交通運輸領域衛星導航增強系統應用發展研究

●文｜中國交通通信信息中心　張炳琪

?

交通運輸領域衛星導航增強系統應用發展研究

●文｜中國交通通信信息中心張炳琪

衛星導航的應用為交通運輸引導、組織、服務帶來了革命性的變化。在過去的近40年，衛星導航在交通上的應用經歷了位置參考、概略導航、精細導航三個階段。在位置參考階段，衛星導航系統獲得的位置信息可供交通工具導航參考，該階段從20世紀70年代至80年代，主要的系統是子午衛星系統，定位精度不足1km，且需要間隔1個多小時定位一次，用戶終端價格高昂，用戶量很少，但即使是這樣的定位精度和定位頻度，也極大地方便了船舶導航。在概略導航階段依靠衛星導航系統獲得的位置信息可粗略地引導交通工具，該階段從20世紀80年代中至90年代中，主要的服務系統是美國的GPS和蘇聯的GLONASS系統，民用定位精度可達百米，用戶終端價格依舊較高，用戶量較少，該階段已經開始發展車輛導航應用。在精細導航階段，可以依靠衛星導航定位信息進行道路級導航、引導車輛在復雜的路網中抵達目的地，該階段是從20世紀90年代末至今，主要的服務系統加入了我國的北斗系統，定位精度可達10m，用戶終端非常廉價，用戶數量爆發式增長，為交通出行、管理、服務帶來了很大的方便。

總結這三個階段的發展趨勢，衛星導航系統的精度越來越高、用戶數量越來越多、在交通中的作用越來越大。在當前交通領域智能化、信息化的背景下，智能駕駛、無人駕駛等先進科技快速發展，新一代的交通組織和控制蓄勢待發，對衛星導航定位提出了新的需求。預計在2020年前后，衛星導航交通應用將發展到第四個階段，即位置控制階段，定位精度將達到米級，同時對可靠性、連續性和定位頻度都提出了更高的要求，服務系統將是GPS、GLONASS、北斗、伽利略、天基增強系統、地基增強系統、慣導、地基導航系統的綜合集成。

構建位置控制階段發展環境涉及諸多方面，本文將重點討論其中最重要的支撐系統——衛星導航增強系統，分析增強系統分類、發展和趨勢，研究交通運輸領域應用需求，提出發展建議。

一、衛星導航增強系統發展趨勢分析

自衛星導航增強技術出現以來，在世界各國建設了各種類型的增強系統，近年來國內外更是掀起了建設和使用增強系統的熱潮。本文從應用角度對增強系統或服務的歸類、發展階段劃分以及發展趨勢進行討論。

1.增強系統分類

增強系統按照各種維度可以分為不同種類，例如，按照播發鏈路的不同，可以分為天基增強系統和地基增強系統，按照服務范圍可以分為廣域增強系統和區域增強系統。本文從應用服務角度出發，將增強系統分為臨時服務系統和永久服務系統，其中永久服務系統又可以分為專用系統、專業公共服務系統、通用公共服務系統和商業服務系統。目前在北斗系統工程中建設的北斗地基增強系統屬于通用公共服務系統，在此基礎上交通運輸部門需要構建專業公共服務系統。以下將分別討論各類系統的特點。

臨時服務系統：是針對臨時性、小范圍的高精度定位需求，單位或個人臨時建設的差分系統，短時間服務于小范圍的特定用戶。優勢在于方便靈活，可以在沒有永久服務系統的情況下實現高精度定位。缺點在于系統建設成本較高，需要架設臨時基準站，服務質量不容易保證。臨時系統在增強系統發展初期得到了大量應用。

