北斗导航助力时空大数据实现精准位置服务

文｜杨力 袁蕊

一、时空大数据面临的挑战

时空大数据是以地球为对象，基于统一时空基准的、与位置直接或间接相关联的地理要素（或现象）信息的数据，也称为地理空间信息数据。主要体现在时空基准数据、轨迹数据、遥感数据、地图数据和媒体数据，具有时间维（T）、空间维（S）和属性维（D）等多维特征。

1.时空大数据的三大革命

面对信息爆炸的大数据时代，如何高效使用时空大数据，数据挖掘面临着新的使命和挑战。

第一，数据采集大多以不同传感器而获取感知，数据融合带来困难。感知地理空间信息的手段在不断发展，已经从传统测量仪器的信息获取发展到多传感器为代表社会感知，如摄像头、导航仪、遥感、互联网、穿戴设备、RFID、WiFi等等，信息多样会带来标准不一、尺度不一、精度不一，于是信息融合面临挑战。

第二，海量数据的杂乱无章，以云计算为代表的数据分析与挖掘成为主流。感知社会的数据杂乱无章，如何形成有序的地理空间信息，就要利用计算机技术别名分类，建立多维动态实时GIS数据模型，实现时空表达管理的智能化、动态化，利用云计算技术实现数据分析和挖掘，地理空间分析从二维到三维，动态发展到四维空间特征，让无序的海量数据实时有序表达与可视化。

第三，以智慧城市为代表的精准服务，使得城市更加智能和动态。时空大数据与云平台建设同城市经济社会发展的目标愿景相契合，与民众关注需求、城市发展相呼应，智能交通、智慧社区、智慧医疗、智能电网等都需要精准位置的智能服务，让时空大数据在智慧城市建设中应用好才能达到智慧城市的初衷，同时智慧化应用的发展对时空大数据提出新的要求：第一，统一的时空基准；第二，精确的位置服务；第三，动态的实时服务；第四，可靠的安全服务；第五，服务的可持续性。

2.时空大数据的发展需要高精度时空基准

近年来随着互联网位置服务和共享经济兴起，时空信息服务已经深入到人类生产生活的各个领域，北斗导航功能逐渐成为车载导航和智能手机终端的标配，跟用水用电一样不可或缺。在共享单车行业中，摩拜、ofo等都需要精准的位置服务，通过电子围栏技术解决乱停车的问题。未来人工智能时代的自动驾驶、无人机、机器人等新兴行业更离不开精准时空服务，北斗导航是时间、空间数据感知获取的重要手段，北斗高精度定位为公共服务提供精准位置，北斗短报文功能则提供了覆盖全球的通信渠道。基于时空信息与大数据的融合所形成的“精准时空大数据”， 全面构建一个在任何时间、任何地点都能提供精准时空信息的大数据服务体系，从而培育“北斗时空+共享经济”的位置服务新业态，为提供高精度的厘米级的定位服务以及空间信息服务，共享单车、无人驾驶等新产业获得了技术支撑。

目前，北斗时空大数据共享服务平台，推进了在个人位置服务、城市公共管理以及新一代平安城市等领域的应用。通过创新与融合发展，形成一个多源感知、全面共享的智能信息生态系统，助推人类迈向更美好、更智慧的生活。

二、发展北斗构建精准时空基准

1.建设北斗卫星导航系统的背景

20世纪60年代中期，美国和苏联相继发展卫星无线电导航业务（RNSS），90年代初期，建成了第二代卫星无线电导航系统GPS和GLONASS，并实现了全球范围内的高精度、连续定位服务。其中，美国GPS系统在海湾战争等局部战争中发挥了重要作用。同时，在民用领域应用空间巨大，引起世界各国高度重视，研究和应用GPS的热潮风生水起。

