北斗系統在交通運輸新基建的應用與展望

文|蔣玉龍 劉斯影

中國交通通信信息中心

一、前言

交通運輸行業是關乎國家經濟發展和民生需要的基礎性、服務性行業。自改革開放以來，在黨中央的堅強領導下，我國交通運輸發展實現了從瓶頸制約到基本適應經濟社會發展的歷史性跨越，交通運輸行業信息化水平與服務水平顯著提高、交通基礎設施加速成網，基本形成以“十縱十橫”綜合運輸大通道為主骨架的綜合立體交通網絡，為國民經濟持續健康發展提供了強有力支撐。

雖然我國交通運輸行業基礎設施愈加完善，但對比世界發達的交通強國，依然存在基礎設施布局不合理、綜合交通體系不完善等問題。為進一步發揮基礎設施在行業的服務能力，提升行業信息化服務水平，交通運輸部于2020 年印發《關于推動交通運輸領域新型基礎設施建設的指導意見》（簡稱《指導意見》），以促進交通運輸提效能、擴功能、增動能為導向，推動交通基礎設施數字轉型、智能升級，建設便捷順暢、經濟高效、綠色集約、智能先進、安全可靠的交通運輸領域新型基礎設施。

交通運輸行業新型基礎設施就是指以技術創新為驅動，以數字化、網絡化、智能化為主線行業基礎設施，其概念較為寬泛，有別于傳統的公路、航道、橋梁等傳統交通行業基礎設施，但交通運輸行業新型基礎設施與傳統交通行業基礎設施一樣，對于行業能夠起到基礎的促進作用。如傳統的高速公路、橋梁是為了保障道路運輸快速通行的物理基礎，而利用如專用短程通信技術（DSRC）、視頻識別、大數據分析等現代信息技術手段建設的高速公路不停車收費系統（ETC）、構建的車路協同的管理體系均屬于行業新型基礎設施建設的范圍。從廣義而言，利用現代綜合技術以提升交通運輸行業基礎數據服務能力、感知能力、監測能力等的技術手段都可以視為交通運輸行業新型的基礎設施。

《指導意見》提出的交通運輸行業新型基礎設施發展目標為：“到2035 年，交通運輸領域新型基礎設施建設取得顯著成效。先進信息技術深度賦能交通基礎設施，精準感知、精確分析、精細管理和精心服務能力全面提升，成為加快建設交通強國的有力支撐?；A設施建設運營能耗水平有效控制。泛在感知設施、先進傳輸網絡、北斗時空信息服務在交通運輸行業深度覆蓋，行業數據中心和網絡安全體系基本建立，智能列車、自動駕駛汽車、智能船舶等逐步應用?？萍紕撔轮文芰︼@著提升，前瞻性技術應用水平居世界前列?！?/p>

北斗系統是我國重要的空間基礎設施，通過北斗系統可以全天候、全天時的位置感知，是未來構建綜合交通運輸體系的基礎。黨中央、國務院印發的《交通強國建設綱要》《國家綜合立體交通網規劃綱要》等文件均提出交通運輸行業要大力推動北斗系統應用。2021 年9 月26 日，國務院新聞辦舉行的加快推動交通運輸領域新型基礎設施建設發布會上，交通運輸部相關負責人指出：交通運輸行業是北斗系統最大的民用行業用戶之一。交通運輸部先后實施了多項國家北斗專項應用示范工程，印發了北斗系統行業應用專項規劃，在“十四五”數字交通規劃和交通新基建行動方案中都把北斗系統在交通運輸領域的應用列為重要任務。

二、交通運輸行業北斗應用現狀

北斗系統是我國自主建設的衛星導航系統，具備定位導航授時及全球/區域短報文、星基增強、地基增強、精密單點定位、國際搜救等“1+6”特色服務。

全國范圍內有超過700 萬輛“兩客一?！避囕v（跨省班線、旅游包車、危險品貨物運輸車）及12噸以上重型貨車、半掛牽引車安裝北斗車載終端，覆蓋率達100%；郵政和快遞干線車輛近4 萬輛；通用航空器400 余架。交通運輸系統1800 余艘公務船舶安裝北斗船載終端；水上導助航設施1.3 萬余座應用北斗系統；相關北斗水上應急搜救設備逐步成為船舶標準配置。同時，在沿海和長江干線建設了200 余座北斗地基增強站，可為長江干線及我國沿海周邊區域提供高精度位置服務。

