智慧城市与北斗卫星导航系统

· 文 |杨元喜 汤静

一、智慧城市概念与发展需求

1.智慧城市概念

全球50%以上的人口居住在城市[1]，世界上10%的人口生活在30个大都市[2]。如此多的人口聚集现代大都市——居住拥挤、交通拥堵、管理困难，甚至导致生活秩序混乱。如何使城市变得智能一些？城市更智慧需要哪些核心要素？

智慧城市来自于“智慧地球”概念[3]。“智慧地球”通过互联网将物联网整合起来，使人们能以精细和动态方式智慧化管理生产和生活。智慧城市可理解为：把传感器装备到城市生活的各种物体上，通过超级计算机和云计算实现物联网整合，智慧城市是数字城市与物联网相结合的产物，包含智慧传感网、智慧控制网和智慧安全网。

智慧城市的核心要素之一是基础设施，要求各系统和基础设施应该互连互通、优化集成，这是城市变得智能的基础。这里强调的基础设施，不是分散的基础设施，分散的系统，而是高度集成，而且是优化集成的基础设施；另一个核心要素是，智慧管理，没有智慧的管理，再优化集成的各类互联互通的信息也不会发挥职能化作用；我个人认为，智慧城市最核心的要素是服务观念，因为服务观念是提升城市智慧、各要素发挥作用的根本，没有优质的、主动的服务，智慧城市的基础设施很难发挥应有的作用，于是智慧城市的关键之一是转换和改进服务职能，实现智慧管理和智慧服务[4]。

遗憾的是，智慧城市却不包含健康概念，“智慧”的不一定是“健康”的，城市管理、城市服务也是如此。“智慧”不用于服务，“智慧”则可能有害。缺乏“智慧”的管理与“智慧”的服务，则不太可能有智慧的生活，易导致不宜居（不健康）城市。值得强调的是，“管理”比“智慧”重要，“服务”比“管理”重要。

2.智慧城市发展目的

智慧城市将大大缩短机构与机构，公众与政府之间的距离，扩展公众信息资源的利用与获取，提高信息流通的时效性、信息资源的可靠性和现势性。

“智慧”一般强调四个特点，即：科学、智能、机敏、快捷。“智慧”来自于信息，包括信息获取、信息处理、信息的综合利用、智慧决策、智慧管理和智慧服务。

建设智慧城市的基础设施不是目的，让基础设施服务于智慧生活才是目的。

3.城市宏观管理和辅助决策需求

城市宏观管理和辅助决策需要智慧，科学的决策和决策的科学都是政府执政能力和执政水平的重要体现。在信息化时代，城市多部门协同管理和决策是必然趋势。跨部门信息错综复杂，而时空信息是核心信息，也是共性信息。基于时空信息的综合服务系统将是多部门协同管理决策的核心、关键和基础。

智慧城市首先需要物联网，然后需要互联网，否则无信息可互换。物联网需要的核心信息有导航信息和测绘信息两类。导航信息包括位置、速度、时间，它们是物联网核心信息；测绘和地理信息包括周围环境（影像信息）、地理空间信息、虚拟空间信息等，是物联网的参照信息。智慧城市的构成如图1 。

>> 图1 智慧城市构成

智慧城市以空间数据基础设施为基础，包括城市概况、人口人文、市民分布、江河湖泊、环境资源、交通设施、气象信息、灾害信息、服务设施、执法机构等，通过物联网、互联网、智慧管理和智慧服务构筑而成。

