北斗技術的差異化應用

楊恒 中國電信股份有限公司北京研究院定位技術與應用產品線總監，高級工程師

謝鑫 中國電信股份有限公司北京研究院工程師

北斗技術的差異化應用

楊恒 中國電信股份有限公司北京研究院定位技術與應用產品線總監，高級工程師

謝鑫 中國電信股份有限公司北京研究院工程師

北斗系統是中國自主發展的衛星導航系統，兼有定位和通信特性。北斗技術在民用領域發展過程中需要考慮和GPS技術的差異化。本文重點分析了北斗在中國境內的短報文數傳技術、高精度定位技術和其與通信網相結合方面的差異化優勢及應用場景。

北斗導航定位系統 短報文 偽距單點定位 通信網輔助北斗定位

1 引言

北斗衛星導航系統（BeiDou（COMPASS）Navigation Satellite System）是我國自行研制的第一個全球衛星導航與通信系統，是繼美國GPS和俄羅斯GLONASS之后全球第三個成熟的衛星導航系統，已初步具備亞太地區的導航、定位與授時服務能力。

除了對國家安全有重要意義以外，北斗技術在民用領域發展過程中，面臨著和GPS等成熟的衛星導航系統的競爭。GPS系統已經運行多年，芯片成熟度高，價格便宜，已經形成了完整的產業生態環境。如果北斗系統沒有明顯的差異化發展方式，則將在和GPS的競爭中占據劣勢，并影響其在應用中的推廣。因此，尋找適合北斗特色技術的應用場景，是推動北斗應用發展的重點方向。

和在中國境內的GPS服務相比較，北斗系統在短報文數傳技術、高精度定位技術和其與通信網相結合方面有一定的優勢。本文將圍繞這3方面的差異化優勢，闡述中國電信在北斗應用上的研究和探索。

2 短報文技術在漁信E通中的應用

中國海域遼闊，海岸線達1.8萬公里，海洋漁業水域面積300多萬平方公里，從業漁民1000多萬人，擁有海洋漁業船舶約28萬多艘，其中20～200馬力的小漁船10萬艘左右。這些漁船工作在移動通信網覆蓋區域之外，沒有安裝價格昂貴的海事衛星終端，當其遇到危險時的報警求救、定位救援時需要一種低價的定位通信手段，北斗導航系統的短報文技術是滿足該需求的不二選擇。

2.1 北斗短報文數傳技術

和GPS系統相比，北斗衛星定位系統特有點對點雙向數據傳輸方式。它是一種數據報告方式，以數據包的形式傳輸，一般用戶一次最多可發送40～60個字的短報文信息。測站終端發送采用碼分多址直接擴頻序列調制，擴頻偽碼采用周期偽隨機序列，發送頻率為L波段，通過衛星轉換為C波段由地面站接收，由中心站處理后發到衛星，再經衛星轉換為S波段由測站終端或指揮型終端接收，完成一次點對點的通信。反向發送過程亦然。測站型終端和指揮型終端的最大區別在于前者只能鎖定在一個波束上，而后者可以同時鎖定所有波束，發送信息時也是如此，前者每次只能在單波束上發送，后者則可以同時在所有波束上發送。中國電信衛星公司已經建立了北斗短報文定位服務平臺。

2.2 漁信E通業務

為了適應國際漁業管理趨勢，樹立我國負責任漁業的良好形象，提高我國遠洋漁業管理水平，確保漁船海上航行和生產作業安全，農業部要求對所有遠洋漁船分期分批實施船位監測。為了支撐農業部的管理要求，為漁民在遠離陸地移動通信網覆蓋的海域里提供通信、定位、救援等服務，中國電信開發了漁信E通業務，并已經在福建、山東、江蘇等地實施推廣，發展用戶超過20萬戶。

中國電信的漁信E通業務系統將作業漁船分為沿岸、近海、外海作業船舶，采用短波、超短波、CDMA、衛星等不同通信手段結合實現對漁船的應急管理，具有電子海圖顯示的船位查詢、群呼、選呼、航跡線查詢、信息發布、報警處置、海上救助調度指揮和漁船信息查詢管理等功能（見圖1）。漁信E通業務系統利用北斗短報文通信和北斗定位技術，構建了一個海天地一體化的北斗衛星海洋漁業綜合信息服務網絡，該系統一方面可為漁業管理部門提供漁船船位監控、漁船緊急救援指揮、漁業政策發布、海上臺風通行等服務；另一方面也可為海上漁業生產作業者提供自主導航、遇險求救；同時，中國電信還打通了北斗短報文和手機短信直接的接口，可以實現手機和北斗終端之間的點對點通信服務。

3 北斗高精度定位在車輛調度中的應用

中國地域遼闊，2013年車輛擁有量已經達到1.37億，每年新增車輛超過1400萬部。同時，中國鐵路運營里程超過11.2萬公里。汽車和火車機車的運營管理需要一種可靠的定位技術。目前，GPS定位技術占據了車輛定位的絕大部分市場，但隨著北斗高精度定位基礎設施的建設，車輛調度也出現了高精度定位的應用場景。

