北斗精準(zhǔn)定位(增強(qiáng)系統(tǒng))產(chǎn)業(yè)報(bào)告

1、【關(guān)注】2016北斗精準(zhǔn)定位（增強(qiáng)系統(tǒng)）產(chǎn)業(yè)報(bào)告2016-03-24 今日北斗引言        當(dāng)前,全球衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用產(chǎn)業(yè)正經(jīng)歷三大轉(zhuǎn)變:       從單一的 GPS 系統(tǒng)時(shí)代轉(zhuǎn)變?yōu)槎嘈亲⒋婕嫒莸腉NSS 時(shí)代;       從以車輛應(yīng)用為主體的市場(chǎng)格局,轉(zhuǎn)變?yōu)榕c通信相融合的以個(gè)人消費(fèi)為主流市場(chǎng)的新格局;       從經(jīng)銷應(yīng)用產(chǎn)品為主,轉(zhuǎn)變?yōu)槲恢梅?wù)為主的服務(wù)產(chǎn)業(yè)化新時(shí)期。一、何為“導(dǎo)航”，不僅僅是定位· 全

2、球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)是能在地球表面或近地空間的任何地點(diǎn)為用戶提供全天候的三維坐標(biāo)和速度以及時(shí)間信息的空基無(wú)線電導(dǎo)航定位系統(tǒng)。利用該系統(tǒng),用戶可以在全球范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)全天候、連續(xù)、實(shí)時(shí)的三維導(dǎo)航定位和測(cè)速;另外,利用該系統(tǒng),用戶還能夠進(jìn)行高精度的時(shí)間傳遞和高精度的精密定位。· 衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)目前已基本取代了地基無(wú)線電導(dǎo)航、傳統(tǒng)大地測(cè)量和天 文測(cè)量導(dǎo)航定位技術(shù),并推動(dòng)了大地測(cè)量與導(dǎo)航定位領(lǐng)域的全新發(fā)展。 · GNSS 以其覆蓋的廣泛性(全球 4 重以上覆蓋)、信息的全面性(PVTA十參數(shù))、應(yīng)用的通用性(陸?？仗?、軍民政科)、服務(wù)的全天候(晝夜晨昏、風(fēng)霜雨雪)、性

3、能的卓越性(PNT 高性能)、成本低廉(信號(hào)免費(fèi)公開,機(jī)體嵌入集成)等 6 大優(yōu)點(diǎn)得到各界青睞。 二、導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)美國(guó)主要的增強(qiáng)系統(tǒng)GPS 提供的民用定位服務(wù)比現(xiàn)有任何類型的陸基導(dǎo)航系統(tǒng)精度都要高。但是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)還存在著一些固有的缺點(diǎn)。· 導(dǎo)航星座不能完全覆蓋地球。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)屬于無(wú)線電導(dǎo)航系統(tǒng)的一種,系統(tǒng)定位時(shí)需要在衛(wèi)星可視情況下才能發(fā)揮其正常功能,但是建筑物、高山、森林等都有可能導(dǎo)致衛(wèi)星的不可觀測(cè),或者是墻、水面、山的側(cè)面等所造成的多路徑干擾也能導(dǎo)致接收機(jī)對(duì)觀測(cè)衛(wèi)星無(wú)法正確識(shí)別,這些因素都會(huì)導(dǎo)致用戶定位性能的下降。· 隨著導(dǎo)航應(yīng)用領(lǐng)域的日趨廣泛,各種特殊的導(dǎo)