城市高效、有序管理，规划、建设以及突发事件的处置，必须基于可视化的地理空间信息系统和高可靠的位置、时间系统。

二、智慧城市的时空观

1.智慧城市的时间观

时间基准不一致可能造成一些麻烦。例如，北京的一位先生给美国一位女士发信息，提议午后聊聊。可是，北京的下午1点是美国纽约凌晨2点，显然时间基准不一致。

时间就是金钱，贷款与还贷的时间系统应该统一。因此，各银行之间的时间应该统一。金融系统之间差一秒都可能造成极大损失，股票市场也如此。

独立的时间系统对城市管理非常重要。时间是追究责任的重要指标，时间也是犯罪案件侦查和分析的核心要素之一。

时间同样是安全的重要指标之一，各电网并网发电的时间同步，电网故障的排查时间同步等，都需要统一的时间系统。智慧的城市应该是基于高度时间统一的信息获取与管理。

2.智慧城市的空间观

智慧城市需要位置、需要引导、需要参照，需要测绘地理信息。例如，智慧指挥首先需要可靠的地理空间信息。在处置各类险情时，首先需要险情发生的地点、位置信息，并了解周围的关联信息。特别是突发事件的处置，如洪灾、火灾、地震的抢险，反恐维稳的快速反应，交通安全，经济安全（金融、电力、能源……）等，如果离开空间信息的支持，就很难做出科学果断的决策，也很难做出有效的处置。

三、北斗卫星导航系统发展现状

中国自20世纪80年代决策建设独立自主的卫星导航系统。2003年建成集导航、定位、授时与短报文通信于一体的北斗卫星导航试验系统，使中国成为继美国和俄罗斯之后又一个拥有独立自主卫星导航系统的国家，成为全球GNSS核心供应商之一[5][6]。

目前北斗区域卫星导航系统也已经建成，该系统由14颗卫星组成，包括5颗地球静止轨道（GEO）卫星、5颗倾斜同步轨道（IGSO）卫星、4颗中圆轨道（MEO）卫星，体制采取有源定位和无源定位相结合，并于2012年12月底正式启用，性能良好。服务区域为南北纬55°，东经55°至180 °，如图2[7]。

>> 图2 北斗系统区域服务范围

现阶段北斗运控系统由 1 个主控站、7 个A类监测站（测定卫星轨道、电离层延迟等）、22个B类监测站（完好性增强服务）和2 个时间同步上行注入站组成。

运控系统主要功能包括坐标基准测定与维持，时间基准测定与维持，卫星及地面时间同步测定系统，卫星轨道测定与预报，卫星钟差测定与预报，增强信息处理，RDSS信息处理，电离层监测、处理与预报，完好性监测与预报，导航电文上行注入与播发等。

运控系统由于采取了系列策略，运行性能良好。北斗坐标系统的精度在厘米量级，更新历元可达到毫米量级；北斗时间系统溯源于世界协调时，北斗时精度一般为10-14，稳定性一般也可达到10-14/周；卫星轨道更新周期一般为2小时，轨道测定精度优于2m，相应用户测距误差（URE）为0.2m；依据2小时的预报GEO卫星轨道相应URE约为1m；MEO和IGSO卫星的轨道预报精度略高，6小时后的URE一般在1m左右；2小时的卫星钟预报精度约为1.4ns；电离层改正率达到75%；短报文通信的响应时间小于1s，可提供120个汉字的报文通信服务。

四、北斗卫星导航系统基本性能

北斗系统区域服务基本性能如下：

1）定位精度：平面10m，高程10m；

目前，基于能量分析方法进行损伤识别研究主要用于结构工程中。但是，随着边坡地震稳定性研究的深入，能量分析方法开始被引入到边坡地震稳定性研究中。能量分析方法成为了边坡动力稳定性研究的一种发展趋势。基于能量分析方法的边坡动力稳定性常用方法主要包括Hilbert-Huang变换(HHT)、小波分析方法、时序模型方法、基于模型修正的损伤识别方法、神经网络识别方法等。

2）测速精度：0.2m/s；

3）授时精度：单向50ns；

4）短报文通信服务；

5）广域差分服务。

综合国内多个站点的定位结果，得到B1 I频点静态单点定位精度：水平优于6m，高程优于10m，三维优于11.2m（95%）。

利用数十天北斗跟踪数据对北斗卫星的导航定位精度进行了试验评估，其基本性能如图3所示。

>> 图3 北斗系统现有性能

五、北斗系统在智慧城市中的可能应用

有关部门已经开发了基于北斗卫星导航系统的大气、海洋、空间天气监测预警验证系统，可携带北斗接收机的高空探测气球，完成电离层与水气探测、海洋风浪与波动检测等。北斗还已经用于气象灾害预警信息的发送，在未来的掩星大气探测中，北斗卫星导航系统也将发挥重要作用。

