北斗融合创新应用的价值思考

文|李申阳

航天恒星科技有限公司

一、引言

北斗卫星导航系统是我国自主建设、独立运行的全球卫星导航系统，是我国重要的空间基础设施，北斗系统的建设和应用受到党和国家的高度重视、得到社会各界的广泛关注。目前北斗三号系统顺利完成建设及开通运行，面向全球提供高质量的定位导航授时服务，进入规模化应用推广阶段，已全面服务于行业市场、大众市场和特殊市场，形成较为完备的综合时空服务能力，对经济社会发展的辐射带动作用显著增强。

随着制造强国、质量强国、网络强国、数字中国、交通强国等建设不断深入，新型基础设施建设持续推进、区域智能化升级、新业态蓬勃发展，各行业、各区域对自主可控、高效精准的时空服务需求进一步突显。而北斗规模化推广的根本是找准应用需求与供给能力的结合点，推动北斗产业创新性的融入业务系统，融入本地产业。

本文结合航天恒星科技有限公司（以下简称“航天恒星”）在北斗应用与产业化推广经验，以民航、能源两个行业以及以福建为代表的区域为例进行阐述剖析，探索挖掘北斗行业及区域示范推广的规律法则，打造可复制的北斗规模化应用推广模板，形成北斗产业化推广的有效方法路径，共同推动北斗应用在改造升级传统产业、培育壮大新兴产业、促进智能产业发展等领域展现新作为，引领北斗产业的高质量发展。

二、北斗行业及区域应用剖析

在北斗产业规模化推广过程中面临着诸多挑战，一方面在示范项目论证过程中结合行业、区域特色，挖掘应用需求，将北斗应用需求从概念转化为具体的技术规格；另一方面在示范引领后的规模化推广阶段，通过技术和应用创新，提高供给能力，促进北斗技术融入业务场景，在此过程中需要解决一系列政策、标准、技术、产品、成本等问题。

1.民航行业

（1）需求分析

目前卫星导航技术在民航飞机端的应用需求主要是起飞、着陆、航路过程中的导航，GPS是主要的导航手段。国际民航组织（ICAO）在第5版全球空中航行计划（GANP）中，明确提出全球导航卫星系统（GNSS）是现代空中航行系统的重要基础，是PBN、ADS-B运行的核心技术，是提升全球空中航行安全水平和服务质量的重要手段。为提高导航性能，各国均在GNSS基本系统基础上，发展星基/陆基导航增强系统。

北斗作为后来者，一直未被正式纳入ICAO标准，导致其导航应用受到限制。北斗特有的短报文技术成为其在民航领域实现应用的突破点。为此梳理北斗在民航飞机端的需求为以下两方面：

短报文位置报告需求：利用北斗系统提供的基本导航、定位和授时服务功能的基础上，融合北斗短报文位置报告或移动通信网络、互联网功能，实现对飞机、机场设施、地面车辆等交通工具的位置监视、指挥、调度和航迹追踪管理。

导航定位需求：利用北斗系统提供的精确导航、定位和授时服务功能，结合电子地图和其他导航设施，实现飞机起飞、降落、飞行过程及地面各类交通设施的导航定位和时间服务。需要北斗进入ICAO公约。

（2）产品方案

根据需求分析将产品定义为两类：

追踪定位设备：通过机上总线获取飞机的航班号、姿态、燃油量等信息，通过北斗系统获得自身位置信息，利用北斗短报文功能，完成4D/15周期性上报，实现飞机位置、状态追踪功能。符合CTSO-2C604标准。

多模式导航设备：通过接收含北斗在内的GNSS卫星信号，解算出飞机位置、速度、时间等信息，实现飞机航路导航、仪表精密进近着陆、CAT I类精密进近着陆等功能；满足民航客机在不同飞行阶段所需导航性能的要求。

（3）价值分析

民用航空产业属于国家战略性产业，具有技术门槛高、带动性强的特点，一旦产业链形成，将会对我国高端装备制造业产生巨大影响，由此树立北斗的国际品牌，解决一大批制约我国目前发展的卡脖子问题，有助于推动“民航强国建设”和《中国制造2025》战略的实施。

推动机载设备国产化进程：通过引入北斗自主可控设计方法，逐步在航电领域进行渗透，解决民航局、用户航司监管需求，实现我国自主知识产权导航技术在中国落地生根。

助力民航总体发展战略实现：未来15～30年，将是我国从路基导航向星基导航平稳过渡的关键时期，通过民航局规划、天基资源建设协同推进，从而实现我国民航的高质量发展。

（4）规模化推广难点

我国民航电子产业长期受制于标准、适航、改装等问题，也不是一台北斗单机设备所能解决，需要产业链上下游共同推动。

标准：目前适航标准主要控制在美国FAA和欧洲EASA内部，民航巨头波音、空客、柯林斯等公司掌握着民航电子领域的技术话语权，通过适航标准限制我国在民航电子领域的产业发展。

适航：北斗机载设备适航需通过设计批准、生产批准、装机批准、持续适航维修批准等一系列严格适航批准许可。其适航过程对民航航电设备国产化意义重大。

改装：机载数据的获取难度大，航电系统为国外研制，不同航司需求差异性较大；不同型号、不同航司在已存在其他机载设备加改装，均需要单独取证。

（5）技术创新及新需求

北斗+EFB：以北斗三号追踪定位设备为切入点，寻找数据带宽与运营成本的平衡点，解决航空公司运行中空地通信实际问题，完成北斗三号追踪定位设备+EFB的应用组合。

（6）规模化展望

聚焦民航业务对安全、效率的关切和自主可控能力的提升，结合卫星导航、卫星通信、卫星遥感方面的技术和产品优势，实现规模化、全领域应用推广。

2.能源行业

（1）需求分析

目前卫星导航技术在能源领域以GPS为主，在油气行业的勘探开发、炼油化工、油品销售、工程服务等上中下游全产业链得到广泛应用。总体定位需求总结如下：

普通定位需求：国内外人员安防、车辆监控、危化品管控、大型机械设备实时监测、海上安全等较多场景均涉及位置相关工作，仍有相当部分企业还是以GPS系统为主，给生产和信息安全带来隐患。

