北斗技術(shù)的差異化應(yīng)用

楊恒 中國(guó)電信股份有限公司北京研究院定位技術(shù)與應(yīng)用產(chǎn)品線總監(jiān)，高級(jí)工程師

謝鑫 中國(guó)電信股份有限公司北京研究院工程師

北斗技術(shù)的差異化應(yīng)用

楊恒 中國(guó)電信股份有限公司北京研究院定位技術(shù)與應(yīng)用產(chǎn)品線總監(jiān)，高級(jí)工程師

謝鑫 中國(guó)電信股份有限公司北京研究院工程師

北斗系統(tǒng)是中國(guó)自主發(fā)展的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，兼有定位和通信特性。北斗技術(shù)在民用領(lǐng)域發(fā)展過(guò)程中需要考慮和GPS技術(shù)的差異化。本文重點(diǎn)分析了北斗在中國(guó)境內(nèi)的短報(bào)文數(shù)傳技術(shù)、高精度定位技術(shù)和其與通信網(wǎng)相結(jié)合方面的差異化優(yōu)勢(shì)及應(yīng)用場(chǎng)景。

北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng) 短報(bào)文 偽距單點(diǎn)定位 通信網(wǎng)輔助北斗定位

1 引言

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BeiDou（COMPASS）Navigation Satellite System）是我國(guó)自行研制的第一個(gè)全球衛(wèi)星導(dǎo)航與通信系統(tǒng)，是繼美國(guó)GPS和俄羅斯GLONASS之后全球第三個(gè)成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，已初步具備亞太地區(qū)的導(dǎo)航、定位與授時(shí)服務(wù)能力。

除了對(duì)國(guó)家安全有重要意義以外，北斗技術(shù)在民用領(lǐng)域發(fā)展過(guò)程中，面臨著和GPS等成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的競(jìng)爭(zhēng)。GPS系統(tǒng)已經(jīng)運(yùn)行多年，芯片成熟度高，價(jià)格便宜，已經(jīng)形成了完整的產(chǎn)業(yè)生態(tài)環(huán)境。如果北斗系統(tǒng)沒(méi)有明顯的差異化發(fā)展方式，則將在和GPS的競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)劣勢(shì)，并影響其在應(yīng)用中的推廣。因此，尋找適合北斗特色技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景，是推動(dòng)北斗應(yīng)用發(fā)展的重點(diǎn)方向。

和在中國(guó)境內(nèi)的GPS服務(wù)相比較，北斗系統(tǒng)在短報(bào)文數(shù)傳技術(shù)、高精度定位技術(shù)和其與通信網(wǎng)相結(jié)合方面有一定的優(yōu)勢(shì)。本文將圍繞這3方面的差異化優(yōu)勢(shì)，闡述中國(guó)電信在北斗應(yīng)用上的研究和探索。

2 短報(bào)文技術(shù)在漁信E通中的應(yīng)用

中國(guó)海域遼闊，海岸線達(dá)1.8萬(wàn)公里，海洋漁業(yè)水域面積300多萬(wàn)平方公里，從業(yè)漁民1000多萬(wàn)人，擁有海洋漁業(yè)船舶約28萬(wàn)多艘，其中20～200馬力的小漁船10萬(wàn)艘左右。這些漁船工作在移動(dòng)通信網(wǎng)覆蓋區(qū)域之外，沒(méi)有安裝價(jià)格昂貴的海事衛(wèi)星終端，當(dāng)其遇到危險(xiǎn)時(shí)的報(bào)警求救、定位救援時(shí)需要一種低價(jià)的定位通信手段，北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的短報(bào)文技術(shù)是滿足該需求的不二選擇。

2.1 北斗短報(bào)文數(shù)傳技術(shù)

和GPS系統(tǒng)相比，北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)特有點(diǎn)對(duì)點(diǎn)雙向數(shù)據(jù)傳輸方式。它是一種數(shù)據(jù)報(bào)告方式，以數(shù)據(jù)包的形式傳輸，一般用戶一次最多可發(fā)送40～60個(gè)字的短報(bào)文信息。測(cè)站終端發(fā)送采用碼分多址直接擴(kuò)頻序列調(diào)制，擴(kuò)頻偽碼采用周期偽隨機(jī)序列，發(fā)送頻率為L(zhǎng)波段，通過(guò)衛(wèi)星轉(zhuǎn)換為C波段由地面站接收，由中心站處理后發(fā)到衛(wèi)星，再經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)換為S波段由測(cè)站終端或指揮型終端接收，完成一次點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信。反向發(fā)送過(guò)程亦然。測(cè)站型終端和指揮型終端的最大區(qū)別在于前者只能鎖定在一個(gè)波束上，而后者可以同時(shí)鎖定所有波束，發(fā)送信息時(shí)也是如此，前者每次只能在單波束上發(fā)送，后者則可以同時(shí)在所有波束上發(fā)送。中國(guó)電信衛(wèi)星公司已經(jīng)建立了北斗短報(bào)文定位服務(wù)平臺(tái)。

2.2 漁信E通業(yè)務(wù)

