交通运输领域卫星导航增强系统应用发展研究

●文｜中国交通通信信息中心　张炳琪



交通运输领域卫星导航增强系统应用发展研究

●文｜中国交通通信信息中心张炳琪

卫星导航的应用为交通运输引导、组织、服务带来了革命性的变化。在过去的近40年，卫星导航在交通上的应用经历了位置参考、概略导航、精细导航三个阶段。在位置参考阶段，卫星导航系统获得的位置信息可供交通工具导航参考，该阶段从20世纪70年代至80年代，主要的系统是子午卫星系统，定位精度不足1km，且需要间隔1个多小时定位一次，用户终端价格高昂，用户量很少，但即使是这样的定位精度和定位频度，也极大地方便了船舶导航。在概略导航阶段依靠卫星导航系统获得的位置信息可粗略地引导交通工具，该阶段从20世纪80年代中至90年代中，主要的服务系统是美国的GPS和苏联的GLONASS系统，民用定位精度可达百米，用户终端价格依旧较高，用户量较少，该阶段已经开始发展车辆导航应用。在精细导航阶段，可以依靠卫星导航定位信息进行道路级导航、引导车辆在复杂的路网中抵达目的地，该阶段是从20世纪90年代末至今，主要的服务系统加入了我国的北斗系统，定位精度可达10m，用户终端非常廉价，用户数量爆发式增长，为交通出行、管理、服务带来了很大的方便。

总结这三个阶段的发展趋势，卫星导航系统的精度越来越高、用户数量越来越多、在交通中的作用越来越大。在当前交通领域智能化、信息化的背景下，智能驾驶、无人驾驶等先进科技快速发展，新一代的交通组织和控制蓄势待发，对卫星导航定位提出了新的需求。预计在2020年前后，卫星导航交通应用将发展到第四个阶段，即位置控制阶段，定位精度将达到米级，同时对可靠性、连续性和定位频度都提出了更高的要求，服务系统将是GPS、GLONASS、北斗、伽利略、天基增强系统、地基增强系统、惯导、地基导航系统的综合集成。

构建位置控制阶段发展环境涉及诸多方面，本文将重点讨论其中最重要的支撑系统——卫星导航增强系统，分析增强系统分类、发展和趋势，研究交通运输领域应用需求，提出发展建议。

一、卫星导航增强系统发展趋势分析

自卫星导航增强技术出现以来，在世界各国建设了各种类型的增强系统，近年来国内外更是掀起了建设和使用增强系统的热潮。本文从应用角度对增强系统或服务的归类、发展阶段划分以及发展趋势进行讨论。

1.增强系统分类

增强系统按照各种维度可以分为不同种类，例如，按照播发链路的不同，可以分为天基增强系统和地基增强系统，按照服务范围可以分为广域增强系统和区域增强系统。本文从应用服务角度出发，将增强系统分为临时服务系统和永久服务系统，其中永久服务系统又可以分为专用系统、专业公共服务系统、通用公共服务系统和商业服务系统。目前在北斗系统工程中建设的北斗地基增强系统属于通用公共服务系统，在此基础上交通运输部门需要构建专业公共服务系统。以下将分别讨论各类系统的特点。

临时服务系统：是针对临时性、小范围的高精度定位需求，单位或个人临时建设的差分系统，短时间服务于小范围的特定用户。优势在于方便灵活，可以在没有永久服务系统的情况下实现高精度定位。缺点在于系统建设成本较高，需要架设临时基准站，服务质量不容易保证。临时系统在增强系统发展初期得到了大量应用。

永久服务系统：是针对某些应用建设的永久性服务系统，细分的四类永久服务系统特点如下：

①专用系统：单位或个人建设的“永久”差分系统，只服务于特定用户。如大坝监控、港口作业、农业。特点是应用单一，运行维护成本高，综合效益差。

②专业公共服务系统：政府或公共服务机构建设的面向某类应用的系统，提供开放服务。我国建设的沿海差分系统、美国的WAAS（广域增强系统）等是面向交通的公共服务系统。

③通用公共服务系统：政府或公共服务机构建设的可以满足多种应用的增强系统。如IGS服务（国际全球卫星导航服务），德国SAPOS（德国卫星定位与导航服务）系统，日本的QZSS系统（准天顶卫星系统）。

④商业服务系统：面向某类高附加值、对服务质量要求较高的应用，由商业公司提供有偿服务。如星火（Starfire）等系统，主要面向精准农业、海洋测绘等应用提供收费的增强服务。

2.发展阶段划分

增强系统随着卫星导航高精度定位技术不断发展，不同类型的增强系统面向不同的应用需求。按照建设时间和系统特点可以分为三个阶段：

第一阶段为初步发展期。从20世纪90年代初出现了面向局部高精度应用的单站差分增强系统，这个阶段多以临时服务系统的形式存在。

第二阶段为面向各专业应用的独立发展阶段。20世纪90年代中期开始出现面向某一应用方向服务的专业永久增强系统，为特定行业提供专业服务。各系统间相互独立发展，典型代表为美国的WAAS等增强系统。

第三阶段为资源共享、融合发展阶段。近几年来，国外建设的增强系统多具有综合服务功能。如欧洲EGNOS系统（欧洲自主建设的第一个卫星导航系统）不仅提供天基的增强服务，还可以通过企业级分布式应用服务（EDAS）功能利用地面通信资源播发增强信息，以满足不同应用的需求。

3.发展趋势分析

目前，国内外卫星导航增强系统的发展已经进入第三阶段，比较显著的发展趋势如下：

①基础融合：基础设施方面，基准站是所有差分增强系统的基础，世界各国均推动基准站的共用共享，包括各行业间和各国间；数据产品方面，卫星导航系统状态、精密轨道、精密钟差、电离层格网等产品具有通用性，可以在增强系统间共享。欧洲的SAPOS和EGNOS在基础融合方面做了很好的尝试。

