智慧城市與北斗衛星導航系統

· 文 |楊元喜 湯靜

一、智慧城市概念與發展需求

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個大都市[2]。如此多的人口聚集現代大都市——居住擁擠、交通擁堵、管理困難，甚至導致生活秩序混亂。如何使城市變得智能一些？城市更智慧需要哪些核心要素？

智慧城市來自于“智慧地球”概念[3]。“智慧地球”通過互聯網將物聯網整合起來，使人們能以精細和動態方式智慧化管理生產和生活。智慧城市可理解為：把傳感器裝備到城市生活的各種物體上，通過超級計算機和云計算實現物聯網整合，智慧城市是數字城市與物聯網相結合的產物，包含智慧傳感網、智慧控制網和智慧安全網。

智慧城市的核心要素之一是基礎設施，要求各系統和基礎設施應該互連互通、優化集成，這是城市變得智能的基礎。這里強調的基礎設施，不是分散的基礎設施，分散的系統，而是高度集成，而且是優化集成的基礎設施；另一個核心要素是，智慧管理，沒有智慧的管理，再優化集成的各類互聯互通的信息也不會發揮職能化作用；我個人認為，智慧城市最核心的要素是服務觀念，因為服務觀念是提升城市智慧、各要素發揮作用的根本，沒有優質的、主動的服務，智慧城市的基礎設施很難發揮應有的作用，于是智慧城市的關鍵之一是轉換和改進服務職能，實現智慧管理和智慧服務[4]。

遺憾的是，智慧城市卻不包含健康概念，“智慧”的不一定是“健康”的，城市管理、城市服務也是如此。“智慧”不用于服務，“智慧”則可能有害。缺乏“智慧”的管理與“智慧”的服務，則不太可能有智慧的生活，易導致不宜居（不健康）城市。值得強調的是，“管理”比“智慧”重要，“服務”比“管理”重要。

2.智慧城市發展目的

智慧城市將大大縮短機構與機構，公眾與政府之間的距離，擴展公眾信息資源的利用與獲取，提高信息流通的時效性、信息資源的可靠性和現勢性。

“智慧”一般強調四個特點，即：科學、智能、機敏、快捷。“智慧”來自于信息，包括信息獲取、信息處理、信息的綜合利用、智慧決策、智慧管理和智慧服務。

建設智慧城市的基礎設施不是目的，讓基礎設施服務于智慧生活才是目的。

3.城市宏觀管理和輔助決策需求

城市宏觀管理和輔助決策需要智慧，科學的決策和決策的科學都是政府執政能力和執政水平的重要體現。在信息化時代，城市多部門協同管理和決策是必然趨勢。跨部門信息錯綜復雜，而時空信息是核心信息，也是共性信息。基于時空信息的綜合服務系統將是多部門協同管理決策的核心、關鍵和基礎。

智慧城市首先需要物聯網，然后需要互聯網，否則無信息可互換。物聯網需要的核心信息有導航信息和測繪信息兩類。導航信息包括位置、速度、時間，它們是物聯網核心信息；測繪和地理信息包括周圍環境（影像信息）、地理空間信息、虛擬空間信息等，是物聯網的參照信息。智慧城市的構成如圖1 。

>> 圖1 智慧城市構成

智慧城市以空間數據基礎設施為基礎，包括城市概況、人口人文、市民分布、江河湖泊、環境資源、交通設施、氣象信息、災害信息、服務設施、執法機構等，通過物聯網、互聯網、智慧管理和智慧服務構筑而成。

