北斗綜合信息服務技術應用思考

◎戰(zhàn)略支援部隊信息工程大學 陳明劍

2019年11月15日，在長沙舉辦的第十九期錢學森論壇上，戰(zhàn)略支援部隊信息工程大學陳明劍教授作了題為《北斗綜合信息服務技術應用思考》的主題報告，深入分析了北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀、信息服務、產(chǎn)業(yè)化應用及發(fā)展趨勢。本文由《網(wǎng)信軍民融合》雜志根據(jù)現(xiàn)場演講整理。

一、北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的發(fā)展

衛(wèi)星導航系統(tǒng)是國家重大空間基礎的支撐，是國防安全的重要支撐，也是國際戰(zhàn)略博弈的重點。同時，也是國家經(jīng)濟社會發(fā)展的主要支撐，受到高度關注。全球主要衛(wèi)星導航系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀如下：

美國的GPS在軌衛(wèi)星有35顆，健康衛(wèi)星31顆。GPS已經(jīng)提出了三代，2018年12月23日，SPACE公司使用“獵鷹”發(fā)射首顆三代衛(wèi)星GPSⅢ，共發(fā)射32顆衛(wèi)星，具備高速上行/下行通信機制，精度號稱達到0.3m，抗干擾能力提高8倍，延續(xù)到2025年。該衛(wèi)星遠遠提高了GPS的精度、性能和指標。

俄羅斯一直在發(fā)展自己的格洛納斯系統(tǒng)。2019年5月27日，GLONASS-M衛(wèi)星發(fā)射，目前在軌26顆，預計2034年前發(fā)射46顆衛(wèi)星。2025年，GLONASS-M衛(wèi)星將退役，2030年全部使用GLONASS-K2衛(wèi)星（9個信號，10年壽命）。目前在軌26顆衛(wèi)星，全球服務覆蓋率達99.99%。

陳明劍教授

歐盟方面一直在發(fā)展伽利略系統(tǒng)，共有26顆在軌衛(wèi)星，22顆處于運行狀態(tài)，2顆進行飛行試驗，2顆無法使用，預計2020年發(fā)射完畢30顆。2019年7月11日開始，伽利略系統(tǒng)導航和計時服務中斷，2019年8月18日恢復正常。服務中斷的原因最初考慮可能是導航對抗的影響，后來發(fā)現(xiàn)是下面地基、地面運控出現(xiàn)了問題。這也敲響了警鐘，在對衛(wèi)星導航系統(tǒng)研究以及應用過程中，地面系統(tǒng)是很重要的，其實質(zhì)是對數(shù)據(jù)的分析研究。

我國的北斗發(fā)展態(tài)勢良好，目前已發(fā)射49顆，有39顆衛(wèi)星提供服務，已超30個國家實際使用北斗系統(tǒng)。我國的北斗衛(wèi)星導航技術處于世界領先地位，軍事價值和民用價值極高。

二、北斗信息綜合服務系統(tǒng)

隨著北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)全球部署，北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)服務模式發(fā)生了根本改變。從以前僅僅用于衛(wèi)星導航系統(tǒng)定位、導航擴展到現(xiàn)在各種社會應用，如位置感知的綜合數(shù)據(jù)云智慧城市、戰(zhàn)場自動化感知及戰(zhàn)場自動化指揮等。這些系統(tǒng)都是基于PNT體系及各種綜合數(shù)據(jù)信息，在計算機網(wǎng)絡時間和空間上被高度濃縮存儲、分析、應用。

北斗綜合信息服務系統(tǒng)是基于北斗衛(wèi)星導航定位技術，利用計算機網(wǎng)絡、大數(shù)據(jù)、通信、電子等多種技術，綜合多種位置服務應用，提供導航定位、動態(tài)框架基準等綜合信息的服務系統(tǒng)。而基于地基增強系統(tǒng)的綜合信息服務是近幾年發(fā)展起來的一種為用戶提供與位置相關的信息服務的新興產(chǎn)業(yè)。其中，北斗綜合信息服務云平臺能為核心服務和應用提供統(tǒng)一的運行、計算和存儲支撐，形成北斗導航大數(shù)據(jù)能力。導航大數(shù)據(jù)能力是一個體系，是一種新的大數(shù)據(jù)，也是一種專題大數(shù)據(jù)。導航大數(shù)據(jù)是由導航定位技術產(chǎn)生，具有泛在PNT性質(zhì)，以智能技術為載體且具有大數(shù)據(jù)5V特征的數(shù)據(jù)集合。比如，手機導航的數(shù)據(jù)全部是導航大數(shù)據(jù)，是由北斗應用系統(tǒng)產(chǎn)生。基于數(shù)據(jù)挖掘方法技術，可以從海量導航大數(shù)據(jù)中獲取具有價值的知識、信息，進而為實際應用提供決策支持。