三、北斗作為行業新基建所發揮的重要作用

《指導意見》中，對北斗系統的應用進行了單獨的描述，提到要“提升交通運輸行業北斗系統高精度導航與位置服務能力，推動衛星定位增強基準站資源共建共享，提供高精度、高可靠的服務。推動在特長隧道及干線航道的信號盲區布設北斗系統信號增強站，率先在長江航運實現北斗系統信號高質量全覆蓋。建設行業北斗系統高精度地理信息地圖，整合行業北斗系統時空數據，為綜合交通規劃、決策、服務等提供基礎支撐。推進北斗系統短報文特色功能在船舶監管、應急通信等領域應用。探索推動北斗系統與車路協同、ETC 等技術融合應用，研究北斗自由流收費技術。鼓勵在道路運輸及運輸服務新業態、航運等領域拓展應用。推動北斗系統在航標遙測遙控終端等領域應用。推進鐵路行業北斗系統綜合應用示范，搭建鐵路基礎設施全資產、全數據信息化平臺，建設鐵路北斗系統地基增強網，推動在工程測量、智慧工地等領域應用”。

圍繞《指導意見》的總體建設任務，北斗系統的能力可以深入到行業的各個領域，如文中提到的在特長隧道架設北斗增強站、建設行業高精度地圖以及與ETC、車路協同等技術融合很好地助力了建設“智慧公路”的相關要求。推進干線航道布設北斗增強站，推動航運領域、遙測遙控領域應用北斗系統也是助力智慧航道、智慧港口的建設。包括北斗星基增強服務是未來民航領域不可或缺的增強技術，其授時服務是未來鐵路、公路等有力的支撐保障。近些年隨著北斗系統服務能力的不斷提升，其在交通運輸行業各個領域均取得了非常顯著的應用效果，其定位導航能力可以為行業各領域提供基礎位置信息和導航服務，實現對行業內車輛、船舶的動態位置監管；優于20ns 的授時精度可以為鐵路列控、公路路網指揮調度等對時間同步要求較高的領域提供精準授時服務；星基增強可以為民航領域提供高完好性、高連續性的高精度服務；地基增強技術可以大幅度提升北斗系統原始定位精度，為橋梁、公路邊坡等基礎設施發生的微小形變或位移提供安全預警服務，同時可為自動駕駛、車路協同、自由流收費、智慧港航等新興智能交通領域提供高精度位置服務；區域/全球短報文與國際搜救服務可進一步提升行業安全預警管理水平及應急通信保障能力，提升遇險救援效率及生命救助成功率；隧道偽衛星等新興導航技術可以進一步提升行業信息化服務水平。綜上所述，北斗系統所提供的綜合立體全方位的通信導航服務對未來構建綜合立體交通運輸體系，建設“安全、便捷、高效、綠色、經濟”的交通強國將起到至關重要的作用，是未來交通運輸行業的重要技術基礎。

1.北斗高精度定位在交通基礎設施形變監測中的應用

結合地基增強系統，北斗系統可以實現后處理毫米級定位水平，對于交通運輸行業基礎設施微小形變或公路邊坡滑坡監測等情況提供持續性的安全監測服務，有效提升行業基礎設施安全保障能力。

基于北斗等傳感器技術實現基礎設施形變或邊坡表面位移的實時監測，獲取各類數據信息；通過網絡通信將各類數據傳輸至系統管理平臺。通過系統平臺對形變數據進行狀態評估分析，并及時對超過閾值的形變進行實時監測預警（圖1）。

圖1 形變監測原理圖

2.北斗系統在智慧交通中的應用

北斗系統提供的精準定位服務能力是未來發展智慧交通的重要技術基礎，可為行業全要素提供精準位置信息，有助于為構建綜合立體交通體系提供底層位置信息基礎。在智慧公路領域，基于北斗的車輛行駛軌跡可為高速公路電子不停車收費系統提供收費輔助依據，未來還可以繼續探索基于衛星導航的自由流收費方式，進一步提升高速公路行車效率。

利用安裝在車輛上的北斗終端來確定車輛在高速公路行駛的軌跡，通過軌跡及相應的費率計算車輛高速公路費用，并結合互聯網、清分結算等技術實現費用收取。該方法目前已經在德國等國家使用多年，可以有效解決現行收費方式可能出現的道路二義性、中途插拔卡等影響費率計算精準度的問題。同時，基于衛星導航的收費技術不需要建設收費站，運營維護成本更低，且可以真正實現不停車收費，進一步提升道路通行效率，降低道路運輸成本。