4、航應(yīng)用需求被提出,導(dǎo)航應(yīng)用環(huán)境也日趨復(fù)雜。在地下室、地鐵、室內(nèi)、隧道、森林、礦區(qū)等等各種復(fù)雜環(huán)境中,導(dǎo)航信號(hào)會(huì)受到嚴(yán)重的衰減甚至不可用。例如, 存在著“城市峽谷”效應(yīng)的高樓林立的城市之中,導(dǎo)航信號(hào)被遮擋造成可見衛(wèi)星不足,從而無(wú)法定位;在車載導(dǎo)航中,由于交叉道路多、路邊的建筑物比較密集,信號(hào)會(huì)產(chǎn)生明顯的多徑效應(yīng);而在磁懸浮列車、高速運(yùn)動(dòng)的飛行器等情況下導(dǎo)航信號(hào)的信噪比就更差。因此,用戶對(duì)導(dǎo)航接收機(jī)的要求也就越來(lái)越高了。· GPS 衛(wèi)星更新的基本策略是某一顆衛(wèi)星出現(xiàn)故障就發(fā)射新的衛(wèi)星代替, 因此在導(dǎo)航星座中當(dāng)某顆導(dǎo)航星座發(fā)生了故障而代替衛(wèi)星還沒有發(fā)射的時(shí)間段里,用戶定位的性能就很容易下降

5、。在某些特定用戶中,用戶接收到的導(dǎo)航信息的完好性可能直接關(guān)系著用戶的生命安全。因此, 當(dāng) GPS 系統(tǒng)的服務(wù)性能下降時(shí),尤其是當(dāng)系統(tǒng)的某個(gè)模塊出現(xiàn)故障時(shí),發(fā)播出的導(dǎo)航信息往往就是不可靠的信息,那么導(dǎo)航系統(tǒng)把自身系統(tǒng)運(yùn)行情況及時(shí)通知到用戶就十分關(guān)鍵。單純依靠衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),哪怕是目前定位精度最高的 GPS 系統(tǒng),也無(wú)法滿足一些對(duì)定位精度要求比較高的應(yīng)用需求,比如航空領(lǐng)域的飛機(jī)精密進(jìn)近等。因此,針對(duì)這一需求,尤其是來(lái)自航空業(yè)的迫切需要,許多國(guó)家都發(fā)展了自己的衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)。90 年代開始,美國(guó)、歐洲、日本等國(guó)家分別建立了GPS的GBAS(地基增強(qiáng)系統(tǒng))和SBAS(星基增強(qiáng)系統(tǒng)),這些增強(qiáng)系統(tǒng)的目的

6、就是利用外部獨(dú)立的監(jiān)測(cè)手段實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航系統(tǒng)的完好性保證。具體的方法就是在地面設(shè)置監(jiān)測(cè)站,監(jiān)測(cè) GPS 衛(wèi)星的狀況,當(dāng)然也包括監(jiān)測(cè)系統(tǒng)本身的故障因素, 然后把綜合的系統(tǒng)信息發(fā)播給用戶。該方法最早稱為 GPS 完好性通道(GIC),并且基本實(shí)現(xiàn)了 GPS 系統(tǒng)的完好性監(jiān)測(cè)。· 目前美國(guó)設(shè)計(jì)和建造的 WAAS(廣域增強(qiáng)系統(tǒng))系統(tǒng)不僅能為美國(guó)本土用戶提供可視區(qū)內(nèi)GPS衛(wèi)星和導(dǎo)航系統(tǒng)的完好性狀況,而且能為用戶提供衛(wèi)星鐘差、電離層改正數(shù)和衛(wèi)星星歷改正數(shù),這些改正數(shù)提高了用戶的定位精度。 · 同時(shí),歐洲也建立了自己的增強(qiáng)系統(tǒng)(SBAS),即 EGNOS(歐洲靜止地球衛(wèi)星導(dǎo)航覆蓋系統(tǒng)

7、);日本民航局也在開發(fā)擁有主權(quán)的衛(wèi)星增強(qiáng)系統(tǒng)(MSAS)。這些系統(tǒng)都利用基準(zhǔn)站來(lái)監(jiān)控 GPS 衛(wèi)星,并計(jì)算出差分改正數(shù)和給出完好性信息。盡管 FAA(聯(lián)邦航空局)推動(dòng)廣域地基增強(qiáng)系統(tǒng)向星基增強(qiáng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變主要著眼于提高導(dǎo)航系統(tǒng)的準(zhǔn)確度和可靠性,但并不說明 WAAS 系統(tǒng)在完好性測(cè)定中的指標(biāo)十分完美。 三、星基增強(qiáng)系統(tǒng)各SBAS系統(tǒng)（星基增強(qiáng)系統(tǒng)）全球分部圖世界上正在使用的星基增強(qiáng)系統(tǒng)有:美國(guó)的WAAS(廣域增強(qiáng)系統(tǒng)),歐洲的 EGNOS(歐洲同步衛(wèi)星導(dǎo)航覆蓋系統(tǒng)),日本的 MSAS(多功能衛(wèi)星增強(qiáng)系統(tǒng)),印度的 GAGAN(GPS 輔助型靜地軌道增強(qiáng)導(dǎo)航系統(tǒng)),俄羅斯的 SDCM(差分