（一）數(shù)據(jù)特點

（1）獲取實時化、動態(tài)化。目前已綜合應用航天、航空、地面和水上等一切可使用的對地觀測技術，如衛(wèi)星導航快速定位定向技術、航天航空遙感遙測技術等北斗地基增強數(shù)據(jù)。

（2）獲取綜合化、種類多樣化。隨著大規(guī)模的視頻傳感器三維激光、GNSS定位、視頻與GIS的融合。資源接入GIS平臺后，將能極大地發(fā)揮視頻傳感器實時影像數(shù)據(jù)采集與GIS數(shù)據(jù)管理的優(yōu)點，提供智慧的基礎服務。

（3）導航數(shù)據(jù)交換網(wǎng)絡化。從面對面的直接服務轉向網(wǎng)絡化、流程化信息服務，信息流通更快速，獲取更方便。任何人在任何時候、任何地點都可得到權限范圍內(nèi)的導航數(shù)據(jù)服務。

（4）導航數(shù)據(jù)應用廣泛化。應用對象的轉變，從“內(nèi)部”到“開放”，從“專業(yè)”到“公眾”。導航數(shù)據(jù)將從公益性、專業(yè)性測繪導航保障向整個社會產(chǎn)業(yè)體系的應用方向擴展。面向軍隊、政府部門、專業(yè)領域擴大到面向社會公眾。凡與位置信息分布有關的諸多應用領域如環(huán)境監(jiān)測與分析、資源調(diào)查與開發(fā)、災害監(jiān)測與評估、城市管理、應急處理、交通、物流、導航等綜合平臺，數(shù)據(jù)可共享應用，真正實現(xiàn)社會化。

（5）導航數(shù)據(jù)重組及擴展處理化。只有對海量數(shù)據(jù)尤其是對空間相關的數(shù)據(jù)的分析和挖掘，才能發(fā)揮數(shù)據(jù)的巨大作用，為各種管理和服務提供支撐。導航的功能也由圍繞數(shù)字產(chǎn)品的“生產(chǎn)”轉向圍繞空間信息的全方位“服務”。

（二）開放問題

當前，數(shù)據(jù)信息依然按行業(yè)、地域、企業(yè)被隔離成一個個信息孤島，沒有形成“綜合效應”，無法對各種不同類型數(shù)據(jù)的關聯(lián)進行深度挖掘及再利用。因此，應該把消除單位部門的數(shù)據(jù)割據(jù)，建立一個公開、透明、共享的數(shù)據(jù)平臺作為長期戰(zhàn)略。習近平總書記提出的軍民融合戰(zhàn)略是很好的途徑，可以把各個部門的數(shù)據(jù)進行很好的融合。比如，軍地標準的不一致，如何將它們連接在一塊兒，就是一個開放問題。

（三）服務安全

由于北斗的應用需要多種定位互補，同時計算、存儲都是在網(wǎng)上，所以設備終端做不到絕對安全。如果不放在網(wǎng)上，而放在終端設備（如手機）上實現(xiàn)，是不可能做到的！這也是為什么會一直擔心服務安全，位置安全會泄漏也主要源于此。目前還沒有有效的手段為PNT提供安全保障。

保護國家層面的數(shù)據(jù)安全恰恰是以數(shù)據(jù)開放為基礎的。開放是一種態(tài)度，也是一種能力。要堅持開放，也要有能力去開放。數(shù)據(jù)不能無條件的開放，比如說北斗綜合系統(tǒng)里面的數(shù)據(jù)如果無條件開放，會導致喪失數(shù)據(jù)隱私。現(xiàn)在，數(shù)據(jù)所有制已經(jīng)不再是主流，要保證數(shù)據(jù)可以使用，但不可以看見，即“可用不可見，相交不相識”，保證數(shù)據(jù)絕對安全。

（四）支撐系統(tǒng)

