楊恒 中國電信股份有限公司北京研究院定位技術(shù)與應(yīng)用產(chǎn)品線總監(jiān)，高級工程師

謝鑫 中國電信股份有限公司北京研究院工程師

北斗技術(shù)的差異化應(yīng)用

楊恒 中國電信股份有限公司北京研究院定位技術(shù)與應(yīng)用產(chǎn)品線總監(jiān)，高級工程師

謝鑫 中國電信股份有限公司北京研究院工程師

北斗系統(tǒng)是中國自主發(fā)展的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，兼有定位和通信特性。北斗技術(shù)在民用領(lǐng)域發(fā)展過程中需要考慮和GPS技術(shù)的差異化。本文重點分析了北斗在中國境內(nèi)的短報文數(shù)傳技術(shù)、高精度定位技術(shù)和其與通信網(wǎng)相結(jié)合方面的差異化優(yōu)勢及應(yīng)用場景。

北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng) 短報文 偽距單點定位 通信網(wǎng)輔助北斗定位

1 引言

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BeiDou（COMPASS）Navigation Satellite System）是我國自行研制的第一個全球衛(wèi)星導(dǎo)航與通信系統(tǒng)，是繼美國GPS和俄羅斯GLONASS之后全球第三個成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，已初步具備亞太地區(qū)的導(dǎo)航、定位與授時服務(wù)能力。

除了對國家安全有重要意義以外，北斗技術(shù)在民用領(lǐng)域發(fā)展過程中，面臨著和GPS等成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的競爭。GPS系統(tǒng)已經(jīng)運行多年，芯片成熟度高，價格便宜，已經(jīng)形成了完整的產(chǎn)業(yè)生態(tài)環(huán)境。如果北斗系統(tǒng)沒有明顯的差異化發(fā)展方式，則將在和GPS的競爭中占據(jù)劣勢，并影響其在應(yīng)用中的推廣。因此，尋找適合北斗特色技術(shù)的應(yīng)用場景，是推動北斗應(yīng)用發(fā)展的重點方向。

和在中國境內(nèi)的GPS服務(wù)相比較，北斗系統(tǒng)在短報文數(shù)傳技術(shù)、高精度定位技術(shù)和其與通信網(wǎng)相結(jié)合方面有一定的優(yōu)勢。本文將圍繞這3方面的差異化優(yōu)勢，闡述中國電信在北斗應(yīng)用上的研究和探索。

2 短報文技術(shù)在漁信E通中的應(yīng)用

中國海域遼闊，海岸線達(dá)1.8萬公里，海洋漁業(yè)水域面積300多萬平方公里，從業(yè)漁民1000多萬人，擁有海洋漁業(yè)船舶約28萬多艘，其中20～200馬力的小漁船10萬艘左右。這些漁船工作在移動通信網(wǎng)覆蓋區(qū)域之外，沒有安裝價格昂貴的海事衛(wèi)星終端，當(dāng)其遇到危險時的報警求救、定位救援時需要一種低價的定位通信手段，北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的短報文技術(shù)是滿足該需求的不二選擇。

2.1 北斗短報文數(shù)傳技術(shù)

和GPS系統(tǒng)相比，北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)特有點對點雙向數(shù)據(jù)傳輸方式。它是一種數(shù)據(jù)報告方式，以數(shù)據(jù)包的形式傳輸，一般用戶一次最多可發(fā)送40～60個字的短報文信息。測站終端發(fā)送采用碼分多址直接擴(kuò)頻序列調(diào)制，擴(kuò)頻偽碼采用周期偽隨機(jī)序列，發(fā)送頻率為L波段，通過衛(wèi)星轉(zhuǎn)換為C波段由地面站接收，由中心站處理后發(fā)到衛(wèi)星，再經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)換為S波段由測站終端或指揮型終端接收，完成一次點對點的通信。反向發(fā)送過程亦然。測站型終端和指揮型終端的最大區(qū)別在于前者只能鎖定在一個波束上，而后者可以同時鎖定所有波束，發(fā)送信息時也是如此，前者每次只能在單波束上發(fā)送，后者則可以同時在所有波束上發(fā)送。中國電信衛(wèi)星公司已經(jīng)建立了北斗短報文定位服務(wù)平臺。

2.2 漁信E通業(yè)務(wù)

為了適應(yīng)國際漁業(yè)管理趨勢，樹立我國負(fù)責(zé)任漁業(yè)的良好形象，提高我國遠(yuǎn)洋漁業(yè)管理水平，確保漁船海上航行和生產(chǎn)作業(yè)安全，農(nóng)業(yè)部要求對所有遠(yuǎn)洋漁船分期分批實施船位監(jiān)測。為了支撐農(nóng)業(yè)部的管理要求，為漁民在遠(yuǎn)離陸地移動通信網(wǎng)覆蓋的海域里提供通信、定位、救援等服務(wù)，中國電信開發(fā)了漁信E通業(yè)務(wù)，并已經(jīng)在福建、山東、江蘇等地實施推廣，發(fā)展用戶超過20萬戶。