8、校正和監(jiān)測(cè)系統(tǒng))。 · 在美國(guó),FAA 領(lǐng)導(dǎo)著 WAAS 的開發(fā)工作,WAAS 基本上覆蓋了美國(guó)的大陸部分。在與FAA 的緊密合作中,加拿大正在實(shí)施加拿大WAAS(CWASS),以作為它的衛(wèi)星導(dǎo)航計(jì)劃的一部分。· 在歐洲,歐洲三方小組(由歐盟,歐空局和歐委會(huì)組成)正在開發(fā)EGNOS,它將覆蓋歐洲民航會(huì)議(ECAC)指定的地區(qū),該機(jī)構(gòu)已經(jīng)完成了 EGNOS 設(shè)計(jì)方案和工程可行性的分析論證,對(duì) EGNOS 要實(shí)現(xiàn)的功能、將使用的算法和可靠性情況進(jìn)行了綜合研究。美國(guó)的星基增強(qiáng)系統(tǒng),即廣域增強(qiáng)系統(tǒng)(WAAS),由地面監(jiān)測(cè)站網(wǎng)絡(luò)和同步通信衛(wèi)星構(gòu)成,用來(lái)增強(qiáng)GPS的服務(wù)性能,

9、由美國(guó)聯(lián)邦航空管理局 (FAA)建設(shè)和管理。WAAS 最初設(shè)計(jì)目標(biāo)是利用 GPS/WAAS 來(lái)替代 ILS 實(shí)現(xiàn)美國(guó)本土機(jī)場(chǎng)的一類精密進(jìn)近,WAAS 系統(tǒng)現(xiàn)由 38 個(gè)廣域監(jiān)測(cè)站、3 個(gè)廣域主控站、3 顆地球同步衛(wèi)星、6 個(gè)地面上行注入站、2 個(gè)操作控制中心以及陸地通信網(wǎng)絡(luò)組成。· 廣域增強(qiáng)系統(tǒng)利用遍布北美和夏威夷的地面參考站采集 GPS 信號(hào)并傳送給主控站。主控站經(jīng)過計(jì)算得出差分改正,并將改正信息經(jīng)地面上行注入站傳送給 WAAS 系統(tǒng)的 GEO 衛(wèi)星。最后由 GEO 衛(wèi)星將信息播發(fā)給地球上的用戶,這樣用戶就能夠通過得到的改正信息精確計(jì)算自己的位置。· 廣域增強(qiáng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)定

10、位水平精度達(dá)到了 3-5 米,且垂直精度達(dá)到了3-7 米,最關(guān)鍵的是用戶無(wú)需增加任何額外的導(dǎo)航設(shè)備。廣域增強(qiáng)系統(tǒng)在 20 世紀(jì) 90 年代開始被研制開發(fā),而 2003 年 7 月它的信號(hào)可覆蓋美國(guó) 95%的領(lǐng)土,且 2007 年 9 月它的服務(wù)區(qū)域由美國(guó)國(guó)內(nèi)擴(kuò)展到 。WAAS系統(tǒng)體系構(gòu)架WAAS 最大的貢獻(xiàn)是對(duì)傳統(tǒng)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)架構(gòu)的完善,其率先采用的星座增強(qiáng)結(jié)構(gòu)、服務(wù)區(qū)柵格化監(jiān)管、完好性概念、完好性監(jiān)測(cè)與處理結(jié)構(gòu)、完好性通道、兼容與互操作設(shè)計(jì)等很多理念、結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)。·  WAAS 可以向大范圍內(nèi)的用戶提供精確的定位服務(wù)和相應(yīng)的完好性保障,這就使得服務(wù)范圍內(nèi)的所有機(jī)場(chǎng)可以