為了適應(yīng)國(guó)際漁業(yè)管理趨勢(shì)，樹立我國(guó)負(fù)責(zé)任漁業(yè)的良好形象，提高我國(guó)遠(yuǎn)洋漁業(yè)管理水平，確保漁船海上航行和生產(chǎn)作業(yè)安全，農(nóng)業(yè)部要求對(duì)所有遠(yuǎn)洋漁船分期分批實(shí)施船位監(jiān)測(cè)。為了支撐農(nóng)業(yè)部的管理要求，為漁民在遠(yuǎn)離陸地移動(dòng)通信網(wǎng)覆蓋的海域里提供通信、定位、救援等服務(wù)，中國(guó)電信開發(fā)了漁信E通業(yè)務(wù)，并已經(jīng)在福建、山東、江蘇等地實(shí)施推廣，發(fā)展用戶超過(guò)20萬(wàn)戶。

中國(guó)電信的漁信E通業(yè)務(wù)系統(tǒng)將作業(yè)漁船分為沿岸、近海、外海作業(yè)船舶，采用短波、超短波、CDMA、衛(wèi)星等不同通信手段結(jié)合實(shí)現(xiàn)對(duì)漁船的應(yīng)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(fā)布、報(bào)警處置、海上救助調(diào)度指揮和漁船信息查詢管理等功能（見(jiàn)圖1）。漁信E通業(yè)務(wù)系統(tǒng)利用北斗短報(bào)文通信和北斗定位技術(shù)，構(gòu)建了一個(gè)海天地一體化的北斗衛(wèi)星海洋漁業(yè)綜合信息服務(wù)網(wǎng)絡(luò)，該系統(tǒng)一方面可為漁業(yè)管理部門提供漁船船位監(jiān)控、漁船緊急救援指揮、漁業(yè)政策發(fā)布、海上臺(tái)風(fēng)通行等服務(wù)；另一方面也可為海上漁業(yè)生產(chǎn)作業(yè)者提供自主導(dǎo)航、遇險(xiǎn)求救；同時(shí)，中國(guó)電信還打通了北斗短報(bào)文和手機(jī)短信直接的接口，可以實(shí)現(xiàn)手機(jī)和北斗終端之間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信服務(wù)。

3 北斗高精度定位在車輛調(diào)度中的應(yīng)用

中國(guó)地域遼闊，2013年車輛擁有量已經(jīng)達(dá)到1.37億，每年新增車輛超過(guò)1400萬(wàn)部。同時(shí)，中國(guó)鐵路運(yùn)營(yíng)里程超過(guò)11.2萬(wàn)公里。汽車和火車機(jī)車的運(yùn)營(yíng)管理需要一種可靠的定位技術(shù)。目前，GPS定位技術(shù)占據(jù)了車輛定位的絕大部分市場(chǎng)，但隨著北斗高精度定位基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，車輛調(diào)度也出現(xiàn)了高精度定位的應(yīng)用場(chǎng)景。

3.1 北斗高精度定位技術(shù)

北斗高精度位置服務(wù)基于北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)，通過(guò)地面通信系統(tǒng)或衛(wèi)星播發(fā)導(dǎo)航信號(hào)修正量和輔助定位信號(hào)，實(shí)現(xiàn)北斗的高精度導(dǎo)航定位服務(wù)，向用戶提供精密導(dǎo)航定位服務(wù)，以及大眾終端輔助增強(qiáng)服務(wù)。北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)以北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)為主，兼容其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在系統(tǒng)初始化時(shí)間更快、穩(wěn)定性更高、可快速實(shí)現(xiàn)高精度定位3個(gè)方面。

為得到更高的定位精度，通常采用差分技術(shù)：將一臺(tái)接收機(jī)安置在基準(zhǔn)站上進(jìn)行觀測(cè)，根據(jù)基準(zhǔn)站已知精密坐標(biāo)，計(jì)算出基準(zhǔn)站到衛(wèi)星的距離改正數(shù)，并由基準(zhǔn)站實(shí)時(shí)將這一數(shù)據(jù)發(fā)送出去。用戶接收機(jī)在進(jìn)行觀測(cè)的同時(shí)，也接收到基準(zhǔn)站發(fā)出的改正數(shù)，并對(duì)其定位結(jié)果進(jìn)行改正，從而提高定位精度。

根據(jù)差分基準(zhǔn)站發(fā)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(zhǔn)站發(fā)送改正數(shù)，由用戶站接收并對(duì)其測(cè)量結(jié)果進(jìn)行改正，以獲得精確的定位結(jié)果。所不同的是，發(fā)送改正數(shù)的具體內(nèi)容不一樣，其差分定位精度也不同。其中，偽距差分是應(yīng)用最廣的一種差分。偽距差分基準(zhǔn)站觀測(cè)所有衛(wèi)星，根據(jù)基準(zhǔn)站已知坐標(biāo)和各衛(wèi)星的坐標(biāo)，求出每顆衛(wèi)星每一時(shí)刻到基準(zhǔn)站的真實(shí)距離，再與測(cè)得的偽距比較，得出偽距改正數(shù)，并將其傳輸至用戶接收機(jī)，提高定位精度。這種差分技術(shù)能得到米級(jí)的定位精度。為北斗差分定位與普通北斗定位效果對(duì)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(jí)）標(biāo)定軌跡。