上世纪80年代，根据国防和军队建设需求，我国军事测绘导航主管部门开始将卫星导航定位理论及应用列为重点攻关方向，启动卫星导航定位系统的论证研究工作，陈芳允院士提出了利用两颗地球同步卫星进行导航定位的构想，即“双星定位”理论，为北斗系统工程建设奠定了基础。随着国民经济建设飞速发展，交通运输、农林牧渔、通信、电子、金融等行业都对卫星导航应用具有强烈需求，于是电力、金融证券和移动通信等重要领域采用了GPS的授时系统。但是，在涉及国家安全和经济命脉的领域中应用国外卫星导航定位系统将存在严重安全隐患，一旦出现紧急情况或重大利益冲突，“授时”“定位”服务将受到掣肘，甚至胁迫，没有自主可控的时间基准，将导致金融、电力等系统工作混乱甚至瘫痪，没有自主可靠的精确位置，将使精确打击成为空话。因此，我国必须建立独立自主的卫星导航定位系统。

为满足国家安全、经济建设、科技发展和社会进步等方面的需求，维护国家权益，增强综合国力，以“双星定位”理论为基础，国家开始有组织地研究中国北斗导航试验系统的建设以及技术攻关。根据当时国家经济建设的实际情况，统筹经费来源，1994年批准立项我国第一代卫星导航系统—“双星定位工程”，2000年建成了无线电测定卫星定位系统（RDSS），并以“北斗”来命名，逐步确立了以实现区域卫星导航为起点，以最终建设全球导航系统为目标的“三步走”发展战略。

2.建设北斗导航系统的步骤

结合国情，提出并实施北斗卫星导航系统建设规划任务后，在系统建设的实践中逐渐形成并科学合理地制定了“三步走”战略发展规划，循序渐进、边建边用，从无到有、从区域到全球。

第一步，区域有源导航系统，即“北斗一号”卫星导航定位系统。这是中国自主研发，利用地球同步卫星为覆盖中国和周边地区的用户提供全天候的卫星导航定位服务，一是解决了我国有无自主卫星导航系统的问题，二是为后续建设全球性系统积累经验。

第二步，区域无源导航系统。2004年，我国启动“北斗二号”导航系统；2007年4月，第一颗试验卫星发射成功；至2012年底，正式开通运行了由14颗卫星组网的覆盖亚太地区的“北斗二号”系统，解决亚太地区无源定位、导航和授时应用问题，同时兼顾“北斗一号”的特点和优势，被联合国确定为全球卫星导航系统四大核心供应商之一，跻身世界卫星导航强国。

第三步，全球卫星导航系统。2009年，启动全球卫星导航系统“北斗三号”建设；预计到2018年底，为“一带一路”沿线及周边国家提供服务；到2020年，将建成由30多颗卫星组成的全球卫星导航系统，提供覆盖全球的高精度、高可靠的定位、导航和授时服务，并实现与美国GPS、俄罗斯GLONASS等卫星导航系统并驾齐驱、兼容互操作，完成我国北斗卫星导航系统建设的第三步战略。

3.建设北斗全球系统

“北斗三号”卫星导航系统其建设目标是为全球的“北斗三号”用户提供陆、海、空导航定位服务，促进卫星定位、导航、授时服务功能的应用，为航天用户提供定位和轨道测定手段，满足武器制导的需要，满足导航定位信息交换的需要。服务方式有两种，即开放服务和授权服务。开放服务是在服务区中免费提供定位、测速和授时服务；授权服务是向授权用户提供更安全的定位、测速、授时和通信服务以及系统完好性信息。

2009年，“北斗三号”系统建设启动。经过几年时间，完成了“北斗三号”的所有核心技术攻关与地面验证，发射了5颗试验卫星，完成了在轨验证。2017年11月5日，在西昌卫星发射中心成功发射两颗“北斗三号”卫星，标志着北斗步入全球组网新时代。2018年12月27日，由19颗卫星构成的北斗三号基本系统完成建设，开始提供全球服务。到2020年，将完成30多颗“北斗三号”卫星的全球组网建设。