11、實(shí)現(xiàn)精密進(jìn)近,而且允許設(shè)計(jì)不同的進(jìn)近方式并降低開發(fā)和使用的費(fèi)用。· WAAS 不但可以為飛行提供很多便利,同時(shí)還大幅度降低了運(yùn)行和維護(hù)成本。在機(jī)場(chǎng)安裝一套 ILS(Instrument Landing System)設(shè)備價(jià)格昂貴。在全美范圍內(nèi),有600個(gè)機(jī)場(chǎng)安裝了 ILS 設(shè)備,其每年的維護(hù)費(fèi)用約8千萬(wàn)美元,而WAAS可以為5400個(gè)機(jī)場(chǎng)提供服務(wù),每年的維護(hù)費(fèi)用僅5000美元。WAAS地面系統(tǒng)分布四、地基增強(qiáng)系統(tǒng)雖然天基增強(qiáng)系統(tǒng)不像傳統(tǒng)導(dǎo)航設(shè)備那樣受限于覆蓋范圍,但是天基增強(qiáng)系統(tǒng)至多只能支持 APV I 精密進(jìn)近的所需導(dǎo)航性能要求,對(duì)于難度更大、導(dǎo)航性能要求嚴(yán)格的 CAT I/II/

12、III 精密進(jìn)近,則必須采用地基增強(qiáng)系統(tǒng)。在地基增強(qiáng)系統(tǒng)中,用戶接收到的增強(qiáng)信息來(lái)自地基發(fā)射機(jī)。增強(qiáng)信息通過通信數(shù)據(jù)鏈以數(shù)字格式廣播給用戶。地基增強(qiáng)系統(tǒng)由地面站、監(jiān)控設(shè)備和機(jī)載設(shè)備組成。· 地面基準(zhǔn)站完成差分定位,并將對(duì)應(yīng)各顆衛(wèi)星的差分修正量發(fā)送給地面主控站,主控站經(jīng)過相關(guān)處理并通過地面布設(shè)的甚高頻網(wǎng)絡(luò)廣播高精度的差分修正信息和完好性信息,從而為其作用區(qū)域內(nèi)的航空用戶提供全天候、滿足 I 類精密進(jìn)近要求的導(dǎo)航服務(wù)。近年來(lái)地基增強(qiáng)系統(tǒng)一直是衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域研究熱點(diǎn)之一,其主要原因在于,它能夠取代傳統(tǒng)的微波著陸系統(tǒng)和儀表著陸系統(tǒng),提供更為經(jīng)濟(jì)的導(dǎo)航服務(wù)。 基準(zhǔn)站在整個(gè)廣義完好性保障

13、體系中占有重要的地位,是廣義完好性保障體系的重要組成部分。· 基準(zhǔn)站在接收和跟蹤導(dǎo)航系統(tǒng)電文的同時(shí)要能夠有效修正對(duì)流層延遲、電離層延遲偏差,保證基準(zhǔn)站輸出數(shù)據(jù)成為中心站計(jì)算改正數(shù)的基礎(chǔ)。而且基準(zhǔn)站的硬件和軟件設(shè)計(jì)必須能發(fā)現(xiàn)導(dǎo)航星座偽距的變化率、其它故障或超差現(xiàn)象,能具備隔離故障和判斷具體超差設(shè)備的能力,并對(duì)不同的故障和超差現(xiàn)象具有不同的反映,然后回溯到故障點(diǎn)或超差點(diǎn) 。五、行業(yè)新應(yīng)用導(dǎo)航通信融合· GPS 系統(tǒng)在設(shè)計(jì)之初就沒有考慮通信功能,為了滿足日益興起與迅速發(fā)展的基于位置服務(wù)的通信需求,人們不得不在 GPS 系統(tǒng)之外解決將 GPS 定位接收機(jī)得到的位置信息進(jìn)行回傳或者廣

