統精準定位的發展趨勢

·文|廣州南方衛星導航儀器有限公司市場中心

從應用角度談北斗導航系統精準定位的發展趨勢

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隨著北斗導航系統（BDS）亞太區域運行的全面展開，BDS定位應用真正走向了產業規模化，走進了尋常百姓家。雖然系統成熟度、成本等各方面還存在著一些需要磨合之處，但BDS的衛星組成特別針對亞太地區的增強還是為衛星導航定位領域帶來了實實在在的技術變革。

而聚焦于精準衛星定位領域，在傳統GPS和GLONASS差分定位的基礎上，BDS的加入則正式開啟了GNSS多星定位的新時代：星座的分布和數量更趨完善，差分作用距離愈發擴展，定位終端的空間可用性不斷增強，而終端運算、通信性能的提升則為更多行業更廣泛的應用精準定位提供了條件。

下文將分別就衛星系統、差分源、定位終端以及應用擴展4個方面分析BDS精準定位的發展趨勢。

一、衛星系統

精準衛星定位在衛星系統方面的最顯著趨勢便是GNSS多星聯合解算時代的全面到來，BDS以及Galileo的加入，使得空域中的可視衛星不斷增加；而針對亞太尤其是中國區域來說，BDS中地球同步軌道衛星和區域增強衛星的加入，使得星座分布更加合理，衛星信號的穩定性得到了極大地提升。

如圖1所示，在我國的南部地區，單一終端的衛星捕獲數量可以經常性的達到30顆以上，這就為精準衛星定位更廣泛的應用奠定了星座基礎。

圖1 GPS+GLONASS+BDS終端捕獲星圖

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

此外，導航定位衛星的通信功能變得進一步增強。這對衛星定位的幫助或許有限，但這對位置信息的通信，尤其是在惡劣失聯環境下的位置反饋有著突出的作用和巨大的實用價值。

二、差分源

眾所周知，差分定位是現階段實現精準定位最可靠、最主流的定位方式，而加入BDS后GNSS差分源的變革便對精準定位的發展意義重大。從目前的應用模式上看，一方面是基于CORS技術的北斗區域差分、廣域差分地基增強應用范圍不斷擴展，另一方面則是北斗星站差分機制和衛星網絡的籌劃和設計建設。而在現階段，大規模展開實用的是地基增強提供差分源的方式，見圖2。

圖2 上海測繪院SHCORS系統網形圖及南方BDS子系統性能測試結論

在地基增強方面，除了原有的虛擬網絡參考站、主輔站技術繼續不斷完善和成熟之外，BDS還為地基增強系統帶來了更多的差分共用衛星，從而大大增加了差分作用的距離和穩定性；而多星聯合解算差分數據的播發，也使得城市環境下的精準衛星定位應用成為可能。

三、定位終端

可以視為基礎設施的衛星系統和地基增強系統相比，精準GNSS定位終端的發展顯得更加的靈活和多樣化。

首先，BDS的加入使得精準GNSS定位終端的定位性能大幅提高，作業范圍進一步增加，如圖3所示，在典型的城市環境中，多星定位的可用區域得到了極大地擴展。

圖3 多星定位城市環境應用范圍對比示意圖

其次，芯片、通信技術的發展，使得硬件平臺的性能不斷增強，使得用戶在定位現場可以結合底圖、位圖作業，也使得現場的作業場景和后臺的調度指令可以實現實時交互，真正實現作業可視化，服務云端化，見圖4。

圖4 地理國情監測高性能精準定位采集系統示意圖

此外，硬件集成技術的不斷發展，使得各種專業設備得以在硬件層面和精準定位終端互聯互通，實現多種組合的作業模式。例如：定位終端和激光測距儀的結合解決了衛星遮擋區域偏移測量的難題；精準定位終端和管線探測儀的結合，使得作業人員可以同時采集管線狀況和管線位置數據（圖5）。

而更加值得注意的趨勢是，除了將定位終端高度集成一體化之外，另一種終端研發思路則是將精準定位功能小型化、模塊化，再通過與民用智能終端（如手機、平板電腦等）互聯（通過線纜、藍牙、NFC等方式），結合研發出相應的后臺服務APP，從而將精準位置充分開放給各種行業應用APP使用，實現原有民用終端的精準化。

圖5 精準定位終端與管線探測儀的結合應用

四、應用擴展

將上文中提到的衛星系統、差分源、定位終端的發展結合到一起，結合GIS的平臺和應用，便實現了基于BDS的精準定位服務平臺，進而服務于各行各業的精準作業需求。

北斗精準定位作為一種全天候實時性定位手段，其優勢在于安全和精準，但不能單獨存在，必須依托當地政府或企業的GIS平臺而存在，簡單地說，就是必須和地圖結合起來，才能發揮最大的優勢。

北斗精準定位服務的系統組成結構見圖6。

圖6 北斗精準定位服務的系統結構圖

系統層由CORS系統（連續運行參考站）和用戶數據組成。

服務層主要解決的是用戶取得精準位置的問題，重點在于用戶所用終端及對用戶取得定位精度的分級管理，另外各個行業、公司的基礎GIS業務平臺也屬于服務層，這個層面便會涉及到大量精準定位終端和GIS平臺軟件。

