logo

“逐梦太空,情系北斗” 北斗导航技术与产业应用

作者:钢铁大妮子2022.02.14 13:34浏览量:48

简介:北斗导航技术与产业应用

图片.jpg
本文为大家带来的演讲主题是:北斗导航技术与产业应用。主要分为六个部分:

  • 卫星定位的原理
  • 北斗系统的发展历程
  • 北斗系统的基本功能及功能迭代
  • 北斗系统在实际场景中的应用
  • 北斗系统在应用中的成功经验与教训反思
  • 北斗系统的发展趋势

开始分享前,先讲一个小故事,为什么对北斗系统那么执着?

大家是否记得2000年以前,我们使用的GPS服务精度是100米,其实系统真正服务精度是10米左右,100米的误差是人为对卫星信号加干扰产生的。这就是GPS的SA政策,GPS系统可以对部分用户局域关闭,也可以选择人为加干扰,使定位不准确,所以拥有独立自主的卫星导航系统非常重要。

既然导航系统这么重要,为什么现在世界上只有四大导航系统?下面就从导航系统基本原理说起。

卫星定位原理

图片.jpg
WAVE SUMMIT+2021深度学习开发者峰会
【科技创新,女性力量】论坛

简单来说,假设用户的空间位置坐标为(X、Y、Z)是待求的未知数,卫星的空间位置坐标(X1、Y1、Z1)为已知数,通过两点间距离公式,3颗星组成3个方程,就可以解出3个未知数(X、Y、Z),因此3颗卫星即可实现定位服务,一般还用第4颗星解共性误差(相当于第4个未知数),要想实现全球覆盖,一般要20几颗卫星。每颗卫星都是有寿命的,所以并不是每个国家都有这样的经济实力和技术能力建设自己的卫星导航系统。

北斗系统的发展历程

1. 北斗起步阶段
在90年代我们中国没有那么多钱,已故陈芳允院士创新地提出了双星定位原理:即利用两颗同步轨道卫星实现定位(把地球高程当已知数),提供区域服务。

2. 北斗的发展历程
北斗从1989年开始技术验证,1994年正式立项,2000年发射第一颗卫星,2007年北斗二代第一颗卫星升天,2020年全世界组网到位,成功走到这一步用了30多年的时间。

所以,任何一项成功都不是一蹴而就,是一代又一代北斗人的坚持与付出的结果。

北斗系统基本功能

现在的北斗系统已经具备定位、短信和授时三大基本功能,可以向全世界提供服务。但在实际应用中基本的定位精度远远不够,于是开始建设卫星导航增强系统,包括地基定位增强和星基定位增强。
1. 地基定位增强也叫局域定位增强
即通过地面铺设基准站来校准定位精度。它的基本原理是,基准站位置已知的,通过基准站实时定位出的位置解算是带有误差的,与已知的位置数据进行比较,形成误差参数,把这个误差参数发给用户,用户通过误差参数改正自己的实时定位结果,就实现了高精度定位。从这个原理可以看出,用户离基准站位置越近,精度就越高,甚至可以达到毫米级。

2. 星基定位增强
即在全国甚至全世界架设基准站,可以实现动态厘米级精度服务。

从另一个维度来讲,增强又可以分为有源定位增强和无源定位增强。
1. 有源定位增强
即把用户的位置提供给定位服务系统或平台,定位服务系统或平台通过云解算的形式向用户提供导航定位服务。百度地图、高德地图就是典型的有源服务形式。

2. 无源定位服务
有源定位服务对一些重要客户,会涉及用户的位置隐私,基于此,可以通过另一种方式,即无源定位服务,是基础站算出差分参数后播发给用户,由用户自己来消除误差,实现高精度定位,这种方式对用户设备的解算能力要求比较高。

北斗在实际场景中的应用

北斗基本服务与增强技术相配合,可以提供非常精准的服务,在各行各业得到了广泛应用,如:运输安全、运输组织、疫情防控、复工复产等。

1. 在运输安全方面
道路运输是最早使用北斗的行业之一,现在700多万“两客一危一重”营运车辆都已安装北斗终端,广泛使用北斗技术以来,一次10人以上道路运输重特大事故死亡率同比下降92%以上,取得了非常明显的应用效果。

