北斗系統應用趨勢分析

文｜張奮 賈小林 姬劍鋒 王龍

1．西安測繪研究所

2．地理信息工程國家重點實驗室

一、前言

2020年6月23日，北斗三號最后一顆組網衛星成功發射。2020年7月31日，北斗三號建成暨開通儀式舉行，北斗三號全球衛星導航系統正式開通，標志著我國北斗系統迎來全球服務時代，提供全天候、全天時、高精度的定位、導航和授時服務。實際上，從2012年起，北斗系統便開始正式提供亞太區域服務。2020年，我國以北斗應用發展為核心的衛星導航與位置服務產業總體產值已達到4033億元，與2019年相比增長約16.9%，預計到2025年，北斗產業總值將達到1萬億元。據統計，2021年第一季度，在中國入網的智能手機，有79%以上提供北斗定位服務；共享單車配裝北斗終端實現精細管理；牧民在家就能通過北斗項圈放牧牛羊；支持北斗系統的手表、手環、學生卡，讓人們日常生活更加便利；在新冠疫情阻擊戰中，北斗的貢獻有目共睹；全國各地數十萬臺北斗終端進入物流行業。

北斗系統廣泛應用于智能交通、應急救援、精準農業、農林水利、海洋開發、智慧物流、測繪勘探、電力系統等多個行業，并且逐漸向智能手機、智能穿戴設備等智能化、小型化領域發展。本文在闡述北斗系統行業應用現狀及存在問題基礎上，分析其應用趨勢并對未來發展提出建議，為進一步推動北斗系統多領域應用、帶動“北斗+”和“+北斗”融合創新應用發展提供參考，促進北斗衛星導航產業持續穩定增長，加快北斗服務世界的進程。

二、北斗系統發展歷程及服務類型

1.北斗系統發展進程

北斗系統是我國重要基礎設施之一，按照“三步走”戰略建設發展。北斗一號系統1994年啟動建設。2000年，發射2顆地球靜止軌道衛星（GEO）并投入使用，為國內用戶提供定位、授時、廣域差分和短報文通信服務。北斗二號系統2004年啟動建設，2012年完成14顆衛星組網并投入使用，為亞太地區用戶提供定位、導航、授時和短報文通信服務。北斗三號系統2009年啟動建設，在北斗二號系統基礎上，進一步提升性能、擴展功能，2020年6月完成30顆衛星組網，為全球用戶提供導航定位和通信數傳于一體的高品質服務。目前，北斗系統服務由北斗二號系統和北斗三號系統共同提供，2020年后將平穩過渡為北斗三號系統為主提供。

2.北斗系統服務類型

北斗系統采用了三種軌道的混合星座設計，采用獨立的雙向時間同步觀測體制，支持星間鏈路觀測，具備導航定位和通信數傳兩大功能，提供七種北斗系統應用服務，具體包括：面向全球范圍，提供定位導航授時、全球短報文通信和國際搜救三種服務；在中國及周邊地區，提供星基增強、地基增強、精密單點定位和區域短報文通信四種服務。其中短報文通信服務進行了升級拓展，區域通信能力達到每次14000比特（約1000漢字），支持文字、語音和圖片等數據類型，全球通信能力支持每次560比特（約40個漢字）；星基增強服務具備一類垂直引導進近（APV-I）能力，填補我國星基增強服務空白；國際搜救服務檢測概率優于99%，具備返向鏈路確認特色能力，顯著增強遇險人員求生信心；地基增強、精密單點定位可提供最高厘米級定位服務。

三、北斗系統行業應用現狀及發展趨勢分析

1.北斗系統行業應用分析

在北斗系統支撐下，我國北斗產業鏈已形成了完整的內循環（圖1）：上游基礎部件是產業自主可控的關鍵環節，主要由基帶芯片、射頻芯片、板卡、天線等構成；中游主要包括終端集成和系統集成，是產業發展的重點；下游的解決方案和運維服務提供眾多行業應用。北斗工程首任總設計師孫家棟院士曾說過“北斗的應用只受人類想象力的限制”。北斗系統已在交通運輸、農業漁業、水文監測、氣象預報、救災減災、公共安全等行業領域得到廣泛應用，本文將重點針對交通、海洋、航空、防災救災、大眾應用等幾個行業領域的北斗應用展開討論和分析研究。

圖1 北斗系統行業應用總體架構

（1）“北斗+交通”

交通運輸行業是北斗系統最大的應用行業之一。據統計，每年中國道路運輸客運量達百億人次，公路貨物周轉量達萬億噸。北斗系統廣泛應用于重點運輸過程監控、公路基礎設施安全監控等領域。2011年，第一個交通領域民用應用示范工程“重點運輸過程監控管理服務示范系統工程”率先推動北斗系統應用于我國道路運輸安全管理，降低了道路運輸事故發生風險。截至目前，我國有超過700萬輛道路營運車輛、3.63萬輛郵政和快遞車輛、約1400艘公務船舶、約350架通用飛行器應用北斗系統，建成全球最大的營運車輛動態監管系統，提升了我國綜合交通管理效率和運輸安全水平。

