· 文|航天恒星科技有限公司 侯倩 蒋勇 李东俊

构建北斗地基增强系统打造智慧城市基础设施

· 文|航天恒星科技有限公司 侯倩 蒋勇 李东俊

2008年，IBM公司提出智慧地球理念。智慧城市是智慧地球理念在城市中的实践。IBM从技术上给出的智慧城市定义是：智慧城市是能够充分运用信息和通信技术手段感测、分析、整合城市运行核心系统的各项关键信息，从而对于包括民生、环保、公共安全、城市服务、工商业活动在内的各种需求做出智能的响应，为人类创造更美好的城市生活”.它包括三方面的内容：更透彻的感知、更全面的互联互通、更深入的智能化。

位置信息感知是建立透彻感知能力的重要一步，也是实现城市智能化的基础。随着卫星导航技术、地理信息系统技术、射频识别技术、传感器技术的深度融合，卫星导航应用产业已发展为是以卫星导航和地理空间信息为基础、以具有时空特征标识的各类数据为资源、以面向市场需求提供智能化服务产品为主要特征的战略性新兴产业。

当前北斗导航系统已具备区域定位能力，提升精准时空信息服务能力是北斗导航产业化应用的基础和前提，将促进基于高精度位置服务的相关产业诸如农业信息化、工业智能化、测绘服务业实时性等产业升级，是构建智慧城市的信息基础设施。

一、智慧城市概述

1.智慧城市内涵

从技术上看，智慧城市是数字城市、物联网、云计算等先进技术的集合。从智慧城市建设可实施、可操作的角度出发，可认为“智慧城市＝数字城市＋智能管理＋泛在服务”。其中数字城市是建立在地理网格化、设施部件化、信息管理GIS化等基础上的城市基础地理信息平台；智能管理包括智能政务管理、智能民生管理和智能行业管理三方面内容；泛在服务是指综合运用物联网、云计算、卫星应用等新一代信息技术为智慧城市的服务对象（政府、公众或企业）提供无处不在的服务。

“数字城市”的概念源于“数字地球”，它以计算机技术、多媒体技术和大规模存储技术为基础，以宽带网络为纽带，运用遥感（RS）、全球导航定位系统（GNSS）、地理信息系统（GIS）、遥测、仿真技术等对城市进行多分辨率、多尺度、多时空和多种类的三维描述，即利用信息技术手段把城市的过去、现状和未来的全部内容在网络上进行数字化虚拟实现，并在此基础上将城市的各种数字信息及各种信息资源加以整合并充分利用。

“智慧城市”是继“数字城市”后，城市信息化发展的新目标和新阶段。相比数字城市，智慧城市更加强调城市信息的全面感知、互联互通，以及城市生活的智能决策与处理。数字城市与智慧城市之间的区别见表1。

表1 数字城市与智慧城市的区别

2.智慧城市体系架构

从天地一体化综合信息系统集成应用的角度提出智慧城市体系架构。智慧城市体系架构由一个平台、两张网络、三类应用、两个保障组成，如图1所示。一个平台为智慧共用的基础信息平台，两张网络为泛在感知网和天地立体通信网，三类应用为智慧政务应用、智慧民生应用和智慧行业应用，两个保障为信息安全体系和管理机制。

其中，彻底、有效的感知是智慧城市建设的基础和核心要求。按照刘经南院士对地球空间智能传感网的设想,未来应建立互联、共通、共享的天、空、地协同式感知网络。其中天基平台由各类卫星等构成，空基平台由平流层气球、飞艇、无人机等空基感知网络平台，地基平台则以卫星导航增强系统为主要骨干网络构成。

二、北斗地基增强系统建设现状

为提升北斗卫星导航服务性能以适应关系国家安全战略的重点行业及领域应用需求，促进北斗产业规模化发展，亟待建设层次互补、开放兼容、面向应用的北斗地基增强基础设施——基于北斗系统的多模连续运行参考站网。

图 1 智慧城市体系架构

1.北斗地基增强系统的组成

北斗地基增强系统主要由基准站子系统、数据处理中心、数据通信子系统、用户应用子系统构成。基准站是CORS系统的重要基础设施，为用户计算差分改正数等其他监测数据。CORS通信子系统是由GNSS卫星、计算机、GNSS接收机、用户通信设备、无线通信基站、网络设备等物理设备构成节点，由电话线、网线、无线信号等建立起来的物理链路。可以实现“基准站——数据中心”、“数据中心——用户终端”之间的通信。用户应用子系统是保证用户完成差分导航及定位的终端设备。按照应用场景不同可分为测量型、车载型、航空型、手持型等等。数据中心子系统是北斗 GNSS局域增强系统的核心单元，通过运行网络RTK系统管理和定位服务软件，实时快速处理多个GNSS基准站的数据，建立各种误差修正模型，为分布在各地的用户提供高精度的实时差分修正数，同时为事后用户提供高精度的参考数据。