基于北斗的隧道偽衛星系統利用偽衛星技術，通過在隧道內加裝偽衛星設備，向行駛在隧道內的車輛播發模擬衛星信號，以實現隧道內定位，可有效解決長隧道衛星導航信號丟失情況，實現隧道內外導航信號的無縫銜接，充分有效提升隧道行車安全及遇險救援能力（圖2）。

圖2 隧道偽衛星原理

在智慧港口領域，通過北斗地基增強系統為港區構建高精度作業環境，在輪胎門式起重機（RTG）固定位置安裝北斗高精度接收機，為RTG 提供厘米級作業精度，依托系統構建作業模型，實現港區RTG 的無人精準抓放箱作業。與磁釘敷設相比，該技術具備原理簡單、操作便捷、改造成本低等優勢，尤其適用于無法敷設磁釘的老舊港口改造。同時，還可為港區集卡安裝高精度車載終端，配合激光雷達、視頻智能識別等技術實現港區集卡自動駕駛，進一步提升港區作業效率，降低港區人工成本。

3.北斗系統在安全應急搜救領域的應用

北斗系統作為行業新型基礎設施，不僅能為行業提供精準的定位導航服務，助力智能交通發展，北斗系統具備的短報文通信和國際搜救能力還可以進一步提升行業安全管理及應急搜救水平。北斗三號系統有6 顆中圓地球軌道（MEO）衛星搭載了搜救載荷，其主要作用是可以接收地面上播發的406MHz（國際統一頻率）的遇險報警求救信號，通過構建完整的搜救體系，可以為用戶提供全球范圍內海上搜救服務，具體原理見圖3。同時，北斗系統具備短報文特色服務，可以在沒有其他通信手段的情況下，完成船舶通信及位置上報。目前交通運輸部等單位正在聯合推動北斗中軌搜救系統納入到全球衛星搜救系統（COSPASSARSAT）；推動北斗短報文系統（BDMSS）納入到全球海上遇險與安全系統（GMDSS）當中。隨著相關國際組織的認可，北斗系統將為我國乃至全球海上安全應急救援服務提供強大助力。

圖3 北斗衛星搜救系統工作流程圖

四、行業未來北斗系統應用發展方向

目前，北斗系統所提供的服務已經在行業各個領域取得了良好的效果，但距離行業北斗應用全面覆蓋依然還有不小差距：民航領域受限于國際民航組織相關技術標準制約，北斗系統尚無法成為民航飛機標準導航配置；自動駕駛等新興領域受限于技術、政策及相關標準的影響，尚處于測試實驗階段；行業部分領域衛星導航設備GPS依然存在先發優勢，北斗應用尚未實現全面覆蓋；同時，國內衛星導航相關的政策法規尚不完善；北斗國際化應用規模與GPS 尚存在差距等。為了進一步擴大北斗系統行業應用規模，推動逐步實現北斗系統在行業的全面覆蓋，下一步將繼續大力推廣行業北斗應用，主要包含以下幾個方面：

一是深化綜合交通運輸領域的北斗應用，擴展應用規模。大力推動北斗在鐵路、公路、水運、郵政等領域全面應用，形成齊頭并進的良好態勢。

二是推動北斗創新應用。充分發揮北斗地基增強系統的作用，推動北斗在智慧公路、智慧航道、智慧港口、智慧樞紐等領域的創新應用和滲透式應用。

三是持續推廣北斗國際化應用。在相關國際組織框架下進一步推動北斗系統納入有關國際標準，助力北斗“走出去”。

四是加強政策引導和標準規范制修訂，為北斗深度應用營造良好環境。

五是繼續加強跨部門跨領域合作，助力北斗產業化發展，通過與相關部門、相關院所、社會團體和組織的密切合作，推動北斗系統“產學研用”的一體化發展，助力北斗產業化重大工程實施。

五、結語

隨著我國綜合交通運輸體系的不斷建立完善，行業各個領域對位置服務的需求也愈發強烈，北斗系統作為新型的信息化基礎設施，為用戶提供更加精準的定位導航授時服務，是未來構建綜合立體交通網的重要技術基礎，成為交通強國建設中的重要一環。