中國電信的漁信E通業(yè)務(wù)系統(tǒng)將作業(yè)漁船分為沿岸、近海、外海作業(yè)船舶，采用短波、超短波、CDMA、衛(wèi)星等不同通信手段結(jié)合實現(xiàn)對漁船的應(yīng)急管理，具有電子海圖顯示的船位查詢、群呼、選呼、航跡線查詢、信息發(fā)布、報警處置、海上救助調(diào)度指揮和漁船信息查詢管理等功能（見圖1）。漁信E通業(yè)務(wù)系統(tǒng)利用北斗短報文通信和北斗定位技術(shù)，構(gòu)建了一個海天地一體化的北斗衛(wèi)星海洋漁業(yè)綜合信息服務(wù)網(wǎng)絡(luò)，該系統(tǒng)一方面可為漁業(yè)管理部門提供漁船船位監(jiān)控、漁船緊急救援指揮、漁業(yè)政策發(fā)布、海上臺風(fēng)通行等服務(wù)；另一方面也可為海上漁業(yè)生產(chǎn)作業(yè)者提供自主導(dǎo)航、遇險求救；同時，中國電信還打通了北斗短報文和手機(jī)短信直接的接口，可以實現(xiàn)手機(jī)和北斗終端之間的點對點通信服務(wù)。

3 北斗高精度定位在車輛調(diào)度中的應(yīng)用

中國地域遼闊，2013年車輛擁有量已經(jīng)達(dá)到1.37億，每年新增車輛超過1400萬部。同時，中國鐵路運營里程超過11.2萬公里。汽車和火車機(jī)車的運營管理需要一種可靠的定位技術(shù)。目前，GPS定位技術(shù)占據(jù)了車輛定位的絕大部分市場，但隨著北斗高精度定位基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，車輛調(diào)度也出現(xiàn)了高精度定位的應(yīng)用場景。

3.1 北斗高精度定位技術(shù)

北斗高精度位置服務(wù)基于北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)，通過地面通信系統(tǒng)或衛(wèi)星播發(fā)導(dǎo)航信號修正量和輔助定位信號，實現(xiàn)北斗的高精度導(dǎo)航定位服務(wù)，向用戶提供精密導(dǎo)航定位服務(wù)，以及大眾終端輔助增強(qiáng)服務(wù)。北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)以北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)為主，兼容其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。這個系統(tǒng)的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在系統(tǒng)初始化時間更快、穩(wěn)定性更高、可快速實現(xiàn)高精度定位3個方面。

為得到更高的定位精度，通常采用差分技術(shù)：將一臺接收機(jī)安置在基準(zhǔn)站上進(jìn)行觀測，根據(jù)基準(zhǔn)站已知精密坐標(biāo)，計算出基準(zhǔn)站到衛(wèi)星的距離改正數(shù)，并由基準(zhǔn)站實時將這一數(shù)據(jù)發(fā)送出去。用戶接收機(jī)在進(jìn)行觀測的同時，也接收到基準(zhǔn)站發(fā)出的改正數(shù)，并對其定位結(jié)果進(jìn)行改正，從而提高定位精度。

根據(jù)差分基準(zhǔn)站發(fā)送信息的方式可將差分定位分為位置、偽距、相位差分3類。這3類差分方式的工作原理是相同的，即都是由基準(zhǔn)站發(fā)送改正數(shù)，由用戶站接收并對其測量結(jié)果進(jìn)行改正，以獲得精確的定位結(jié)果。所不同的是，發(fā)送改正數(shù)的具體內(nèi)容不一樣，其差分定位精度也不同。其中，偽距差分是應(yīng)用最廣的一種差分。偽距差分基準(zhǔn)站觀測所有衛(wèi)星，根據(jù)基準(zhǔn)站已知坐標(biāo)和各衛(wèi)星的坐標(biāo)，求出每顆衛(wèi)星每一時刻到基準(zhǔn)站的真實距離，再與測得的偽距比較，得出偽距改正數(shù)，并將其傳輸至用戶接收機(jī)，提高定位精度。這種差分技術(shù)能得到米級的定位精度。為北斗差分定位與普通北斗定位效果對比情況如圖2所示，其中左邊淺色軌跡為普通北斗定位效果，中間深色為北斗差分定位效果，深色右邊的淺色為RTK（mm級）標(biāo)定軌跡。