城市高效、有序管理，規劃、建設以及突發事件的處置，必須基于可視化的地理空間信息系統和高可靠的位置、時間系統。

二、智慧城市的時空觀

1.智慧城市的時間觀

時間基準不一致可能造成一些麻煩。例如，北京的一位先生給美國一位女士發信息，提議午后聊聊。可是，北京的下午1點是美國紐約凌晨2點，顯然時間基準不一致。

時間就是金錢，貸款與還貸的時間系統應該統一。因此，各銀行之間的時間應該統一。金融系統之間差一秒都可能造成極大損失，股票市場也如此。

獨立的時間系統對城市管理非常重要。時間是追究責任的重要指標，時間也是犯罪案件偵查和分析的核心要素之一。

時間同樣是安全的重要指標之一，各電網并網發電的時間同步，電網故障的排查時間同步等，都需要統一的時間系統。智慧的城市應該是基于高度時間統一的信息獲取與管理。

2.智慧城市的空間觀

智慧城市需要位置、需要引導、需要參照，需要測繪地理信息。例如，智慧指揮首先需要可靠的地理空間信息。在處置各類險情時，首先需要險情發生的地點、位置信息，并了解周圍的關聯信息。特別是突發事件的處置，如洪災、火災、地震的搶險，反恐維穩的快速反應，交通安全，經濟安全（金融、電力、能源……）等，如果離開空間信息的支持，就很難做出科學果斷的決策，也很難做出有效的處置。

三、北斗衛星導航系統發展現狀

中國自20世紀80年代決策建設獨立自主的衛星導航系統。2003年建成集導航、定位、授時與短報文通信于一體的北斗衛星導航試驗系統，使中國成為繼美國和俄羅斯之后又一個擁有獨立自主衛星導航系統的國家，成為全球GNSS核心供應商之一[5][6]。

目前北斗區域衛星導航系統也已經建成，該系統由14顆衛星組成，包括5顆地球靜止軌道（GEO）衛星、5顆傾斜同步軌道（IGSO）衛星、4顆中圓軌道（MEO）衛星，體制采取有源定位和無源定位相結合，并于2012年12月底正式啟用，性能良好。服務區域為南北緯55°，東經55°至180 °，如圖2[7]。

>> 圖2 北斗系統區域服務范圍

現階段北斗運控系統由 1 個主控站、7 個A類監測站（測定衛星軌道、電離層延遲等）、22個B類監測站（完好性增強服務）和2 個時間同步上行注入站組成。

運控系統主要功能包括坐標基準測定與維持，時間基準測定與維持，衛星及地面時間同步測定系統，衛星軌道測定與預報，衛星鐘差測定與預報，增強信息處理，RDSS信息處理，電離層監測、處理與預報，完好性監測與預報，導航電文上行注入與播發等。

運控系統由于采取了系列策略，運行性能良好。北斗坐標系統的精度在厘米量級，更新歷元可達到毫米量級；北斗時間系統溯源于世界協調時，北斗時精度一般為10-14，穩定性一般也可達到10-14/周；衛星軌道更新周期一般為2小時，軌道測定精度優于2m，相應用戶測距誤差（URE）為0.2m；依據2小時的預報GEO衛星軌道相應URE約為1m；MEO和IGSO衛星的軌道預報精度略高，6小時后的URE一般在1m左右；2小時的衛星鐘預報精度約為1.4ns；電離層改正率達到75%；短報文通信的響應時間小于1s，可提供120個漢字的報文通信服務。

四、北斗衛星導航系統基本性能

北斗系統區域服務基本性能如下：

1）定位精度：平面10m，高程10m；

目前，基于能量分析方法進行損傷識別研究主要用于結構工程中。但是，隨著邊坡地震穩定性研究的深入，能量分析方法開始被引入到邊坡地震穩定性研究中。能量分析方法成為了邊坡動力穩定性研究的一種發展趨勢。基于能量分析方法的邊坡動力穩定性常用方法主要包括Hilbert-Huang變換(HHT)、小波分析方法、時序模型方法、基于模型修正的損傷識別方法、神經網絡識別方法等。