應用層則是一個根據行業細分的軟件開發領域，精準位置除了與地圖數據結合可以達到監控、定位、導航、調度等的應用外，還要和各行各業的實際業務需求相結合，實現室外工作流程的電子化、規范化，這便需要在定位終端和后臺GIS平臺兩個層面進行軟件的二次開發，如燃氣的管線定位終端便要和管線探測儀等專業設備連接，并在定位終端和后臺GIS平臺實現對管線探測儀數據的識別、傳輸和分析，還要結合巡檢、焊接人員的作業標準流程開發終端軟件。

從精度級別上來說，精準定位可以實現米級（1～3m）、亞米級（＜1m）、厘米級（＜20cm）3個常見級別的位置獲取，在以下領域有著廣闊的應用前景。

（1）傳統測繪類

傳統測繪領域對精準定位的應用較為成熟，自20世紀90年代GPS測量型RTK傳入我國以來，經過20多年的普及，現階段各地測繪人員的主要測量方式均采用GNSS衛星定位測量；

在傳統的測量RTK之外，便攜大屏幕智能定位終端在2013年開始的全國地理國情監測項目中得到了廣泛運用，作業人員可以在勘察現場獲取精準位置，并結合航拍圖，對原有大比例尺地圖進行地物勘驗和修改。

（2）管線類

管線類精準應用涵蓋多個行業領域，在城市范疇內，燃氣、自來水（給排水）、供電照明等細分行業均有著明顯的需求；而在較大范圍內的能源管道（石油、石化）、電力線路（國家電網、南方電網）也有著巨大的需求量；

管線類精準應用解決的主要問題是在短時間內快速確定某一特定管線特征點（如焊接點、泄漏點、閥門、變壓器、路燈桿）的準確位置，尤其是針對安全問題敏感的地下可燃氣體管線（如青島石化爆炸事件中的天然氣管線）有著顯著的優勢；

而由于精準定位終端一般具備藍牙、RFID、WiFi、NFC等通信功能，可以和其他的行業專業設備（如管線探測儀）實現數據互聯，并通過移動通信網絡實時回傳給數據中心，能夠讓管線行業的巡檢、維修、施工作業流程實時操作實時審批，并兼具導航和指令調度的功能應用。

（3）車輛監控類

常見的車輛監控一般采用低精度定位設備（如兩客一危），主要解決的是車輛在哪、行駛路線記錄的問題；而精準定位下的車輛應用則可以監控更多的車輛實時狀態，包括精確判斷車速、油量、里程及行駛范圍，實現對車輛的車道級監控（亞米級精度即可實現），滿足對特定區域內（如安全要求較高的廠區、礦區）、特種車輛（如危險性物體載運車、可燃氣體探測車、高等級活動環衛清掃車）的精確監控需求。

（4）水上應用類

精準定位的船舶應用除了結合航道圖的導航、定向定位外，還可以結合水上測深儀完成航道疏浚、測量任務；在港口范疇內的船舶停泊精確導航（可結合自動化技術實現自動停泊）、集裝箱貨運的精確機械控制方面也有著很多應用案例。

（5）精準路線控制類

應用衛星精準定位實現對車輛、機械的厘米級精確路線控制在國外已經有廣泛的應用，在精準農業范疇，結合自動駕駛實現全天候農機自動精確播種、收割；在道路施工范疇，實現對道路壓實的精確控制；在高速鐵路施工實現對軌道鋪設的精確測量；

這方面的應用在國內已經開始起步，尤其集中在現代化農業生產領域的需求巨大，東北、內蒙和新疆等大農場集聚地區已有成熟的應用；在新一輪土地改革的推動下，更多的農村地區將出現土地集中使用、耕種的規模化、集約化需求，前景廣闊。

（6）安全安防類

在地質災害頻發的山區、水壩，以及針對安全要求較高橋梁、高層建筑物，精準定位可以實現對剛體外形的形變、沉降監測，精度可達到毫米級別，達到全天候、實時地解算和圖形化顯示，在尾礦庫、水庫、大型橋梁、大范圍地面沉降等方面已有很多成熟案例。

（7）駕駛人考試類

2013年1月1日開始執行的公安部第123號令——《機動車駕駛證申領和使用規定》，對駕駛人考試內容進行了調整，并提出了新的更加嚴格的要求，這對駕駛人考試研發行業是一個新的挑戰，必須嚴格按照新部令要求，摒棄落后技術，結合衛星定位系統對車輛進行實時動態定位定姿測量，從而達到不需要在考試場地安裝設備就可以精確評判的效果。

目前全國各地的駕照考試場地已經開始陸續采用精準定位實現考試結果無人介入評判，年市場容量達到了10億量級，而各地駕校也開始實施高度模擬真實考試環境的駕駛人培訓系統，將使駕駛人考試、培訓市場實現進一步的增長。

（8）執法巡查類

警務、城管及市政巡查，是近幾年來廣泛應用米級精準定位的執法巡查領域。

結合高度加密的后臺系統，警務、城管人員可以應用精準定位終端實現現場執法的查詢（身份確認）、上報（實時回傳）、處罰（罰單打印）、取證（圖像、視頻采集）等一系列執法流程；

市政巡查人員則可以結合地圖數據，實現對市政物件（如井蓋、垃圾桶、路燈等）和市政事件（損壞、丟失、報廢等）的現場實時操作。