与“北斗二号”相比，目前性能指标大幅提升，功能也得到显著增强，卫星组网从区域走向了全球，在载荷、星间链路、激光通信等方面都有创新，并且还增加了卫星搜救功能及全球位置报告功能。增加了性能更优、与世界其他卫星导航系统兼容性更好的信号B1C和B2a，按照国际标准提供星基增强服务（SBAS），同时，配置了更高性能的铷原子钟和氢原子钟，铷原子钟天稳定度为E-14量级，氢原子钟天稳定度为E-15量级。新技术使“北斗三号”的性能得到大幅提升，保留了“北斗二号”短报文功能，定位精度在“北斗二号”的基础上提升1～2倍，达到2.5～5米的水平，空间信号精度（SIS）优于0.5米；卫星设计寿命提升至10～12年，首次提出“保证服务不间断”的指标；首次配置了相控阵星间链路，解决了境外监测卫星的难题；在世界上首次实现了卫星的在轨自主完好性监测功能，对民航、自动驾驶等生命安全领域用户来说具有极强的实用价值，全新的导航信号体制和强大的在轨重构功能也将极大地提升用户体验。

新时代北斗发展蓝图是构建国家综合PNT体系建设，就是以北斗卫星导航系统为核心，建成天地一体、覆盖无缝、安全可信、高效便捷的国家综合PNT体系，显著提升国家时空信息服务能力，满足国民经济和国家安全需求，为全球用户提供更为优质的服务。

三、北斗助力发展精准智慧服务

导航定位是卫星导航系统提供的基本服务，北斗系统的导航服务可以分为基本导航服务、差分导航服务和精密定位服务。

卫星定位服务精度

基本导航服务分为RDSS和RNSS两种模式，RDSS定位一般为100米左右，在有标校站的地区会提高到20米；目前，在重点服务区内单频RNSS定位精度优于10米，双频RNSS定位精度在5～7米。测速精度优于0.2米／秒，单向授时精度为50纳秒，双向授时精度为10纳秒，授权服务是为用户提供更高性能的定位、导航和授时服务，如精密测距码PRM精度可以达到米级。

差分导航服务是在基本导航服务基础上提供的一种精度增强服务，主要是基于地面差分站修改误差而改善精度，因差分服务作用局域分为局域差分和广域差分。北斗全球系统为授权RNSS用户提供星基增强导航服务，定位精度可以达到米级。

精密定位服务是为测量用户提供的一种应用。精密定位可以分为精密单点定位、相对定位和差分定位。北斗精密单点定位精度：水平2～4厘米，高程5～6厘米，北斗和GPS 组合后会提高收敛时间。北斗相对定位精度：水平为2.5mm＋0.5ppm×D，高程5 mm＋0.5 ppm×D；差分定位分为RTK和网络RTK。北斗双频RTK精度：水平为10 mm＋1 ppm×D，高程为15 mm＋1 ppm×D（D代表边长）。北斗地基增强系统实质上是对网络RTK系统进一步的优化，还可以为用户提供完好性指标，定位精度和GPS 的CORS系统相当，与GPS组合定位时，模糊度解算的固定率和可靠性均显著提高。

卫星导航系统服务于众多国民经济领域，带来巨大经济利益的助推器。目前，北斗系统已经广泛应用于交通、海事、电力、民政、气象、渔业、测绘、矿产、公安、农业、林业、国土、水利、金融等行业领域。

北斗卫星导航系统作为国家重要的空间信息基础设施，是国家的战略性新兴产业，可促进产业结构调整和发展方式的转变，带动新一代信息技术产业、高端制造、现代服务业等战略性新兴产业的发展。时空大数据与云平台在获取城市时空信息后，通过信息整合，可为智慧服务提供一致性的时空信息服务，而北斗导航数据的加入，可为时空信息提供位置基准，为智慧服务提供位置更为精准的时空信息。