从应用角度谈北斗导航系统精准定位的发展趋势

·文|广州南方卫星导航仪器有限公司市场中心

从应用角度谈北斗导航系统精准定位的发展趋势

·文|广州南方卫星导航仪器有限公司市场中心

随着北斗导航系统（BDS）亚太区域运行的全面展开，BDS定位应用真正走向了产业规模化，走进了寻常百姓家。虽然系统成熟度、成本等各方面还存在着一些需要磨合之处，但BDS的卫星组成特别针对亚太地区的增强还是为卫星导航定位领域带来了实实在在的技术变革。

而聚焦于精准卫星定位领域，在传统GPS和GLONASS差分定位的基础上，BDS的加入则正式开启了GNSS多星定位的新时代：星座的分布和数量更趋完善，差分作用距离愈发扩展，定位终端的空间可用性不断增强，而终端运算、通信性能的提升则为更多行业更广泛的应用精准定位提供了条件。

下文将分别就卫星系统、差分源、定位终端以及应用扩展4个方面分析BDS精准定位的发展趋势。

一、卫星系统

精准卫星定位在卫星系统方面的最显著趋势便是GNSS多星联合解算时代的全面到来，BDS以及Galileo的加入，使得空域中的可视卫星不断增加；而针对亚太尤其是中国区域来说，BDS中地球同步轨道卫星和区域增强卫星的加入，使得星座分布更加合理，卫星信号的稳定性得到了极大地提升。

如图1所示，在我国的南部地区，单一终端的卫星捕获数量可以经常性的达到30颗以上，这就为精准卫星定位更广泛的应用奠定了星座基础。

图1 GPS+GLONASS+BDS终端捕获星图

而在卫星方面的另一个重要趋势便是以GPS的L5和BDS的B3为代表的第三定位频段的加入。定位卫星的第三频段往往较另外两个频段的波长更长，具有一定的衍射效应，对于穿透透明膜层（如玻璃）、稀疏树叶等弱遮挡环境有着明显的效果提升。

此外，导航定位卫星的通信功能变得进一步增强。这对卫星定位的帮助或许有限，但这对位置信息的通信，尤其是在恶劣失联环境下的位置反馈有着突出的作用和巨大的实用价值。

二、差分源

众所周知，差分定位是现阶段实现精准定位最可靠、最主流的定位方式，而加入BDS后GNSS差分源的变革便对精准定位的发展意义重大。从目前的应用模式上看，一方面是基于CORS技术的北斗区域差分、广域差分地基增强应用范围不断扩展，另一方面则是北斗星站差分机制和卫星网络的筹划和设计建设。而在现阶段，大规模展开实用的是地基增强提供差分源的方式，见图2。

图2 上海测绘院SHCORS系统网形图及南方BDS子系统性能测试结论

在地基增强方面，除了原有的虚拟网络参考站、主辅站技术继续不断完善和成熟之外，BDS还为地基增强系统带来了更多的差分共用卫星，从而大大增加了差分作用的距离和稳定性；而多星联合解算差分数据的播发，也使得城市环境下的精准卫星定位应用成为可能。

三、定位终端

可以视为基础设施的卫星系统和地基增强系统相比，精准GNSS定位终端的发展显得更加的灵活和多样化。

首先，BDS的加入使得精准GNSS定位终端的定位性能大幅提高，作业范围进一步增加，如图3所示，在典型的城市环境中，多星定位的可用区域得到了极大地扩展。

图3 多星定位城市环境应用范围对比示意图

其次，芯片、通信技术的发展，使得硬件平台的性能不断增强，使得用户在定位现场可以结合底图、位图作业，也使得现场的作业场景和后台的调度指令可以实现实时交互，真正实现作业可视化，服务云端化，见图4。

图4 地理国情监测高性能精准定位采集系统示意图

此外，硬件集成技术的不断发展，使得各种专业设备得以在硬件层面和精准定位终端互联互通，实现多种组合的作业模式。例如：定位终端和激光测距仪的结合解决了卫星遮挡区域偏移测量的难题；精准定位终端和管线探测仪的结合，使得作业人员可以同时采集管线状况和管线位置数据（图5）。

而更加值得注意的趋势是，除了将定位终端高度集成一体化之外，另一种终端研发思路则是将精准定位功能小型化、模块化，再通过与民用智能终端（如手机、平板电脑等）互联（通过线缆、蓝牙、NFC等方式），结合研发出相应的后台服务APP，从而将精准位置充分开放给各种行业应用APP使用，实现原有民用终端的精准化。

图5 精准定位终端与管线探测仪的结合应用

四、应用扩展

将上文中提到的卫星系统、差分源、定位终端的发展结合到一起，结合GIS的平台和应用，便实现了基于BDS的精准定位服务平台，进而服务于各行各业的精准作业需求。

北斗精准定位作为一种全天候实时性定位手段，其优势在于安全和精准，但不能单独存在，必须依托当地政府或企业的GIS平台而存在，简单地说，就是必须和地图结合起来，才能发挥最大的优势。

北斗精准定位服务的系统组成结构见图6。

图6 北斗精准定位服务的系统结构图

系统层由CORS系统（连续运行参考站）和用户数据组成。

服务层主要解决的是用户取得精准位置的问题，重点在于用户所用终端及对用户取得定位精度的分级管理，另外各个行业、公司的基础GIS业务平台也属于服务层，这个层面便会涉及到大量精准定位终端和GIS平台软件。

