北斗卫星导航系统在智慧城市建设中的应用探讨＊

张 攀，朱敦尧，2，董红波

（1.武汉大学 卫星导航定位技术研究中心，湖北 武汉430079；2.武汉光庭信息技术有限公司，湖北 武汉430073；3.武汉大学 资源与环境科学学院，湖北 武汉430079）

0 引 言

2008年，IBM公司提出“智慧地球”概念，认为世界的基础结构正在向智慧的方向发展，可感应、可度量的信息源无处不在，互联网的平台让这一切互联互通，让一切变得更加智能[1]。见证人类文明发展历程的城市，是人们生活的聚集中心，在“智慧地球”概念的背景下，“智慧城市”的概念应运而生。或者说“智慧城市”是“智慧地球”实现的第一步和重要组成部分。智慧城市将为城市中的广大居民提供智能化的服务，作为一种新的城市形态，是城市由工业化城市、数字城市发展的必然趋势。

定位技术和通讯技术是实现城市智能化不可或缺的技术。提供定位技术的全球定位系统（GPS）自90年代用于民用以来，取得了非常广泛的应用。北斗卫星导航系统是中国自主研发建立的全球卫星导航定位系统，是继GPS和GLONASS之后第三个成熟的卫星导航系统。北斗的建设分三步走，第一步，在2000年，建成北斗导航试验系统；第二步，建成覆盖亚太地区的区域导航系统，称为“北斗二代”，随着2012年10月25日第16颗卫星的成功发射，宣告北斗系统区域组网工作顺利完成。第三步是到2020年，建成全球卫星导航系统。随着我国北斗卫星导航系统逐步的发展和进步，可以预见未来，在我国乃至世界，北斗将在导航与定位应用领域发挥重要作用。作为我国自主研发的卫星定位系统，北斗卫星导航系统将为我国智慧城市的建设和发展提供重要技术支撑。

1 北斗在数字城市阶段的应用

李德仁院士给出了一个公式，智慧城市＝数字城市＋物联网＋云计算[2]，得到广泛的认可。把智慧城市分为两个阶段，即数字城市阶段和物联网阶段，如图1所示。数字城市阶段，是把物理城市搬到互联网上，实现数字化，可以说是智慧城市的初级阶段[3]。物联网阶段，是将数字城市和物理城市进行关联，达到融合互动，从而实现智能化。

图1 智慧城市的两个阶段

“数字城市”是3S技术的产物，发展得比较成熟，可以狭义地理解为，以遥感（RS）、全球定位系统（GPS）、地理信息系统（GIS）等空间信息技术为主要手段，对地理信息资源进行整合，构建“数字城市”地理空间框架，建设城市地理信息公共服务平台，是城市实体在计算机中的虚拟表达[1]。随着3S技术的成熟，我国数字城市的建设早已步入实质性阶段，取得了一系列成果。数字政务，数字交通等，搭建起城市地理公共服务平台，实现了城市在经济、社会和生态等各个层面的数字化、网络化。

GPS是美国研发的全球定位系统，是四大卫星定位导航系统（GNSS）之一，在数字城市中基础地理信息的获取和位置服务等多方面发挥着重要作用。基于北斗二代的定位精度以及服务范围，北斗定位导航系统完全可以替代GPS，在我国数字城市建设中发挥重要作用。

2 北斗在物联网阶段的应用

物联网概念最早由比尔盖茨提出，于2005年11月在信息社会世界峰会（WSIS）被国际电信联盟（ITU）正式论述。物联网是通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把世界上所有物体与互联网连接起来，进行物体与网络之间的信息交换与通信，以实现物体智能识别、定位、跟踪、监控和管理的一种信息网络[4]。

物联网的关键环节或者组成部分可以归纳为“感知、传输、处理”，实现“及时、精确、面”地获取和处理信息[5]。物联网在逻辑架构上可以分为感知层、网络层和应用层，如图2所示[6]。

图2 物联网的逻辑构架图

在物联网的感知层，精确时间信息和位置信息感知中，目前主要利用GPS技术。北斗卫星导航系统的授时和定位功能可以实现时间和位置的感知，投入使用后，则可以完全取代GPS完成位置感知任务，在物联网的感知层中充当重要角色，成为感知层不可或缺的重要组成部分。

可以看出，全球定位系统在物联网中的作用，是实现定位、跟踪、监控和管理的技术支撑。北斗导航系统在物联网中的可以应用到感知层和网络传输层。

1）感知层

北斗导航系统可以提供时间信息、位置信息等。导航芯片是一个可精确测量目标位置和速度的传感器，可以直接使用北斗导航系统的短报文功能上传。另外，在另一个重要感知技术RFID中，可以将其读写器与导航芯片融合设计在一起，利用导航终端直接上传网络[7]。

2）网络层

由于北斗导航系统独有的短报文功能，可用于上传、下行信息，作为支撑网络应用，北斗导航系统具有以下优势：（1）导航信号分布广泛，即使在地理位置偏远和地形复杂地区，导航信号依然有稳定的覆盖；（2）独有的短报文通讯功能，每次可提供120字的短信服务，可以同时解决与“何人、何时、何地、何事”问题；（3）传输能力强，物联网终端通信的业务模式具有频繁状态切换和位置更新以及在某一个特定的时间集中聚集到某一地区的特征；（4）服务成本低，北斗导航系统提供免费的开放服务。