圖1 漁信E通平臺操作界面

3.2 車輛調(diào)度的高精度應(yīng)用場景

由中國電信北京研究院自主研發(fā)的北斗高精度位置服務(wù)系統(tǒng)能夠為各行業(yè)客戶提供北斗高精度位置服務(wù)，其中，以亞米級位置服務(wù)為主。主要優(yōu)勢在于，可以基于普通的北斗終端+偽距差分的北斗定位芯片提供高精度定位能力，相對于傳統(tǒng)的專業(yè)測繪終端，這大大降低了終端成本，從而提供了一種以較低成本實現(xiàn)高精度定位的解決方案，便于北斗高精度應(yīng)用的規(guī)模推廣。

目前，中國電信的北斗高精度定位系統(tǒng)已經(jīng)在北京某區(qū)的公交汽車調(diào)度系統(tǒng)上試點，為50臺公交汽車提供高精度定位調(diào)度服務(wù)，實現(xiàn)公交汽車的車道級定位跟蹤和調(diào)度能力，為公交的精細(xì)化管理探索經(jīng)驗。另外，中國電信北斗高精度定位系統(tǒng)正在鐵路機(jī)車上進(jìn)行試點，以實現(xiàn)鐵路機(jī)車在車輛編組站內(nèi)車道級的調(diào)度監(jiān)控能力。

4 通信網(wǎng)輔助的北斗定位應(yīng)用

移動網(wǎng)輔助衛(wèi)星定位技術(shù)是指通過移動網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通道來傳遞衛(wèi)星定位輔助信息，從而獲得移動終端位置的定位技術(shù)。中國電信在通信網(wǎng)輔助衛(wèi)星定位技術(shù)上經(jīng)驗豐富，目前運營著國內(nèi)唯一大規(guī)模商業(yè)的通信網(wǎng)輔助定位系統(tǒng)——gpsOne定位平臺。

gpsOne定位能力平臺由MPC、PDE和WARN組成。MPC為gpsOne移動定位中心，負(fù)責(zé)提供精定位請求的接入和管理；PDE是精定位定位實體，PDE根據(jù)移動終端所處環(huán)境的不同，選擇A-GPS、AFLT或Cell ID方式計算移動終端的位置信息確定移動終端位置。當(dāng)收到MPC的位置請求時，PDE與MSC、BSC以及MS等相關(guān)設(shè)備交換信息，利用各種測量信息和數(shù)據(jù)通過特定的算法完成具體的定位計算，并將最后的計算結(jié)果報告給MPC；廣域參考網(wǎng)（WARN）由若干個WARN站組成，負(fù)責(zé)動態(tài)監(jiān)測上空GPS衛(wèi)星數(shù)據(jù)，分布在全國各地。

和移動終端上純衛(wèi)星定位技術(shù)相比較，通信網(wǎng)輔助的衛(wèi)星定位技術(shù)優(yōu)勢主要有兩點：一是減小終端搜星時間；二是采取了平臺定位計算的方式，使得定位平臺可以知道終端的精確位置。從移動互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展趨勢來看，目前Wi-Fi+基站的混合定位方式已經(jīng)得到大規(guī)模的應(yīng)用，而混合定位的時延非常小，已經(jīng)能滿足終端快速定位的需求。所以，未來通信網(wǎng)輔助北斗定位技術(shù)將體現(xiàn)在平臺監(jiān)控的應(yīng)用場景中。

圖2 北斗差分定位與普通北斗定位效果對比

通信網(wǎng)輔助北斗定位系統(tǒng)要求終端、操作系統(tǒng)、芯片和定位平臺之間相互操作，所以終端、網(wǎng)絡(luò)必須嚴(yán)格執(zhí)行統(tǒng)一的定位技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。目前，通信網(wǎng)輔助的北斗定位標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)完成，但在系統(tǒng)建設(shè)和終端入網(wǎng)測試方面還需做進(jìn)一步的努力。

5 結(jié)束語

本文討論了北斗和GPS系統(tǒng)相比的差異化技術(shù)和應(yīng)用場景，分析了北斗短報文數(shù)傳技術(shù)、高精度定位技術(shù)、通信網(wǎng)輔助定位技術(shù)的應(yīng)用場景，為規(guī)模推廣北斗應(yīng)用進(jìn)行了研究和探索。

1 楊元喜.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的進(jìn)展、貢獻(xiàn)與挑戰(zhàn).測繪學(xué)報.2010

2 中國電信.中國電信漁信E通解決方案

3 楊恒,魏丫丫,李彬,郭丹等.定位技術(shù).電子工業(yè)出版社. 2013

DifferentiationApplication of BDS Technique

The BeiDou system has the characteristics of no blind spots and full coverage,and the capabilities of both positioning and satellite communications.The differentiation of GPS and BDS technology need to be considered in BDS civilian application.This paper focuses on the BDS short message data transmission technology,high-precision positioning technology,and the differential advantage with the combines of communication network.

BeiDou navigation satellite system,short message,pseudo-range point positioning,assisted BeiDou navigation satellite system support

2015-02-20）