应用层则是一个根据行业细分的软件开发领域，精准位置除了与地图数据结合可以达到监控、定位、导航、调度等的应用外，还要和各行各业的实际业务需求相结合，实现室外工作流程的电子化、规范化，这便需要在定位终端和后台GIS平台两个层面进行软件的二次开发，如燃气的管线定位终端便要和管线探测仪等专业设备连接，并在定位终端和后台GIS平台实现对管线探测仪数据的识别、传输和分析，还要结合巡检、焊接人员的作业标准流程开发终端软件。

从精度级别上来说，精准定位可以实现米级（1～3m）、亚米级（＜1m）、厘米级（＜20cm）3个常见级别的位置获取，在以下领域有着广阔的应用前景。

（1）传统测绘类

传统测绘领域对精准定位的应用较为成熟，自20世纪90年代GPS测量型RTK传入我国以来，经过20多年的普及，现阶段各地测绘人员的主要测量方式均采用GNSS卫星定位测量；

在传统的测量RTK之外，便携大屏幕智能定位终端在2013年开始的全国地理国情监测项目中得到了广泛运用，作业人员可以在勘察现场获取精准位置，并结合航拍图，对原有大比例尺地图进行地物勘验和修改。

（2）管线类

管线类精准应用涵盖多个行业领域，在城市范畴内，燃气、自来水（给排水）、供电照明等细分行业均有着明显的需求；而在较大范围内的能源管道（石油、石化）、电力线路（国家电网、南方电网）也有着巨大的需求量；

管线类精准应用解决的主要问题是在短时间内快速确定某一特定管线特征点（如焊接点、泄漏点、阀门、变压器、路灯杆）的准确位置，尤其是针对安全问题敏感的地下可燃气体管线（如青岛石化爆炸事件中的天然气管线）有着显著的优势；

而由于精准定位终端一般具备蓝牙、RFID、WiFi、NFC等通信功能，可以和其他的行业专业设备（如管线探测仪）实现数据互联，并通过移动通信网络实时回传给数据中心，能够让管线行业的巡检、维修、施工作业流程实时操作实时审批，并兼具导航和指令调度的功能应用。

（3）车辆监控类

常见的车辆监控一般采用低精度定位设备（如两客一危），主要解决的是车辆在哪、行驶路线记录的问题；而精准定位下的车辆应用则可以监控更多的车辆实时状态，包括精确判断车速、油量、里程及行驶范围，实现对车辆的车道级监控（亚米级精度即可实现），满足对特定区域内（如安全要求较高的厂区、矿区）、特种车辆（如危险性物体载运车、可燃气体探测车、高等级活动环卫清扫车）的精确监控需求。

（4）水上应用类

精准定位的船舶应用除了结合航道图的导航、定向定位外，还可以结合水上测深仪完成航道疏浚、测量任务；在港口范畴内的船舶停泊精确导航（可结合自动化技术实现自动停泊）、集装箱货运的精确机械控制方面也有着很多应用案例。

（5）精准路线控制类

应用卫星精准定位实现对车辆、机械的厘米级精确路线控制在国外已经有广泛的应用，在精准农业范畴，结合自动驾驶实现全天候农机自动精确播种、收割；在道路施工范畴，实现对道路压实的精确控制；在高速铁路施工实现对轨道铺设的精确测量；

这方面的应用在国内已经开始起步，尤其集中在现代化农业生产领域的需求巨大，东北、内蒙和新疆等大农场集聚地区已有成熟的应用；在新一轮土地改革的推动下，更多的农村地区将出现土地集中使用、耕种的规模化、集约化需求，前景广阔。

（6）安全安防类

在地质灾害频发的山区、水坝，以及针对安全要求较高桥梁、高层建筑物，精准定位可以实现对刚体外形的形变、沉降监测，精度可达到毫米级别，达到全天候、实时地解算和图形化显示，在尾矿库、水库、大型桥梁、大范围地面沉降等方面已有很多成熟案例。

（7）驾驶人考试类

2013年1月1日开始执行的公安部第123号令——《机动车驾驶证申领和使用规定》，对驾驶人考试内容进行了调整，并提出了新的更加严格的要求，这对驾驶人考试研发行业是一个新的挑战，必须严格按照新部令要求，摒弃落后技术，结合卫星定位系统对车辆进行实时动态定位定姿测量，从而达到不需要在考试场地安装设备就可以精确评判的效果。

目前全国各地的驾照考试场地已经开始陆续采用精准定位实现考试结果无人介入评判，年市场容量达到了10亿量级，而各地驾校也开始实施高度模拟真实考试环境的驾驶人培训系统，将使驾驶人考试、培训市场实现进一步的增长。

（8）执法巡查类

警务、城管及市政巡查，是近几年来广泛应用米级精准定位的执法巡查领域。

结合高度加密的后台系统，警务、城管人员可以应用精准定位终端实现现场执法的查询（身份确认）、上报（实时回传）、处罚（罚单打印）、取证（图像、视频采集）等一系列执法流程；

市政巡查人员则可以结合地图数据，实现对市政物件（如井盖、垃圾桶、路灯等）和市政事件（损坏、丢失、报废等）的现场实时操作。