永久服務系統：是針對某些應用建設的永久性服務系統，細分的四類永久服務系統特點如下：

①專用系統：單位或個人建設的“永久”差分系統，只服務于特定用戶。如大壩監控、港口作業、農業。特點是應用單一，運行維護成本高，綜合效益差。

②專業公共服務系統：政府或公共服務機構建設的面向某類應用的系統，提供開放服務。我國建設的沿海差分系統、美國的WAAS（廣域增強系統）等是面向交通的公共服務系統。

③通用公共服務系統：政府或公共服務機構建設的可以滿足多種應用的增強系統。如IGS服務（國際全球衛星導航服務），德國SAPOS（德國衛星定位與導航服務）系統，日本的QZSS系統（準天頂衛星系統）。

④商業服務系統：面向某類高附加值、對服務質量要求較高的應用，由商業公司提供有償服務。如星火（Starfire）等系統，主要面向精準農業、海洋測繪等應用提供收費的增強服務。

2.發展階段劃分

增強系統隨著衛星導航高精度定位技術不斷發展，不同類型的增強系統面向不同的應用需求。按照建設時間和系統特點可以分為三個階段：

第一階段為初步發展期。從20世紀90年代初出現了面向局部高精度應用的單站差分增強系統，這個階段多以臨時服務系統的形式存在。

第二階段為面向各專業應用的獨立發展階段。20世紀90年代中期開始出現面向某一應用方向服務的專業永久增強系統，為特定行業提供專業服務。各系統間相互獨立發展，典型代表為美國的WAAS等增強系統。

第三階段為資源共享、融合發展階段。近幾年來，國外建設的增強系統多具有綜合服務功能。如歐洲EGNOS系統（歐洲自主建設的第一個衛星導航系統）不僅提供天基的增強服務，還可以通過企業級分布式應用服務（EDAS）功能利用地面通信資源播發增強信息，以滿足不同應用的需求。

3.發展趨勢分析

目前，國內外衛星導航增強系統的發展已經進入第三階段，比較顯著的發展趨勢如下：

①基礎融合：基礎設施方面，基準站是所有差分增強系統的基礎，世界各國均推動基準站的共用共享，包括各行業間和各國間；數據產品方面，衛星導航系統狀態、精密軌道、精密鐘差、電離層格網等產品具有通用性，可以在增強系統間共享。歐洲的SAPOS和EGNOS在基礎融合方面做了很好的嘗試。

②產品細分：各應用領域對增強服務的需求不盡一致，需要在基礎融合的前提下，發展細分的增強服務產品。如日本QZSS系統可以播發多種差分信息和通信信息，實現從米級至厘米級的定位，還可以實現地震等自然災害預警。隨著衛星導航在智能駕駛和物聯網等方面的深入應用，將會產生出更多的增強信息產品。

③服務多樣：美歐現有的增強系統在服務多樣化方面進行了很好的嘗試，并取得初步成功。現有的增強服務包括公益服務、商業服務、全球服務、區域服務、天基服務、地基服務等，以滿足不同用戶的多種應用需求。

④應用普及：近年來國際主流導航型芯片紛紛增加增強輔助功能，定位精度和定位收斂速度不斷提高。隨著增強服務的普及，未來增強應用將不再是少數專業接收機的特有功能。

交通運輸衛星導航增強系統的應用和發展應該符合上述趨勢。

二、交通運輸領域衛星導航增強應用需求

1.應用需求綜合分析

衛星導航在道路運輸、水路運輸、公路基礎設施建設和公眾交通等領域對衛星導航增強服務的應用需求主要包含以下四類：

（1）1～2m級精度增強服務需求

船舶監控與導航、車輛監控與導航、公路養護和公眾交通出行等應用均需1～2m級的精度增強服務，且該類服務要求覆蓋主要內河、沿海和公路，實時性要求也比較高。用戶包含營運車輛、乘用車輛、養護車輛及手機用戶，預計用戶規模將達到億級。

（2）分米級精度增強服務需求

航道測量、航道疏浚、沿海船舶進港、車輛碰撞、事故調查、施工機械控制應用等均需提供分米級的高精度導航增強服務，根據應用的范圍確定覆蓋區域，且需要具備一定的實時性。分米級高精度導航位置需求發展迅速，涉及領域眾多，用戶規模將達到百萬級。

