北斗導航助力時空大數據實現精準位置服務

文｜楊力 袁蕊

一、時空大數據面臨的挑戰

時空大數據是以地球為對象，基于統一時空基準的、與位置直接或間接相關聯的地理要素（或現象）信息的數據，也稱為地理空間信息數據。主要體現在時空基準數據、軌跡數據、遙感數據、地圖數據和媒體數據，具有時間維（T）、空間維（S）和屬性維（D）等多維特征。

1.時空大數據的三大革命

面對信息爆炸的大數據時代，如何高效使用時空大數據，數據挖掘面臨著新的使命和挑戰。

第一，數據采集大多以不同傳感器而獲取感知，數據融合帶來困難。感知地理空間信息的手段在不斷發展，已經從傳統測量儀器的信息獲取發展到多傳感器為代表社會感知，如攝像頭、導航儀、遙感、互聯網、穿戴設備、RFID、WiFi等等，信息多樣會帶來標準不一、尺度不一、精度不一，于是信息融合面臨挑戰。

第二，海量數據的雜亂無章，以云計算為代表的數據分析與挖掘成為主流。感知社會的數據雜亂無章，如何形成有序的地理空間信息，就要利用計算機技術別名分類，建立多維動態實時GIS數據模型，實現時空表達管理的智能化、動態化，利用云計算技術實現數據分析和挖掘，地理空間分析從二維到三維，動態發展到四維空間特征，讓無序的海量數據實時有序表達與可視化。

第三，以智慧城市為代表的精準服務，使得城市更加智能和動態。時空大數據與云平臺建設同城市經濟社會發展的目標愿景相契合，與民眾關注需求、城市發展相呼應，智能交通、智慧社區、智慧醫療、智能電網等都需要精準位置的智能服務，讓時空大數據在智慧城市建設中應用好才能達到智慧城市的初衷，同時智慧化應用的發展對時空大數據提出新的要求：第一，統一的時空基準；第二，精確的位置服務；第三，動態的實時服務；第四，可靠的安全服務；第五，服務的可持續性。

2.時空大數據的發展需要高精度時空基準

近年來隨著互聯網位置服務和共享經濟興起，時空信息服務已經深入到人類生產生活的各個領域，北斗導航功能逐漸成為車載導航和智能手機終端的標配，跟用水用電一樣不可或缺。在共享單車行業中，摩拜、ofo等都需要精準的位置服務，通過電子圍欄技術解決亂停車的問題。未來人工智能時代的自動駕駛、無人機、機器人等新興行業更離不開精準時空服務，北斗導航是時間、空間數據感知獲取的重要手段，北斗高精度定位為公共服務提供精準位置，北斗短報文功能則提供了覆蓋全球的通信渠道。基于時空信息與大數據的融合所形成的“精準時空大數據”， 全面構建一個在任何時間、任何地點都能提供精準時空信息的大數據服務體系，從而培育“北斗時空+共享經濟”的位置服務新業態，為提供高精度的厘米級的定位服務以及空間信息服務，共享單車、無人駕駛等新產業獲得了技術支撐。

目前，北斗時空大數據共享服務平臺，推進了在個人位置服務、城市公共管理以及新一代平安城市等領域的應用。通過創新與融合發展，形成一個多源感知、全面共享的智能信息生態系統，助推人類邁向更美好、更智慧的生活。

二、發展北斗構建精準時空基準

1.建設北斗衛星導航系統的背景

20世紀60年代中期，美國和蘇聯相繼發展衛星無線電導航業務（RNSS），90年代初期，建成了第二代衛星無線電導航系統GPS和GLONASS，并實現了全球范圍內的高精度、連續定位服務。其中，美國GPS系統在海灣戰爭等局部戰爭中發揮了重要作用。同時，在民用領域應用空間巨大，引起世界各國高度重視，研究和應用GPS的熱潮風生水起。