要解決數(shù)據(jù)信息的處理和預測，需要建設落地的支撐大數(shù)據(jù)系統(tǒng)。支撐大數(shù)據(jù)系統(tǒng)本身涉及到網(wǎng)絡安全的系統(tǒng)、計算機服務的系統(tǒng)等，也是智能終端的服務系統(tǒng)。而北斗綜合應用大部分都體現(xiàn)在終端上，因此，構建開放、安全、又能夠保證舒適使用的終端，將是很好的課題。智能終端導航服務的基礎是解決位置和時間，也就是PNT。這些是基于位置的最基本服務。

智能終端導航服務模式

基于北斗地基增強的智慧城市組成

綜合信息服務主要是衛(wèi)星導航的綜合服務，有一些區(qū)域性的增強，有廣域的增強，還有跟其他的系統(tǒng)兼容互操作。衛(wèi)星導航增強系統(tǒng)的建立和使用，是一種改進措施。通過一些地面、空中或衛(wèi)星設施，使用差分技術、偽衛(wèi)星技術、監(jiān)測手段等，使衛(wèi)星導航系統(tǒng)總體性能得以提高。衛(wèi)星導航增強系統(tǒng)按增強系統(tǒng)的組成可劃分為星基增強系統(tǒng)（SBAS）、地基增強系統(tǒng)（GBAS）。應用最多的是地基增強系統(tǒng)，星基增強可以解決沒有地基的情況，如海外，甚至在沒有地基的戰(zhàn)場上等。

據(jù)不完全統(tǒng)計，我國的地基增強系統(tǒng)有5000多個，呈現(xiàn)東密西疏、南熱北冷的狀態(tài)，主要跟經(jīng)濟發(fā)展息息相關。我軍也組織開展了相應的全國范圍的應用系統(tǒng)建設。通過軍民融合，整合利用現(xiàn)有的站網(wǎng)數(shù)據(jù)資源，建成空間布局合理、基于北斗的精密導航服務系統(tǒng)。

以高精度導航信息公共服務平臺為基礎，將智慧教育中所涉及到的衣食住行、公共交通、周邊環(huán)境、教育機構、位置服務等各類圖層元數(shù)據(jù)整合到統(tǒng)一的平臺中，產(chǎn)生的效益將比單個導航數(shù)據(jù)產(chǎn)生的效益合計更有價值。地基增強系統(tǒng)數(shù)據(jù)結合交通信息、氣象信息、地圖信息數(shù)據(jù)等將極大改變?nèi)祟惿罘绞剑蔀橹腔鄢鞘谢A支撐。

北斗數(shù)據(jù)的安全性包括數(shù)據(jù)源認證、完整性和機密性。數(shù)據(jù)安全，尤其是衛(wèi)星導航系統(tǒng)的安全問題，需要從全鏈路考慮，包括數(shù)據(jù)輸入、輸出到應用數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)安全是一個動態(tài)的訪問，數(shù)據(jù)不能無條件向公眾開放，需要進行云端數(shù)據(jù)加密技術研究，將傳統(tǒng)加密技術與云平臺安全機制集成。

三、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展應用及思考

（一）基于地基增強系統(tǒng)技術，升級改造促進產(chǎn)業(yè)發(fā)展

基于北斗地基增強的智慧城市很多部分都要用到衛(wèi)星導航這一手段。基于增強系統(tǒng)的升級改造可以有效促進產(chǎn)業(yè)發(fā)展。目前，在反方向網(wǎng)絡RTK技術、格網(wǎng)VRS技術、星基地基融合技術、室內(nèi)外無縫鏈接技術、導航大數(shù)據(jù)應用技術等方面開展了諸多研究。

（二）基于導航綜合大數(shù)據(jù)服務，促進社會化應用

基于導航綜合大數(shù)據(jù)的服務能夠促進社會化發(fā)展。以城市中出租車導航數(shù)據(jù)為例，通過研究出租車運動軌跡，可以利用密度聚類算法（DBSCAN）挖掘城市中的熱點區(qū)域空間分布，分析熱點區(qū)域之間的關聯(lián)性特征，有利于做好城市規(guī)劃。

在黃河灘治理方面，根據(jù)黃河灘區(qū)生態(tài)環(huán)境綜合整治的需求，依托北斗（河南）綜合信息服務平臺和無人機巡查、視頻監(jiān)控、遙感、傾斜攝影測量、三維GIS等技術建設黃河灘區(qū)生態(tài)環(huán)境綜合監(jiān)管系統(tǒng)，實現(xiàn)對黃河灘區(qū)違法生產(chǎn)經(jīng)營、違法建筑物和破壞水源地生態(tài)環(huán)境活動的“空天地一體化”立體式監(jiān)測監(jiān)管，有效助力政府針對黃河灘區(qū)生態(tài)環(huán)境的綜合整治行動，提高工作效率，節(jié)約工作成本。