14、播的問題。 基于位置服務(wù)位置服務(wù)是通過移動(dòng)獲取的方式確定實(shí)際目標(biāo)的地理位置,從而提供給用戶基于這樣位置的服務(wù)信息,實(shí)際上人類活動(dòng)的信息80%是與空間信息有關(guān)的。精準(zhǔn)定位作為一種全天候?qū)崟r(shí)性定位手段,其優(yōu)勢(shì)在于安全和精準(zhǔn)，但不能單獨(dú)存在,必須依托企業(yè)的 GIS 平臺(tái)而存在,簡(jiǎn)單地說,就是必須和地圖結(jié)合起來(lái),才能發(fā)揮最大的優(yōu)勢(shì)。 北斗精準(zhǔn)定位服務(wù)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖· 系統(tǒng)層由 CORS 系統(tǒng)(連續(xù)運(yùn)行參考站)和用戶數(shù)據(jù)組成。· 服務(wù)層主要解決的是用戶取得精準(zhǔn)位置的問題,重點(diǎn)在于用戶所用終端及對(duì)用戶取得定位精度的分級(jí)管理,另外各個(gè)行業(yè)、公司的基礎(chǔ)GIS業(yè)務(wù)平臺(tái)也屬于

15、服務(wù)層,涉及到大量精準(zhǔn)定位終端和 GIS 平臺(tái)軟件。· 應(yīng)用層則是一個(gè)根據(jù)行業(yè)細(xì)分的軟件開發(fā)領(lǐng)域,精準(zhǔn)位置除了與地圖數(shù)據(jù)結(jié)合可以達(dá)到監(jiān)控、定位、導(dǎo)航、調(diào)度等的應(yīng)用外,還要和各行各業(yè)的實(shí)際業(yè)務(wù)需求相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)室外工作流程的電子化、規(guī)范化，這便需要在定位終端和后臺(tái) GIS 平臺(tái)兩個(gè)層面進(jìn)行軟件的二次開發(fā)，如燃?xì)獾墓芫€定位終端便要和管線探測(cè)儀等專業(yè)設(shè)備連接,并在定位終端和后臺(tái) GIS 平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)管線探測(cè)儀數(shù)據(jù)的識(shí)別、傳輸和分析,還要結(jié)合巡檢、焊接人員的作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)流程開發(fā)終端軟件。 智慧導(dǎo)航· 精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)首先由美國(guó)農(nóng)業(yè)工作者于 20 世紀(jì) 90 年代初倡導(dǎo)并實(shí)施的。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè),

16、通俗地講就是綜合應(yīng)用現(xiàn)代高新科技,以獲得農(nóng)田高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效的現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式和技術(shù)體系。 · 具體說精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)就是利用遙感、衛(wèi)星定位系統(tǒng)等技術(shù)實(shí)時(shí)獲取農(nóng)田每一平方米或幾平方米為一個(gè)小區(qū)的作物生產(chǎn)環(huán)境、生長(zhǎng)狀況和空間變異的大量時(shí)空變化信息,及時(shí)對(duì)農(nóng)業(yè)進(jìn)行管理,并對(duì)作物苗情、病蟲害、墑情的發(fā)生趨勢(shì),進(jìn)行分析、模擬,為資源有效利用提供必要的空間信息。在獲取上述信息的基礎(chǔ)上,利用智能化專家系統(tǒng)、決策支持系統(tǒng),按每一地塊的具體情況做出決策,準(zhǔn)確地進(jìn)行精準(zhǔn)播種!精準(zhǔn)施肥、精準(zhǔn)噴灑農(nóng)藥、精準(zhǔn)灌溉、精準(zhǔn)收獲等精準(zhǔn)作物生產(chǎn)管理。· 由地學(xué)空間信息技術(shù)與現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)相結(jié)合組成的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù),其實(shí)施過程可描述為:用帶 GPS 的聯(lián)合收割機(jī)自動(dòng)生成的作物產(chǎn)量分布圖(典型空間分辨率為 15m)和田塊的地形、地貌、土壤參