上世紀80年代，根據國防和軍隊建設需求，我國軍事測繪導航主管部門開始將衛星導航定位理論及應用列為重點攻關方向，啟動衛星導航定位系統的論證研究工作，陳芳允院士提出了利用兩顆地球同步衛星進行導航定位的構想，即“雙星定位”理論，為北斗系統工程建設奠定了基礎。隨著國民經濟建設飛速發展，交通運輸、農林牧漁、通信、電子、金融等行業都對衛星導航應用具有強烈需求，于是電力、金融證券和移動通信等重要領域采用了GPS的授時系統。但是，在涉及國家安全和經濟命脈的領域中應用國外衛星導航定位系統將存在嚴重安全隱患，一旦出現緊急情況或重大利益沖突，“授時”“定位”服務將受到掣肘，甚至脅迫，沒有自主可控的時間基準，將導致金融、電力等系統工作混亂甚至癱瘓，沒有自主可靠的精確位置，將使精確打擊成為空話。因此，我國必須建立獨立自主的衛星導航定位系統。

為滿足國家安全、經濟建設、科技發展和社會進步等方面的需求，維護國家權益，增強綜合國力，以“雙星定位”理論為基礎，國家開始有組織地研究中國北斗導航試驗系統的建設以及技術攻關。根據當時國家經濟建設的實際情況，統籌經費來源，1994年批準立項我國第一代衛星導航系統—“雙星定位工程”，2000年建成了無線電測定衛星定位系統（RDSS），并以“北斗”來命名，逐步確立了以實現區域衛星導航為起點，以最終建設全球導航系統為目標的“三步走”發展戰略。

2.建設北斗導航系統的步驟

結合國情，提出并實施北斗衛星導航系統建設規劃任務后，在系統建設的實踐中逐漸形成并科學合理地制定了“三步走”戰略發展規劃，循序漸進、邊建邊用，從無到有、從區域到全球。

第一步，區域有源導航系統，即“北斗一號”衛星導航定位系統。這是中國自主研發，利用地球同步衛星為覆蓋中國和周邊地區的用戶提供全天候的衛星導航定位服務，一是解決了我國有無自主衛星導航系統的問題，二是為后續建設全球性系統積累經驗。

第二步，區域無源導航系統。2004年，我國啟動“北斗二號”導航系統；2007年4月，第一顆試驗衛星發射成功；至2012年底，正式開通運行了由14顆衛星組網的覆蓋亞太地區的“北斗二號”系統，解決亞太地區無源定位、導航和授時應用問題，同時兼顧“北斗一號”的特點和優勢，被聯合國確定為全球衛星導航系統四大核心供應商之一，躋身世界衛星導航強國。

第三步，全球衛星導航系統。2009年，啟動全球衛星導航系統“北斗三號”建設；預計到2018年底，為“一帶一路”沿線及周邊國家提供服務；到2020年，將建成由30多顆衛星組成的全球衛星導航系統，提供覆蓋全球的高精度、高可靠的定位、導航和授時服務，并實現與美國GPS、俄羅斯GLONASS等衛星導航系統并駕齊驅、兼容互操作，完成我國北斗衛星導航系統建設的第三步戰略。

3.建設北斗全球系統

“北斗三號”衛星導航系統其建設目標是為全球的“北斗三號”用戶提供陸、海、空導航定位服務，促進衛星定位、導航、授時服務功能的應用，為航天用戶提供定位和軌道測定手段，滿足武器制導的需要，滿足導航定位信息交換的需要。服務方式有兩種，即開放服務和授權服務。開放服務是在服務區中免費提供定位、測速和授時服務；授權服務是向授權用戶提供更安全的定位、測速、授時和通信服務以及系統完好性信息。

2009年，“北斗三號”系統建設啟動。經過幾年時間，完成了“北斗三號”的所有核心技術攻關與地面驗證，發射了5顆試驗衛星，完成了在軌驗證。2017年11月5日，在西昌衛星發射中心成功發射兩顆“北斗三號”衛星，標志著北斗步入全球組網新時代。2018年12月27日，由19顆衛星構成的北斗三號基本系統完成建設，開始提供全球服務。到2020年，將完成30多顆“北斗三號”衛星的全球組網建設。