2. 在运输组织方面
网络货运相当于货运领域的“网约车”,打“网约车”离不开位置,网络货运也一样需要北斗位置数据的支持。

3. 在其他方面
北斗在交通行业应用例子还有很多,比如说:多式联运、冷链运输、智慧港口等。
除了交通应用,北斗在其他行业也得到了非常广泛的应用。如:智慧农业农机自动驾驶、森林防火应急救援、珍惜林木跟踪监测、手机导航、电力基础设施无人监测等,其中授时功能应用最广泛的是通信基站的时间同步。

4. 在疫情防控方面
对于人来说,健康码、行程码,是通过通信基站定位来实现的。
对营运车辆来讲,也有健康码和行程码,是通过北斗位置数据实现的。

5. 在复工复产方面
2020年疫情初期,交通运输部发文“要求保障农民工的复工复产出行服务”。
为了疫情防控,省与省之间道路出行被人为截断(核实疫情情况),针对这种情况,为了让农民工跨省快速通行,我带领团队用18个小时搭建了“基于北斗的农民工出行系统”,车辆相关数据会自动传送给对方省份,实现了畅通无阻。

图片.jpg

从图片可以看出,系统2月11日上线使用后数据开始上行,说明农民工开始使用包车出行,2月底到3月初达到数据峰值,说明也是农民工出行高峰,4月初数据基本归零,说明4月初疫情基本稳定,农民工开始从包车出行变成常规出行。

图片.jpg

上图中,左边这两张是全国网约车和武汉网约车的出行数据对比,右上角是全国货运出行数据。从图中可以看出,人流出行恢复时间滞后于货运出行恢复时间,武汉客运恢复时间滞后于全国客运恢复时间。

通过这个例子可以看出,北斗大数据可以及时反映经济运行情况,因此确保大数据信息安全非常必要。

北斗系统在应用中的成功经验与反思

交通行业北斗应用经验
好的技术要想真正用得好,就必须跟业务工作深度融合,同时需要政策配套保障。
交通行业北斗应用可以总结四句话:标准先行,政策配套,制度管理,经费保障。
为了让北斗应用到位,我们制定了4项行业标准,并以部长令的形式推进落实。
为了让政策落实到位,我们又出台了系统运行管理办法。

当然好的应用离不开经费支持。一方面积极争取北斗示范工程专项经费,比方说:二代北斗第一个示范工程费1.2亿,其中北斗专项支持6000万、交通运输部配套3000万、地方交通配套3000万。

单靠示范工程引领还不够,交通通过示范工程积累经验,然后形成政策保障,以车辆出厂前装的方式实现全面性普及应用,另外交通运输部联合国家财政部制定了行业应用北斗专项。

交通行业北斗应用反思
在北斗应用初期,交通行业采用GPS和北斗兼容终端,但由于交通行业市场化程度非常高,在应用过程中出现了以GPS代替北斗的“假北斗”现象。

我们应用北斗的目的是,关键时刻不受制于人,运输组织不能乱。基于此,我带领团队研究出了北斗验真技术,从北斗设备里提取几个参数发送到管理平台,就可以实时识别当前的位置数据是北斗提供的,还是其他导航系统提供的,问题就这样解决了。

北斗的发展趋势

从技术上,北斗服务精度变得越来越高。
从设备上,用户终端变得越来越小,不仅自己芯片化,还能集成到其他芯片中。
从大系统上,通过星间链路技术对系统运行能力对地面依赖变得越来越弱。
从应用角度,北斗将以芯片形式与卫星通信、卫星遥感、地面通信等深度融合。

另外卫星信号进不到室内,为了实现室内外连续定位服务,北斗在应用中与室内定位技术融合,比如:视觉定位、5G定位等。

将来的北斗就是以芯片的形式存在于各行各业中,各个应用领域中。北斗将与百度齐飞。逐梦太空,情系北斗,让我们拭目以待。

发表评论