3.1 北斗高精度定位技術

北斗高精度位置服務基于北斗地基增強系統，通過地面通信系統或衛星播發導航信號修正量和輔助定位信號，實現北斗的高精度導航定位服務，向用戶提供精密導航定位服務，以及大眾終端輔助增強服務。北斗地基增強系統以北斗衛星導航系統為主，兼容其他衛星導航系統。這個系統的優勢主要體現在系統初始化時間更快、穩定性更高、可快速實現高精度定位3個方面。

為得到更高的定位精度，通常采用差分技術：將一臺接收機安置在基準站上進行觀測，根據基準站已知精密坐標，計算出基準站到衛星的距離改正數，并由基準站實時將這一數據發送出去。用戶接收機在進行觀測的同時，也接收到基準站發出的改正數，并對其定位結果進行改正，從而提高定位精度。

根據差分基準站發送信息的方式可將差分定位分為位置、偽距、相位差分3類。這3類差分方式的工作原理是相同的，即都是由基準站發送改正數，由用戶站接收并對其測量結果進行改正，以獲得精確的定位結果。所不同的是，發送改正數的具體內容不一樣，其差分定位精度也不同。其中，偽距差分是應用最廣的一種差分。偽距差分基準站觀測所有衛星，根據基準站已知坐標和各衛星的坐標，求出每顆衛星每一時刻到基準站的真實距離，再與測得的偽距比較，得出偽距改正數，并將其傳輸至用戶接收機，提高定位精度。這種差分技術能得到米級的定位精度。為北斗差分定位與普通北斗定位效果對比情況如圖2所示，其中左邊淺色軌跡為普通北斗定位效果，中間深色為北斗差分定位效果，深色右邊的淺色為RTK（mm級）標定軌跡。

圖1 漁信E通平臺操作界面

3.2 車輛調度的高精度應用場景

由中國電信北京研究院自主研發的北斗高精度位置服務系統能夠為各行業客戶提供北斗高精度位置服務，其中，以亞米級位置服務為主。主要優勢在于，可以基于普通的北斗終端+偽距差分的北斗定位芯片提供高精度定位能力，相對于傳統的專業測繪終端，這大大降低了終端成本，從而提供了一種以較低成本實現高精度定位的解決方案，便于北斗高精度應用的規模推廣。

目前，中國電信的北斗高精度定位系統已經在北京某區的公交汽車調度系統上試點，為50臺公交汽車提供高精度定位調度服務，實現公交汽車的車道級定位跟蹤和調度能力，為公交的精細化管理探索經驗。另外，中國電信北斗高精度定位系統正在鐵路機車上進行試點，以實現鐵路機車在車輛編組站內車道級的調度監控能力。

4 通信網輔助的北斗定位應用

移動網輔助衛星定位技術是指通過移動網絡數據通道來傳遞衛星定位輔助信息，從而獲得移動終端位置的定位技術。中國電信在通信網輔助衛星定位技術上經驗豐富，目前運營著國內唯一大規模商業的通信網輔助定位系統——gpsOne定位平臺。

gpsOne定位能力平臺由MPC、PDE和WARN組成。MPC為gpsOne移動定位中心，負責提供精定位請求的接入和管理；PDE是精定位定位實體，PDE根據移動終端所處環境的不同，選擇A-GPS、AFLT或Cell ID方式計算移動終端的位置信息確定移動終端位置。當收到MPC的位置請求時，PDE與MSC、BSC以及MS等相關設備交換信息，利用各種測量信息和數據通過特定的算法完成具體的定位計算，并將最后的計算結果報告給MPC；廣域參考網（WARN）由若干個WARN站組成，負責動態監測上空GPS衛星數據，分布在全國各地。

和移動終端上純衛星定位技術相比較，通信網輔助的衛星定位技術優勢主要有兩點：一是減小終端搜星時間；二是采取了平臺定位計算的方式，使得定位平臺可以知道終端的精確位置。從移動互聯網的發展趨勢來看，目前Wi-Fi+基站的混合定位方式已經得到大規模的應用，而混合定位的時延非常小，已經能滿足終端快速定位的需求。所以，未來通信網輔助北斗定位技術將體現在平臺監控的應用場景中。

圖2 北斗差分定位與普通北斗定位效果對比

通信網輔助北斗定位系統要求終端、操作系統、芯片和定位平臺之間相互操作，所以終端、網絡必須嚴格執行統一的定位技術標準。目前，通信網輔助的北斗定位標準已經完成，但在系統建設和終端入網測試方面還需做進一步的努力。

5 結束語

本文討論了北斗和GPS系統相比的差異化技術和應用場景，分析了北斗短報文數傳技術、高精度定位技術、通信網輔助定位技術的應用場景，為規模推廣北斗應用進行了研究和探索。

1 楊元喜.北斗衛星導航系統的進展、貢獻與挑戰.測繪學報.2010

2 中國電信.中國電信漁信E通解決方案

3 楊恒,魏丫丫,李彬,郭丹等.定位技術.電子工業出版社. 2013

DifferentiationApplication of BDS Technique

The BeiDou system has the characteristics of no blind spots and full coverage,and the capabilities of both positioning and satellite communications.The differentiation of GPS and BDS technology need to be considered in BDS civilian application.This paper focuses on the BDS short message data transmission technology,high-precision positioning technology,and the differential advantage with the combines of communication network.

BeiDou navigation satellite system,short message,pseudo-range point positioning,assisted BeiDou navigation satellite system support

2015-02-20）