（3）厘米級、毫米級精度增強需求

厘米級、毫米級精密定位服務主要面向交通基礎設施建設工程前期測量、橋梁邊坡形變監測、大型施工機械精密控制、駕駛員培訓等應用領域，對實時性和可用性有較高的要求。厘米級實時精密定位服務初步針對固定的用戶群，隨著經濟和社會的快速發展，用戶規模會達到十萬級。

（4）完好性增強服務需求

交通行業在生命財產安全方面具有其特殊性，地基增強系統不僅僅只考慮精度增強，還需要考慮完好性增強。在主要的交通導航應用中，船舶避碰告警、船舶進港引航、車輛碰撞預警和交通基礎設施監測等對完好性均有相應的要求。

2.應用特點分析

與測繪、精準農業等應用相比，交通運輸領域衛星導航增強應用有較強的特殊性，主要反映在用戶規模、應用模式、使用范圍和可靠性要求等方面。

首先，交通用戶規模巨大，如在手機用戶中推廣增強應用則用戶量更加巨大。這一特點要求增強服務系統具有很強的處理能力，能夠應對千萬級甚至億級規模用戶的服務。

其次，交通領域衛星導航增強應用模式多種多樣，包括公眾應用、企業應用和政府應用，各自的需求和價格敏感程度差異較大，需要根據各種細分市場提供多樣化的服務產品。

再次，應用范圍方面，交通運輸具有流動性大，使用范圍廣等特點，要求在各省市、各公路、主要水路等主要交通應用領域均有一致的增強服務，這對增強服務的播發手段和覆蓋范圍具有較高的要求。

最后，可靠性方面，交通運輸涉及到公路收費、違章處理等管理性應用，甚至涉及未來的無人駕駛等應用，對增強服務的精度和可靠性要求很高，需要增強系統具有穩定可靠的服務能力。

三、交通運輸領域衛星導航增強系統應用發展思路

面向交通運輸領域高精度定位應用需求，應在國家相關基礎設施的基礎上，利用良好的基準站資源，結合交通運輸應用需求特點，提供細分的導航增強服務和數據產品，為公路和水路交通運輸用戶提供專業的衛星導航增強服務。發展思路如下：

（1）聚焦行業特點，打造專業服務

交通運輸對于衛星導航增強服務的需求具有用戶量巨大、可靠性高的特點，涉及安全生產和安全監管，關乎社會安全和人民群眾生命安全，需要高質量、高可信的衛星導航增強服務。這就要求交通運輸增強服務必須從專業角度出發，做好頂層設計，突出用戶專業需求，充分考慮用戶規模、用戶對成本的接受能力等因素，建設專業系統，打造專業服務。

（2）發布標準規范，推動業務化運行

研究制定并發布交通運輸衛星導航增強應用系列標準規范，確保系統建設、日常運維、運營服務等環節的標準化和規范化。要充分結合交通運輸各個領域的業務化運行特點與需求，以標準規范的形式，推動北斗增強服務與交通業務結合的持續性和深入性。

（3）倡導免費服務，鼓勵增值運營

作為交通運輸領域的關鍵基礎設施，應倡導增強數據和輔助定位免費服務，同時鼓勵開展高精度位置服務增值運營，推動相關服務產業發展，反哺系統的日常運維和升級換代，保持系統的生命力，確保系統可持續發展。

四、結論

“十三五”期間位置應用將從“精細導航”階段升級為“基于位置的控制”階段，衛星導航增強系統提供的高精度定位能力和完好性告警能力是構建位置控制服務的關鍵基礎。在我國已有增強服務基礎設施的基礎上，應遵循增強服務的發展規律，建設專用的增強服務系統，發布標準規范，盡快形成功能完善、性能一致、覆蓋全國的交通增強服務。