②产品细分：各应用领域对增强服务的需求不尽一致，需要在基础融合的前提下，发展细分的增强服务产品。如日本QZSS系统可以播发多种差分信息和通信信息，实现从米级至厘米级的定位，还可以实现地震等自然灾害预警。随着卫星导航在智能驾驶和物联网等方面的深入应用，将会产生出更多的增强信息产品。

③服务多样：美欧现有的增强系统在服务多样化方面进行了很好的尝试，并取得初步成功。现有的增强服务包括公益服务、商业服务、全球服务、区域服务、天基服务、地基服务等，以满足不同用户的多种应用需求。

④应用普及：近年来国际主流导航型芯片纷纷增加增强辅助功能，定位精度和定位收敛速度不断提高。随着增强服务的普及，未来增强应用将不再是少数专业接收机的特有功能。

交通运输卫星导航增强系统的应用和发展应该符合上述趋势。

二、交通运输领域卫星导航增强应用需求

1.应用需求综合分析

卫星导航在道路运输、水路运输、公路基础设施建设和公众交通等领域对卫星导航增强服务的应用需求主要包含以下四类：

（1）1～2m级精度增强服务需求

船舶监控与导航、车辆监控与导航、公路养护和公众交通出行等应用均需1～2m级的精度增强服务，且该类服务要求覆盖主要内河、沿海和公路，实时性要求也比较高。用户包含营运车辆、乘用车辆、养护车辆及手机用户，预计用户规模将达到亿级。

（2）分米级精度增强服务需求

航道测量、航道疏浚、沿海船舶进港、车辆碰撞、事故调查、施工机械控制应用等均需提供分米级的高精度导航增强服务，根据应用的范围确定覆盖区域，且需要具备一定的实时性。分米级高精度导航位置需求发展迅速，涉及领域众多，用户规模将达到百万级。

（3）厘米级、毫米级精度增强需求

厘米级、毫米级精密定位服务主要面向交通基础设施建设工程前期测量、桥梁边坡形变监测、大型施工机械精密控制、驾驶员培训等应用领域，对实时性和可用性有较高的要求。厘米级实时精密定位服务初步针对固定的用户群，随着经济和社会的快速发展，用户规模会达到十万级。

（4）完好性增强服务需求

交通行业在生命财产安全方面具有其特殊性，地基增强系统不仅仅只考虑精度增强，还需要考虑完好性增强。在主要的交通导航应用中，船舶避碰告警、船舶进港引航、车辆碰撞预警和交通基础设施监测等对完好性均有相应的要求。

2.应用特点分析

与测绘、精准农业等应用相比，交通运输领域卫星导航增强应用有较强的特殊性，主要反映在用户规模、应用模式、使用范围和可靠性要求等方面。

首先，交通用户规模巨大，如在手机用户中推广增强应用则用户量更加巨大。这一特点要求增强服务系统具有很强的处理能力，能够应对千万级甚至亿级规模用户的服务。

其次，交通领域卫星导航增强应用模式多种多样，包括公众应用、企业应用和政府应用，各自的需求和价格敏感程度差异较大，需要根据各种细分市场提供多样化的服务产品。

再次，应用范围方面，交通运输具有流动性大，使用范围广等特点，要求在各省市、各公路、主要水路等主要交通应用领域均有一致的增强服务，这对增强服务的播发手段和覆盖范围具有较高的要求。

最后，可靠性方面，交通运输涉及到公路收费、违章处理等管理性应用，甚至涉及未来的无人驾驶等应用，对增强服务的精度和可靠性要求很高，需要增强系统具有稳定可靠的服务能力。

三、交通运输领域卫星导航增强系统应用发展思路

面向交通运输领域高精度定位应用需求，应在国家相关基础设施的基础上，利用良好的基准站资源，结合交通运输应用需求特点，提供细分的导航增强服务和数据产品，为公路和水路交通运输用户提供专业的卫星导航增强服务。发展思路如下：

（1）聚焦行业特点，打造专业服务

交通运输对于卫星导航增强服务的需求具有用户量巨大、可靠性高的特点，涉及安全生产和安全监管，关乎社会安全和人民群众生命安全，需要高质量、高可信的卫星导航增强服务。这就要求交通运输增强服务必须从专业角度出发，做好顶层设计，突出用户专业需求，充分考虑用户规模、用户对成本的接受能力等因素，建设专业系统，打造专业服务。

（2）发布标准规范，推动业务化运行

研究制定并发布交通运输卫星导航增强应用系列标准规范，确保系统建设、日常运维、运营服务等环节的标准化和规范化。要充分结合交通运输各个领域的业务化运行特点与需求，以标准规范的形式，推动北斗增强服务与交通业务结合的持续性和深入性。

（3）倡导免费服务，鼓励增值运营

作为交通运输领域的关键基础设施，应倡导增强数据和辅助定位免费服务，同时鼓励开展高精度位置服务增值运营，推动相关服务产业发展，反哺系统的日常运维和升级换代，保持系统的生命力，确保系统可持续发展。

四、结论

“十三五”期间位置应用将从“精细导航”阶段升级为“基于位置的控制”阶段，卫星导航增强系统提供的高精度定位能力和完好性告警能力是构建位置控制服务的关键基础。在我国已有增强服务基础设施的基础上，应遵循增强服务的发展规律，建设专用的增强服务系统，发布标准规范，尽快形成功能完善、性能一致、覆盖全国的交通增强服务。