陳明劍教授在第十九期錢學森論壇上作主旨報告

（三）技術體系綜合融合，擴大服務領域

通導遙一體化是國家天基系統(tǒng)的骨干力量，導航與通信的融合應用趨勢已是產(chǎn)業(yè)發(fā)展主流。“高分+北斗”全時空的動態(tài)大數(shù)據(jù)是當今社會實現(xiàn)各行業(yè)智能管理、社會智能服務、企業(yè)智能生產(chǎn)、公眾智能生活的必要支撐。高分、北斗技術也是當今第三次技術革命浪潮的必要支撐。北斗導航定位系統(tǒng)負責提供點位和導航線路信息，高分影像負責提供地面地物信息，二者結合，將點、線、面全方位信息進行深度融合，打造立體時空信息框架。

以“北斗+”為基礎，對接國家“高分衛(wèi)星”應用，使定位和影像信息成為數(shù)字化城市最基礎信息，推進感知與定位一體化、天地一體化，促進導航衛(wèi)星、遙感衛(wèi)星的信息與5G、地基增強網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)等信息融合。以智能停車場為例，它可以促進上下游的發(fā)展，比如車上導航設備、數(shù)據(jù)中心設備，還有圖形設備等，把整個上下游全部打通，可以構建基于北斗精確定位的車位管理與規(guī)劃等。

四、發(fā)展趨勢

未來，衛(wèi)星導航綜合服務發(fā)展呈現(xiàn)5大趨勢：

（一）大數(shù)據(jù)發(fā)展將繼續(xù)維持高速增長態(tài)勢

基礎設施建設和數(shù)據(jù)中心對規(guī)模增長的拉動作用減弱，數(shù)據(jù)價值和應用創(chuàng)造的經(jīng)濟效益更加明顯，并在市場規(guī)模中占據(jù)重要比重，一些企業(yè)將會把基于綜合信息業(yè)務作為單獨的營收進行統(tǒng)計。

（二）應用技術創(chuàng)新將成為發(fā)展的主要驅(qū)動力

技術和產(chǎn)品在應用需求的推動下完成創(chuàng)新和突破，商業(yè)模式伴隨著連接層次的加深不斷創(chuàng)新。

（三）數(shù)據(jù)資源的開放共享逐步深入

行業(yè)應用逐步成熟，推動應用模型加速迭代，綜合數(shù)據(jù)信息應用將成為熱門領域。在多種數(shù)據(jù)的融合過程中，政府應用場景更加豐富，應用也將更加高級，數(shù)據(jù)挖掘和分析的結果對管理決策的輔助作用開始顯現(xiàn)。

（四）數(shù)據(jù)采集和跨界競爭越發(fā)白熱化

數(shù)據(jù)存儲和交易呈現(xiàn)平臺化競爭趨勢，數(shù)據(jù)分析和可視化呈現(xiàn)多樣化、定制化發(fā)展，中小企業(yè)能夠獲得更多的市場發(fā)展空間。

（五）創(chuàng)業(yè)企業(yè)不斷涌現(xiàn)，融資并購事件頻發(fā)

成熟地應用或掌握海量數(shù)據(jù)的公司備受青睞，綜合信息服務將成為資本追逐的熱點領域。

以數(shù)字化裝備為主，將BDS、RS、GIS技術、網(wǎng)絡技術、通信技術和智能手機有機結合，進入全民參與導航的時代，實現(xiàn)空、天、陸、海一體化導航，是北斗綜合服務的主要來源。導航位置服務產(chǎn)品則以北斗位置信息服務為主，借助聲音、圖片、視頻、文字、圖表等形式提供信息和服務，為用戶提供體驗式服務，是建設的主要任務。基于可視化分析、統(tǒng)計分析、數(shù)據(jù)挖掘算法、預測性分析、自然語言處理等人工智能處理技術是關鍵。導航圍繞信息戰(zhàn)、導航戰(zhàn)、指揮自動化、智能交通、智慧城市等應用的管理系統(tǒng)則是綜合服務應用的核心，以智能技術綜合應用體系為標志的新一代服務特點愈發(fā)凸顯。