CORS网通过建设若干永久性连续运行的基准站，实现对卫星信号长时间的连续跟踪观测，利用网络解算获取覆盖该地区和该时间段的“局域精密星历”及其他改正参数，用于测区内其它基线观测值的精密解算。其定位精度达到实时厘米级、事后毫米级，大大提高卫星导航系统应用效能，可向社会各行业提供各种地理空间信息数据服务，满足高精度测量需求。同时，连续运行参考站网可以提供连续不间断的对导航卫星的完好性监测，可对卫星精密星历、卫星精密钟差、大气层传播延迟等误差进行确定并播报，大大克服导航卫星系统在可靠性、可用性方面的脆弱性。

2.我国北斗地基增强系统建设情况

（1）国家级北斗地基增强系统总体布局

我国已迎来面向未来的重大空间信息化基础设施的密集建设期。2013年9月国务院办公厅颁布了《国家卫星导航产业中长期发展规划》。规划明确提出完善导航基础设施，未来以提升卫星导航服务性能为目标，加快建设统一、协调、完整、开放的卫星导航基础设施体系，重点建设多模连续运行参考站网等重大地面基础设施。

中国卫星导航系统管理办公室已将北斗地基增强系统作为中国第二代卫星导航系统重大专项应用推广与产业化项目，在“十二五”期间完成建设并投入使用。未来将充分依托行业部门及地方政府先期建设积累的GPS监测资源，借助各系统陆续开展北斗性能监测升级换代的时机，建成覆盖我国大陆和海域的近千个框架网和加密网基准站，构建可靠的天基和地基增强信息播发手段，提供广域2m级和分米级的北斗高精度导航位置服务和相关的完好性监测服务，以及区域厘米级、事后毫米级的北斗/GNSS精密定位服务，提供北斗/GNSS实时和事后数据交换服务，形成北斗卫星导航地面监测资源全国一张网，建成性能先进、稳定可靠的北斗地基增强系统。

（2）区域和行业北斗地基增强系统建设现状

我国多个区域和行业已意识到北斗卫星导航应用对提高产业效率、推动产业升级、拓展新兴消费领域等经济推动力，纷纷制定了导航产业相关规划并启动了区域CORS系统建设。

深圳市作为中国首个城市CORS示范建设城市，其先行先试效果明显。2012年11月，深圳市发改委发布了《关于深圳市北斗卫星导航系统应用产业化实施方案》。方案中提出建设三大基础工程，包括北斗地基增强系统、北斗时空服务平台、北斗产业创新平台，并明确将按照“智慧深圳”统一部署，推动北斗卫星导航系统的广泛应用，在智慧公交、警务车辆管理、私家车服务三大应用实施推广工程。深圳市北斗地基增强系统建设2013年6月启动，计划2014年验收投入使用。

湖北省CORS建设一直走在全国前列。2012年完成湖北省连续运行卫星定位服务系统（HBCORS）建设，建立了覆盖全省范围的80 个连续运行参考站和1个固定监测站。2013年12月政府出台了《湖北省北斗卫星导航应用产业发展规划（2014-2020年）》，规划中将建设和完成省北斗地基增强系统作为重大项目，提出要实现全省范围内的厘米级实时精密定位服务，并以此为基础，开发厘米级高精度定位智能终端产品，在智慧城市地理空间框架建设、地理国情普查及监测、基础测绘等方面的深度应用，实现北斗地基增强系统应用产业化。规划中还明确在智慧交通、智慧物流、现代农业、智慧林业、智慧航运、智慧社区六大领域基于北斗的智能化服务应用工程，并选择有条件的城市和区域开展智慧城市建设。

上海市战略性新兴产业项目——“北斗卫星高精度接收设备研制和地面增强网”已取得初步成果。2012年底，上海市完成北斗CORS应用示范项目建设。该项目共15站点，覆盖整个上海市区以及周边城镇，目前已经完成第一期工作，通过内部组织验收测试，精度和性能上均符合国家相关规范要求，正在进行试运行。2013年6月，上海市测绘院启动了上海市CORS系统北斗改造工程。根据上海市卫星导航产业的总体发展规划，到2015年，上海市要率先建成卫星导航基础设施比较完备，产业特色比较鲜明，产业规模相对较大，应用示范全面领先的城市，使卫星导航与位置服务成为上海展示智慧城市建设成果的载体。