电信网络具有网络成熟、市场基础等优势。在今后物联网发展中，导航系统与电信网络可以优势互补，能更好地支撑物联网的发展。

3 北斗典型应用模型

根据在数字城市阶段和物联网阶段的应用分析，可以提炼出北斗导航系统的两种应用模型，静态模型和动态模型。

1）静态模型

静态模型主要是利用北斗定位系统获取基础地理信息以及满足测绘需求。具体包括：（1）大地控制测量，如图3所示的数字高程模型；（2）精密工程测量及变形监测，如水库大坝外观变形监测、滑坡外观变形监测以及机场轴线定位等[8]；（3）线路勘探及隧道贯通测量；（4）地形、地籍及房地产测量。这些工程上的应用，是构建数字城市的基础。

图3 数字高程模型

2）动态模型

动态模型主要是利用北斗定位系统进行实时位置服务。如图4所示，利用北斗终端获取实时的位置信息，并将位置和事件信息通过短文通讯传输给云计算中心，再通过物联网的网络层，将计算结果传输给有关管理部门，实现对该事件监控和处理。动态模型在智慧城市中有非常广泛的应用。

图4 北斗导航系统在智慧城市应用中的动态模型

4 应用实例

智慧城市的建设内容包罗万象，如城市的交通、医疗和环保等。凡需要定位及无线通讯技术的环节，都可以使用北斗。位置信息是智慧城市在感知层中非常关键的信息，只有掌握了位置信息，才能进行针对性的处理。北斗在智慧城市的建设中有非常广泛的应用空间。

1）智慧交通

智能交通系统通常包括交通信息、车辆监控、车辆管理以及车辆控制等子系统组成。在交通信息及通讯子系统中，诸如有关路段事故、急救等紧急、重要的信息在通过陆基无线／有线通信通道传输的同时，可以通过北斗系统的通信服务传输给监控中心及相关的北斗系统移动车辆用户终端，保证这些紧急、重要的交通信息在任何环境下不中断[9]，如图5所示。在交通监管子系统中，可以使用北斗进行路况信息采集与管理，车辆跟踪，智能调度及紧急救援等。

图5 智能紧急救援

2）智慧水电

如果在未来的水表中，装入北斗二代终端芯片，以及其他传感装备，则可以实现用水量数据的实时传送，以及实时监控企业和居民用水情况。如当出现用水异常，可以通过北斗二代短文通讯，反馈到水表终端，以提醒用户注意。同时管理部门也可以及时地获取到出现异常的位置信息，有利于做出判断和及时地处理。

在照明设备原有的配电和控制设备基础上，加入北斗二代终端芯片，可以增加定位和短文通讯功能，从而使照明设备处于可管理状态。通过网络实时将照明电压、功率、设备温度等监测数据上传到控制中心，结合位置信息，可以及时判断故障和进行处理。

利用动态模型，还可以实现对水电管网的在线实时监测，可以快速定位发生问题的地点，从而有效的解决地下管网监测难题，并且降低成本。

3）智慧环保

全球卫星定位导航系统（GNSS）与气象学的结合形成了GNSS气象学（GNSS／MET meteorology），主要利用GNSS理论和技术来遥感地球大气，进行气象学的理论和方法研究，可以测定大气温度及水汽含量，监测气候变化等。北斗作为四大卫星导航定位系统之一，将在我国气象领域发挥重要作用。

综合利用空气质量传感器、卫星定位以及卫星图片处理等技术，可以实时感知城市环境变化，对变化情况进行趋势分析和预测，及时发现问题。

5 结 论

智慧城市的建设，涉及人类生活的方方面面。基于北斗卫星导航系统的定位通讯技术以及各项传感、通讯、云计算等技术，让人们对智慧城市充满了遐想。人们对智慧城市的需求，以及城市智慧化的发展，为北斗的应用提供了广阔的市场，带来了前所未有的良机。同时北斗也经受着GPS深厚的应用基础以及价格、技术标准等多方面的挑战。但是北斗二代的建成，让人们对北斗充满期待。相信北斗一定会在我国乃至世界的智慧城市建设中发挥重要作用。

[1]吴余龙.智慧城市：物联网背景下的现代城市建设之道[M].电子工业出版社，2011.

[2]李德仁.从数字城市到智慧城市[R].2011.

[3]史文勇，李 琦.数字城市：智能城市的初级阶段[J].地学前缘（中国地质大学（北京）；北京大学），2006（5）：99－103.

[4]王保云.物联网技术研究综述[J].电子测量与仪器学报，2009（12）：1－7.

[5]解冲锋，孙 颖，高歆雅.物联网与电信网融合策略探讨[J].电信科学，2009（12）：9－12.

[6]李明凡，张红领.北斗将成为物联网的重要组成部分[J].国际太空，2012（4）：42－45.

[7]潘程吉，汪 勃.北斗导航系统在物联网中的应用展望[J].遥测遥控，2011（11）：14－17.

[8]徐绍铨，张华海，杨志强，等.GPS测量原理及应用[M].武汉大学出版社，2008.

[9]徐志刚.北斗卫星导航系统在智能交通系统中的应用[C]／／第三届中国卫星导航学术年会，2012.