中国是交通非常繁忙和拥挤的国家，交通管理方面，北斗导航与地理信息结合可以发挥重要作用，可以用于车载导航和城市交通管理。例如，利用北斗系统精确定位与测速及短报文的优势，可实时确定动态载体的瞬时位置，有效减小动态载体之间的安全距离，极大提高运行安全、运营效率和管理效率。在我国多个城市的危险运输车辆的运控系统中，已经嵌入了北斗卫星导航的定位授时等功能。

目前，中国渔民是北斗的重要用户群，北斗卫星导航系统不仅为渔船导航、定位、授时，而且提供短报文通信及其他的渔业中心管控信息传输服务，为渔民的海洋作业安全提供了强有力的支撑。

在多次重大抢险救灾活动中，北斗卫星导航系统也都发挥了极其重要的作用。如汶川地震、舟曲泥石流灾害抢险救灾等。

六、 结束语

北斗卫星导航与智慧城市的有效集成，将提高智慧城市的建设规划水平和资源监测、环境监测水平；加强卫星导航、地理信息与智能交通的集成，将提高城市智能交通管理效率；加大导航、地理信息与其他电子信息系统的集成与融合，将扩大位置服务领域，带动智慧城市的智慧物联网的应用与拓展；统筹导航地理信息产品的集成应用，将提高智慧城市安全运行（包括行业融合、信息融合）水平；完善各类导航、地理标准，将提高智慧城市建设规范；改进智慧城市服务观念，将提升智慧城市保障效能和市民的生活质量。

卫星导航、地理信息是智慧城市建设的重要支撑，发展以北斗为支撑的智慧城市应作为国家战略。发展导航及智慧城市也是国家重大经济发展策略，是国家经济发展的重要支撑。将北斗卫星导航系统与智慧城市紧密结合是应对公共安全、事故灾难、反恐维稳，提高政府决策能力的重要手段。卫星导航及智慧城市将为城市宏观管理和辅助决策提供支持。

智慧城市的行业标准是智慧城市发展的重要依据，要重视智慧城市标准的建设。如果一个城市一个标准，这样智慧城市之间的互联互通就会成为问题。应该强化服务观念，强化智慧城市的特色服务是智慧城市相关产品发展的重点，也是智慧城市理念推广的重要途径。集成导航、地理信息及其他信息技术是提高智慧城市位置服务产品适应性的重要手段。我国北斗导航及位置服务在智慧城市建设中潜力巨大，融合应用领域广阔。

当前，北斗卫星导航系统与GPS信号精度相当，北斗/GPS组合定位模糊参数固定成功率显著提高，组合定位的可靠性也显著提高。北斗卫星导航系统将促进中国智慧城市建设。目前，北斗卫星导航系统的建设水平与智慧城市建设需求可能还存在差距，相关理论、技术还需要进一步深入研究。

[1]Dirks, S., Gurdgiev, C., Keeling, M. Smarter Cities for Smarter Growth: How Cities Can Optimize Their Systems for the Talent-Based Economy. Somers,NY: IBM Global Business Services. 2010，Available at ftp://public.dhe.ibm.com/common/ssi/ecm/en/gbe03348usen/GBE03348USEN.PDF.

[2]Dobbs, R., Smit, S., Remes, J., Manyika, J., Roxburgh,C., Restrepo, A. Urban World: Mapping the Economic Power of Cities. 2011, McKinsey Global Institute.

[3]李德仁，邵振峰，杨小敏. 从数字城市到智慧城市的理论与实践，地理空间信息，2011，9（6）：1-5.

[4]Nam T, Pardo P A. Conceptualizing Smart City with Dimensions of Technology, People, and Institutions.The Proceedings of the 12th Annual International Conference on Digital Government Research, 2011,282-291.

[5]杨元喜.北斗卫星导航系统的进展、贡献与挑战，测绘学报，2010.39（1）：1-6.

[6]杨元喜，李金龙，汤静，郭海荣，何海波. 中国北斗卫星导航系统对全球PNT 用户的贡献，科学通报，2011，56（21）：1734-1740.

[7]杨元喜, 李金龙, 王爱兵, 等. 北斗区域卫星导航系统基本导航定位性能初步评估. 中国科学: 地球科学,2014，44: 1-10 .