除区域外，交通运输部也启动了导航地基增强系统的建设和推广应用工作。以往交通部在沿海建立了20余个GPS CORS构成了卫星定位地面差分站,主要用于沿海船舶导航定位。2013年4月26日，交通运输部综合规划司组织召开了“北斗地基增强系统建设方案论证研究大纲咨询会”, 标志着交通运输行业北斗地基增强系统建设方案论证工作正式启动。交通行业北斗地基增强系统，旨在为北斗交通行业深度应用提供有力支撑，为交通信息化和智能化提供高精度位置基础。目前论证的方案中具体建设内容包括：建设基于高速公路光纤网的卫星导航基础观测网络、增强数据处理中心，面向公路、内河、沿海、铁路、民航分别建设应用服务系统，包括高精度地图，多种信息播发手段和应用平台。

三、北斗地基增强系统的应用需求分析

1.北斗地基增强系统的行业应用需求总体分析

北斗地基增强系统可将北斗导航定位性能提高至实时分米级、厘米级和事后毫米级，在此梳理了四大类十四种行业应用对高精度位置信息的需求，综合其精度、可用性、实时性三类需求，可以发现建设覆盖全面的北斗地基增强系统是满足应用需求的最便利和经济的方式和手段，见表2。

表2 高精度位置信息在行业应用的需求分析表

续 表2

2.北斗地基增强系统的行业带动作用

北斗地基增强系统是改造提升传统产业的助推器和倍增器。在产品和装备中融入高精度伪距差分终端或软件，实现产品和装备的数字化和智能化，实现农业精准化、测量实时性、大型设备自动化。在物流运输过程融入时空位置信息，整合其他信息化手段，即可优化物流管理流程，实现过程智能化。CORS系统在高精度测量领域、现代精准农业、工业自动化、物流自动化等领域的应用，大大提高提升整个产业链的综合竞争能力，促进传统行业转型升级。

北斗地基增强系统是奠定物联网战略性新兴产业的基石。物联网建设首先要形成纵向天空地立体覆盖、横向全面无缝感知的信息感知网络。CORS网作为时空基准为所有智能感知网提供时空位置服务，其终端可与各类传感器共同完成信息采集，构成天、空、地一体化的地理域情感知网络。因此，CORS系统是物联网的重要基础设施。CORS网终端、芯片与各类传感器的融合，蕴含着巨大的创新空间，将催生大量新产品、新应用、新模式也将不断创新，从而推进物联网感知能力。

在智慧城市建设中，区域北斗地基增强系统的运营平台是智慧城市基础信息平台的重要组成。掌握CORS网运营，就等于掌握区域北斗高精度位置服务的标准制定和接口设计的主导权，对开拓区域物联网和智慧城市等时空基准服务关联市场掌握先机。同时，区域北斗地基增强系统的运营管理将掌握区域内大量用户的时空动态数据，为未来的大数据驱动型经济发展获取先机。

四、推动北斗地基增强系统的建议

未来北斗地基增强系统将作为智慧城市建设的基础设施，其部署将从根本上解决我国高精度位置服务领域的信息安全，未来其与互联网、物联网以及云计算、大数据的融合，将催生大量的新技术、新产品、新应用、新模式，为北斗产业化应用带来难得的发展机遇和广阔的发展空间。

当前，中国北斗地基增强系统仍然处于发展初期，依然存在亟待解决的问题。在技术层面，与美国GPS CORS参考站网络形成国家级、合作式、区域型三类设施不同，中国尚未形成各行业北斗地基增强系统的分类标准和技术要求。因此，制定北斗CORS建设和运营管理的标准对于促进各类地基增强系统的良性发展，并保证最终全国一张网的互通性和标准化有重要作用。

中国原有的GPS CORS的建设者和使用者主要集中为测绘、气象、地震等主管部门，为促进北斗地基增强系统的社会化应用，必须秉着开放、包容的原则，拓宽建设和运营北斗地基增强系统的门槛；同时，在平台的运营管理上，要结合分析其商业模式，为用户提供自动化、智能化解决方案，以创新商业模式带动产业链发展。

由于中国存在区域经济发展不均衡的问题，当前真正开始建设北斗地基系统的区域主要集中在经济发达区域，在西部等经济欠发达地区存在建站晚、站点少的问题，亟需从国家层面进行支持。

高分二号卫星上海融合影像

图为高分二号卫星获取的上海区域影像，为全色影像（0.8m）和多光谱影像（3.2m）融合图，接收日期为2014年9月25日。

国防科工局重大专项工程中心 制作中国资源卫星应用中心