（2）“北斗+海洋”

海洋和河道是當今世界上應用最廣泛的運輸方式，效率、安全和最優化是海洋與河道運輸的重點。北斗系統在海洋應用主要包括漁業管理、航海救援、港口運作、船舶監管、海洋漁業、海洋風暴預警、海洋測繪與環境監測等。北斗技術的應用有效解決了最小航行交通沖突，保障了航行安全，提高了海洋應用效能。海洋漁業現已成為北斗海洋民用市場規模較大的行業，北斗海洋應用中融合北斗短報文、手機短信、互聯網等多種通信信息技術手段，實現北斗短報文與手機短信的互聯互通，具有遇險報警、搜救協調通信、現場尋位、海上安全信息播放、常規公眾業務通信等功能。目前全國7萬艘漁船和執法船安裝了北斗終端，累計救助1萬余人。

（3）“北斗+航空”

全球衛星導航系統（GNSS）是現代空中航行系統的重要基礎，是提升全球空中航行安全水平和服務質量的重要手段。北斗系統提供全球服務是民航行業高質量發展的有力保證和重要技術支撐，能夠提供精確完好、安全可靠的導航定位授時服務，為空中交通服務提供全空域監視服務，能夠全面提升民航安全水平，空域容量、運營效率和服務能力，為新時代民航強國發展提供強大技術支撐。北斗在航空領域中的應用包括飛機導航、航路劃定、導彈制導、飛行監控和控制等。2019年12月，民航局正式發布《中國民航北斗衛星導航系統應用實施路線圖》，提出要大力推進系統應用，積極構建以北斗為核心、兼容多個星座的GNSS技術應用體系，逐步實現北斗系統、民航行業應用全覆蓋可替代，為運輸、通用航空及無人駕駛航空器飛行，提供精確完好、安全可靠的導航服務。

（4）“北斗+防災救災”

在地震監測、森林防火、山體滑坡監測、泥石流監測、橋梁變形監測等應用中，北斗系統能夠提供實時位置監測、實時救災指揮調度、救災物資管理與調運、應急通信、災情信息快速上報與共享等服務，顯著提高災害預警、災害應急救援等防災減災的快速反應能力和決策能力。2008年汶川地震中，第一條匯報來自于北斗短報文；2010年玉樹地震，北斗系統在搜救中也發揮了重要作用；2020年新冠疫情防控中北斗系統大顯身手，基于北斗系統的高精度定位設備在武漢火神山、雷神山醫院建設中完成精準放線測量，北斗系統還為防疫物資、醫護人員等抗疫一線提供精準時空體系精準服務。目前，我國已建成北斗綜合減災救災應用系統，實現全國應急救援“一張圖”有效動態遠程監控，按“部、省、市（縣）”三級平臺部署，已在全國10多個省開展規模化建設應用，推廣北斗終端超過4.5萬臺。

（5）“北斗+大眾應用”

北斗系統大眾服務發展前景廣闊。基于北斗的導航服務已被電子商務、移動智能終端制造、位置服務等廠商采用，廣泛進入中國大眾消費、共享經濟和民生領域，隨著5G商用時代的到來，北斗正在與新一代移動通信、區塊鏈、人工智能等新技術加速融合，北斗應用的新模式、新業態、新經濟不斷涌現，深刻改變著人們的生產生活方式。2018年1月，工業和信息化部電子信息司組織完成北斗在智能手機中的應用推廣。國內外主流芯片廠商均推出兼容北斗的通導一體化芯片。 隨著5G時代的到來，在人工智能的催生下，很多智能手機具有地圖導航、智能停車等智能出行精準導航服務，為用戶提供了更安全、更高效、更省心的出行指導。在電子商務領域，國內多家電子商務企業的物流貨車及配送員，應用北斗車載終端和手環，實現了車、人、貨信息的實時調度。智能穿戴領域，多款支持北斗系統的手表、手環等智能穿戴設備，以及學生卡、老人卡等特殊人群關愛產品不斷涌現，得到廣泛應用。

第一，為提高員工工作績效，應注重對員工謙虛沉穩態度的培養；第二，從企業長期發展、不斷創造最大化經濟效益的角度出發，注重對員工感恩奉獻精神的培養；第三，為激發員工積極進取、提升自身綜合能力，應培養員工尊敬禮讓的良好品質；第四，通過提升員工包容寬恕的態度，為促進員工工作績效的提升奠定良好基礎。