圖1 漁信E通平臺(tái)操作界面

3.2 車輛調(diào)度的高精度應(yīng)用場(chǎng)景

由中國(guó)電信北京研究院自主研發(fā)的北斗高精度位置服務(wù)系統(tǒng)能夠?yàn)楦餍袠I(yè)客戶提供北斗高精度位置服務(wù)，其中，以亞米級(jí)位置服務(wù)為主。主要優(yōu)勢(shì)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(duì)于傳統(tǒng)的專業(yè)測(cè)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(shí)現(xiàn)高精度定位的解決方案，便于北斗高精度應(yīng)用的規(guī)模推廣。

目前，中國(guó)電信的北斗高精度定位系統(tǒng)已經(jīng)在北京某區(qū)的公交汽車調(diào)度系統(tǒng)上試點(diǎn)，為50臺(tái)公交汽車提供高精度定位調(diào)度服務(wù)，實(shí)現(xiàn)公交汽車的車道級(jí)定位跟蹤和調(diào)度能力，為公交的精細(xì)化管理探索經(jīng)驗(yàn)。另外，中國(guó)電信北斗高精度定位系統(tǒng)正在鐵路機(jī)車上進(jìn)行試點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)鐵路機(jī)車在車輛編組站內(nèi)車道級(jí)的調(diào)度監(jiān)控能力。

4 通信網(wǎng)輔助的北斗定位應(yīng)用

移動(dòng)網(wǎng)輔助衛(wèi)星定位技術(shù)是指通過(guò)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通道來(lái)傳遞衛(wèi)星定位輔助信息，從而獲得移動(dòng)終端位置的定位技術(shù)。中國(guó)電信在通信網(wǎng)輔助衛(wèi)星定位技術(shù)上經(jīng)驗(yàn)豐富，目前運(yùn)營(yíng)著國(guó)內(nèi)唯一大規(guī)模商業(yè)的通信網(wǎng)輔助定位系統(tǒng)——gpsOne定位平臺(tái)。

gpsOne定位能力平臺(tái)由MPC、PDE和WARN組成。MPC為gpsOne移動(dòng)定位中心，負(fù)責(zé)提供精定位請(qǐng)求的接入和管理；PDE是精定位定位實(shí)體，PDE根據(jù)移動(dòng)終端所處環(huán)境的不同，選擇A-GPS、AFLT或Cell ID方式計(jì)算移動(dòng)終端的位置信息確定移動(dòng)終端位置。當(dāng)收到MPC的位置請(qǐng)求時(shí)，PDE與MSC、BSC以及MS等相關(guān)設(shè)備交換信息，利用各種測(cè)量信息和數(shù)據(jù)通過(guò)特定的算法完成具體的定位計(jì)算，并將最后的計(jì)算結(jié)果報(bào)告給MPC；廣域參考網(wǎng)（WARN）由若干個(gè)WARN站組成，負(fù)責(zé)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)上空GPS衛(wèi)星數(shù)據(jù)，分布在全國(guó)各地。

和移動(dòng)終端上純衛(wèi)星定位技術(shù)相比較，通信網(wǎng)輔助的衛(wèi)星定位技術(shù)優(yōu)勢(shì)主要有兩點(diǎn)：一是減小終端搜星時(shí)間；二是采取了平臺(tái)定位計(jì)算的方式，使得定位平臺(tái)可以知道終端的精確位置。從移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，目前Wi-Fi+基站的混合定位方式已經(jīng)得到大規(guī)模的應(yīng)用，而混合定位的時(shí)延非常小，已經(jīng)能滿足終端快速定位的需求。所以，未來(lái)通信網(wǎng)輔助北斗定位技術(shù)將體現(xiàn)在平臺(tái)監(jiān)控的應(yīng)用場(chǎng)景中。

圖2 北斗差分定位與普通北斗定位效果對(duì)比

通信網(wǎng)輔助北斗定位系統(tǒng)要求終端、操作系統(tǒng)、芯片和定位平臺(tái)之間相互操作，所以終端、網(wǎng)絡(luò)必須嚴(yán)格執(zhí)行統(tǒng)一的定位技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。目前，通信網(wǎng)輔助的北斗定位標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)完成，但在系統(tǒng)建設(shè)和終端入網(wǎng)測(cè)試方面還需做進(jìn)一步的努力。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文討論了北斗和GPS系統(tǒng)相比的差異化技術(shù)和應(yīng)用場(chǎng)景，分析了北斗短報(bào)文數(shù)傳技術(shù)、高精度定位技術(shù)、通信網(wǎng)輔助定位技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景，為規(guī)模推廣北斗應(yīng)用進(jìn)行了研究和探索。

1 楊元喜.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的進(jìn)展、貢獻(xiàn)與挑戰(zhàn).測(cè)繪學(xué)報(bào).2010

2 中國(guó)電信.中國(guó)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(shù).電子工業(yè)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）