與“北斗二號”相比，目前性能指標大幅提升，功能也得到顯著增強，衛星組網從區域走向了全球，在載荷、星間鏈路、激光通信等方面都有創新，并且還增加了衛星搜救功能及全球位置報告功能。增加了性能更優、與世界其他衛星導航系統兼容性更好的信號B1C和B2a，按照國際標準提供星基增強服務（SBAS），同時，配置了更高性能的銣原子鐘和氫原子鐘，銣原子鐘天穩定度為E-14量級，氫原子鐘天穩定度為E-15量級。新技術使“北斗三號”的性能得到大幅提升，保留了“北斗二號”短報文功能，定位精度在“北斗二號”的基礎上提升1～2倍，達到2.5～5米的水平，空間信號精度（SIS）優于0.5米；衛星設計壽命提升至10～12年，首次提出“保證服務不間斷”的指標；首次配置了相控陣星間鏈路，解決了境外監測衛星的難題；在世界上首次實現了衛星的在軌自主完好性監測功能，對民航、自動駕駛等生命安全領域用戶來說具有極強的實用價值，全新的導航信號體制和強大的在軌重構功能也將極大地提升用戶體驗。

新時代北斗發展藍圖是構建國家綜合PNT體系建設，就是以北斗衛星導航系統為核心，建成天地一體、覆蓋無縫、安全可信、高效便捷的國家綜合PNT體系，顯著提升國家時空信息服務能力，滿足國民經濟和國家安全需求，為全球用戶提供更為優質的服務。

三、北斗助力發展精準智慧服務

導航定位是衛星導航系統提供的基本服務，北斗系統的導航服務可以分為基本導航服務、差分導航服務和精密定位服務。

衛星定位服務精度

基本導航服務分為RDSS和RNSS兩種模式，RDSS定位一般為100米左右，在有標校站的地區會提高到20米；目前，在重點服務區內單頻RNSS定位精度優于10米，雙頻RNSS定位精度在5～7米。測速精度優于0.2米／秒，單向授時精度為50納秒，雙向授時精度為10納秒，授權服務是為用戶提供更高性能的定位、導航和授時服務，如精密測距碼PRM精度可以達到米級。

差分導航服務是在基本導航服務基礎上提供的一種精度增強服務，主要是基于地面差分站修改誤差而改善精度，因差分服務作用局域分為局域差分和廣域差分。北斗全球系統為授權RNSS用戶提供星基增強導航服務，定位精度可以達到米級。

精密定位服務是為測量用戶提供的一種應用。精密定位可以分為精密單點定位、相對定位和差分定位。北斗精密單點定位精度：水平2～4厘米，高程5～6厘米，北斗和GPS 組合后會提高收斂時間。北斗相對定位精度：水平為2.5mm＋0.5ppm×D，高程5 mm＋0.5 ppm×D；差分定位分為RTK和網絡RTK。北斗雙頻RTK精度：水平為10 mm＋1 ppm×D，高程為15 mm＋1 ppm×D（D代表邊長）。北斗地基增強系統實質上是對網絡RTK系統進一步的優化，還可以為用戶提供完好性指標，定位精度和GPS 的CORS系統相當，與GPS組合定位時，模糊度解算的固定率和可靠性均顯著提高。

衛星導航系統服務于眾多國民經濟領域，帶來巨大經濟利益的助推器。目前，北斗系統已經廣泛應用于交通、海事、電力、民政、氣象、漁業、測繪、礦產、公安、農業、林業、國土、水利、金融等行業領域。

北斗衛星導航系統作為國家重要的空間信息基礎設施，是國家的戰略性新興產業，可促進產業結構調整和發展方式的轉變，帶動新一代信息技術產業、高端制造、現代服務業等戰略性新興產業的發展。時空大數據與云平臺在獲取城市時空信息后，通過信息整合，可為智慧服務提供一致性的時空信息服務，而北斗導航數據的加入，可為時空信息提供位置基準，為智慧服務提供位置更為精準的時空信息。