2.存在問題分析

盡管衛星導航系統行業應用甚廣，但是衛星導航系統天然存在的諸多缺陷也頻繁暴露出來。首先，北斗系統與其他衛星導航系統一樣具有天然的脆弱性，易被干擾和欺騙。以美國GPS為參考，GPS欺騙、干擾或服務中斷事件已經從早期的國家黑客或電子戰部隊蔓延至船運、航空等民用領域。據美國海岸警衛隊全球GPS事件狀態報告，2019年GPS攻擊事件嚴重威脅人員生命財產和交通運輸安全。北斗系統應用存在潛在威脅。其次，衛星定位可靠性和精度問題。目前，尚無任何技術可以宣稱絕對安全可靠，北斗系統亦是如此。在定位精度方面，衛星定位技術受到信號功率、帶寬和傳播時延的限制，精度很難進一步提高。此外，電磁信號易受到大氣電離層和對流層干擾，精度很難保證，在城市、山區等復雜環境下，由于建筑物、樹木、地形的遮蔽作用，信號存在非直線傳播，導致不同環境下的定位效果存在較大差異，無法保證導航定位授時服務的連續性和可靠性。再者，受限于信號的傳播條件，在地下、水下、隧道、室內等環境中，衛星定位信號無法穿透地面、水、建筑物等實體，無法進行定位。這些問題的現實存在，導致北斗系統在實時高精度定位、地下水下導航等領域和區域應用存在一定的限制和約束。

3.北斗系統應用趨勢

國家綜合PNT（導航、定位、授時）體系的提出和建立將有效破解北斗系統擴大應用所面臨的問題和困境。隨著5G基站建設、大數據中心、人工智能、工業互聯網等方面國家政策的陸續出臺，國家將進一步加大力度對相關產業建設和發展的政策支持，北斗系統將與新一代5G通信、物聯網人工智能、大數據等新技術深度融合，不斷催生智能交通、精細農業、精準物流、自動駕駛等北斗行業應用的新模式、新業態，讓北斗服務無處不在、無時不有。未來北斗系統應用形態和發展方向將體現在以下幾個方面。

（1）融合化

進一步推動創新高效的融合機制建立，實現北斗、GPS、格洛納斯、伽利略等GNSS多系統融合，北斗定位、視覺導航、慣性導航等多技術融合，在融技術、融數據、融網絡、融平臺的聯動互通催生下，真正實現以北斗為核心的時空信息服務高效互聯互通共享，并具備抗干擾、防欺騙、連續、穩定和高可靠性，促使北斗系統在智慧城市、智慧交通、精準物流等多個行業跨界融合應用。

（2）泛在化

北斗與5G通信、位置服務、GIS（地理信息系統）相結合，突破5G融合北斗與位置服務的室內外無縫定位技術，持續提升室外到室內、地面到地下、海底到深空的無縫連接時空信息服務。在大眾應用領域，突破實時動態高精度導航地圖，構建多樣化出行服務體系，打通時空信息“最后一公里”服務，以重點行業應用為牽引，通過創新社會治理模式、深化大眾生活位置服務應用等，推動大眾消費的規模化應用，形成從智能終端到平臺再到行業應用完整鏈路的泛在、智能、連續可靠的北斗時空信息服務。

（3）小型化

（4）網絡化

北斗與物聯網、5G通信的結合，將大力促進北斗智能終端、北斗應用系統互聯互通互操作的實現。突破結合窄帶物聯網協議的系列低功耗北斗技術，以及利用北斗B2a信號寬帶特性進行多路徑檢測和消除技術，大幅提升復雜場景的定位精度，形成“北斗+物聯網+5G”的通導一體化解決方案，實現在智慧城市、智能物流、安防監控、智慧農業、資產監管、環境監測等領域的規模應用，真正實現北斗應用萬物互聯。

（5）智能化

北斗與人工智能、5G、云計算、大數據結合，突破北斗芯片與陀螺儀、里程計等多傳感器融合定位技術，全面提升PNT服務的定位精度、可用性和抗多路徑能力，突破適用無人系統的高性能、高精度、小型化并符合汽車電子系統通用標準的多模多頻北斗/GNSS芯片，實現以北斗為核心的時空信息智能感知、智能處理和智能服務，形成北斗高精度技術在智能網聯汽車、無人機、小型機器人、智能穿戴設備等領域深度應用，大幅提升北斗智能化應用水平。

四、結束語

北斗系統是國家戰略性新興產業，是我國重要信息基礎設施之一，也是我國信息化建設的重要保證，為促進和推動經濟社會發展提供了強大動力。北斗系統的全面建成進一步確立和鞏固了我國在衛星導航領域的國際地位，促進了全球導航系統的競爭與合作，推動了系統共同發展，對提升我國航天能力，推動航天強國建設意義重大。為了更好地應用北斗，我國應進一步加大北斗應用政策支持力度，促進北斗在行業領域應用的法規標準建立，在深度融合的框架下，不斷擴大北斗融合應用廣度和深度，同時加大全源導航、通導一體等核心技術研發，不斷促進北斗行業應用和產業化發展，推動“北斗+” 和“+北斗”融合創新應用發展。同時可考慮實行更多積極開放的多邊合作和國際合作，開辟更廣闊的北斗應用空間。