2）測速精度：0.2m/s；

3）授時精度：單向50ns；

4）短報文通信服務；

5）廣域差分服務。

綜合國內多個站點的定位結果，得到B1 I頻點靜態單點定位精度：水平優于6m，高程優于10m，三維優于11.2m（95%）。

利用數十天北斗跟蹤數據對北斗衛星的導航定位精度進行了試驗評估，其基本性能如圖3所示。

>> 圖3 北斗系統現有性能

五、北斗系統在智慧城市中的可能應用

有關部門已經開發了基于北斗衛星導航系統的大氣、海洋、空間天氣監測預警驗證系統，可攜帶北斗接收機的高空探測氣球，完成電離層與水氣探測、海洋風浪與波動檢測等。北斗還已經用于氣象災害預警信息的發送，在未來的掩星大氣探測中，北斗衛星導航系統也將發揮重要作用。

中國是交通非常繁忙和擁擠的國家，交通管理方面，北斗導航與地理信息結合可以發揮重要作用，可以用于車載導航和城市交通管理。例如，利用北斗系統精確定位與測速及短報文的優勢，可實時確定動態載體的瞬時位置，有效減小動態載體之間的安全距離，極大提高運行安全、運營效率和管理效率。在我國多個城市的危險運輸車輛的運控系統中，已經嵌入了北斗衛星導航的定位授時等功能。

目前，中國漁民是北斗的重要用戶群，北斗衛星導航系統不僅為漁船導航、定位、授時，而且提供短報文通信及其他的漁業中心管控信息傳輸服務，為漁民的海洋作業安全提供了強有力的支撐。

在多次重大搶險救災活動中，北斗衛星導航系統也都發揮了極其重要的作用。如汶川地震、舟曲泥石流災害搶險救災等。

六、 結束語

北斗衛星導航與智慧城市的有效集成，將提高智慧城市的建設規劃水平和資源監測、環境監測水平；加強衛星導航、地理信息與智能交通的集成，將提高城市智能交通管理效率；加大導航、地理信息與其他電子信息系統的集成與融合，將擴大位置服務領域，帶動智慧城市的智慧物聯網的應用與拓展；統籌導航地理信息產品的集成應用，將提高智慧城市安全運行（包括行業融合、信息融合）水平；完善各類導航、地理標準，將提高智慧城市建設規范；改進智慧城市服務觀念，將提升智慧城市保障效能和市民的生活質量。

衛星導航、地理信息是智慧城市建設的重要支撐，發展以北斗為支撐的智慧城市應作為國家戰略。發展導航及智慧城市也是國家重大經濟發展策略，是國家經濟發展的重要支撐。將北斗衛星導航系統與智慧城市緊密結合是應對公共安全、事故災難、反恐維穩，提高政府決策能力的重要手段。衛星導航及智慧城市將為城市宏觀管理和輔助決策提供支持。

智慧城市的行業標準是智慧城市發展的重要依據，要重視智慧城市標準的建設。如果一個城市一個標準，這樣智慧城市之間的互聯互通就會成為問題。應該強化服務觀念，強化智慧城市的特色服務是智慧城市相關產品發展的重點，也是智慧城市理念推廣的重要途徑。集成導航、地理信息及其他信息技術是提高智慧城市位置服務產品適應性的重要手段。我國北斗導航及位置服務在智慧城市建設中潛力巨大，融合應用領域廣闊。

當前，北斗衛星導航系統與GPS信號精度相當，北斗/GPS組合定位模糊參數固定成功率顯著提高，組合定位的可靠性也顯著提高。北斗衛星導航系統將促進中國智慧城市建設。目前，北斗衛星導航系統的建設水平與智慧城市建設需求可能還存在差距，相關理論、技術還需要進一步深入研究。

[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，楊小敏. 從數字城市到智慧城市的理論與實踐，地理空間信息，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]楊元喜.北斗衛星導航系統的進展、貢獻與挑戰，測繪學報，2010.39（1）：1-6.

[6]楊元喜，李金龍，湯靜，郭海榮，何海波. 中國北斗衛星導航系統對全球PNT 用戶的貢獻，科學通報，2011，56（21）：1734-1740.

[7]楊元喜, 李金龍, 王愛兵, 等. 北斗區域衛星導航系統基本導航定位性能初步評估. 中國科學: 地球科學,2014，44: 1-10 .