高精度定位需求：工程测绘、地震勘探、地灾监测等业务需要实时厘米级、事后毫米级高精度定位，油气田管道巡检、油库加油站管理、炼化厂区巡检等作业场景涉及室内外，作业环境复杂，定位需要高精度。

精准授时：在油田、炼化厂的自建电力设施、管道自控系统、无线通信系统对精密时间都有着很强的依赖。由于当前的卫星授时同步技术主要依赖于GPS系统，可靠性低，自主性差，亟待授时国产化。

短报文通信：油田存在较多边远油气井和无信号井，需及时回传现场生产数据，由于地处野外网络不畅通，且分布较广，无法及时回传现场生产数据和实时监控，影响生产效率和安全监管水平。

（2）产品方案

以北斗平台作为数据底座，为油气行业各业务应用提供高精度、短报文和普通位置等数据服务，实现十类示范应用，打造油气行业北斗数据仓库，形成“1平台+N应用”的业务模式，满足行业不同场景时空数据需求，支撑行业上中下游各类北斗业务应用，推动北斗规模化、标准化、国际化。

产品全部采用北斗三号体系，硬件芯片、模组、天线等核心部件全面国产化，技术先进、种类丰富、自主可控，满足油气行业全业务全场景北斗终端需求。

（3）价值分析

保障国家能源安全：通过全面替换与升级为国产北斗终端设备，支持单北斗与多系统联合模式，摆脱过度依赖国外卫星导航系统的局面，解决油气探勘、生产、炼化、运输、销售等全产业链存在的安全隐患，保障国家能源安全、信息安全和生产安全。

提高油气生产管理效率：将北斗系统定位导航、地基/星基高精度定位、卫星授时、短报文通信等与能源行业的生产业务进行融合应用，实现油气探勘生产设施、人员、车辆、船舶/平台的自动感知与全面监测，提升自动化水平，提高油气生产全产业链的管理效率。

推动能源产业数字化升级：加强北斗时空信息服务体系，与5G、卫星互联网、人工智能、云计算、区块链、物联网等新技术在能源领域的融合创新应用。提高能源系统灵活感知和高效生产运行能力，实现源网荷储互动、多能协同互补及用能需求智能调控，推动数字化升级。

（4）规模化推广难点

企业业务各有特点：虽然行业内已开展各类示范应用，但业内各企业单位业务各有特色，有自己的北斗平台和自建信息系统。

北斗短报文海外受限：海外推广难，因北斗短报文通信受限，海外业务暂未开放，导致一批海外项目企业推广难。

行业标准不完善：北斗系统全面建成、推广时间尚短，油气行业应用以示范为主，相关标准不完善。

（5）技术创新及新需求

随着各类“北斗+”技术创新与发展，能源行业对精准时空信息的需求达到了前所未有的高度，精准、实时、动态和全球成为新的目标。需要结合新技术不断提升供给能力。

北斗+5G：实现油气行业在炼化厂、加油站、油库巡检等业务场景的人员室内外定位无缝衔接。

北斗+卫星互联网：扩大北斗卫星定位覆盖范围，加快定位速度，提高油气行业各业务领域复杂生产环境定位精度。

（6）规模化展望

按照“融技术、融终端、融平台、融业务”的理念，继续挖掘创新融合运用北斗系统（图1），油气行业北斗发展前景广阔。

图1 北斗在油气行业的应用发展规划

3.区域-福建省

（1）需求分析

地域差别大：我国幅员辽阔，地大物博，各地区对北斗的应用场景和管理需求各不相同。

数据孤岛：各地区各管理部门已普遍建成各自的业务系统，这些系统相互独立，数据孤岛。不仅跨部门间数据难以协调，同时重复建设情况严重。

GPS为主：在已经应用的终端中仍旧以GPS为主，北斗终端的占用率依然不及GPS。

福建省是我国沿海大省，同样存在上述问题，北斗应用需求巨大。

（2）区域应用方案

船只管理：福建省渔业发达，但是对海洋渔业管理手段单一。尤其对60马力以下的渔船尚未有完善监管手段，对海岛近海区域的生态破坏较大，亟需加强监管。针对福建省渔船监管特点，定制化开发北斗船载通导终端，在北斗位置监管的基础上，融合AIS电子围栏，遥感数据分析，满足渔业监管部门业务需求，有效解决了小渔船难管理的难题。

城市管理：目前城市管理的一大难题是数据孤岛。各管理部门根据自身管理需求建设管理系统，这些系统间互不相通。这就造成了各管理部门间数据难协调，信息系统重复建设问题严重。通过建设北斗时空数据底座，实现北斗时空数据（人、车、船、物）进行统一监管，打破各管理部门间的数据壁垒。底座融合特色业务数据，服务省内各管理部门，对省内北斗资源情况实施掌握、分析、调度，提升福建省智慧化管理水平和应急能力。同时避免重复建设造成的资源浪费。

海岛应急管理：传统的海岛应急管理仍旧以传统的人工巡查和视频监控系统为主。海岛应急管理系统充分统筹调度岛上已有资源，在北斗智能巡检的基础上，融合北斗+遥感+图像识别，实现零死角的海岛安全隐患排查。

（3）价值分析

通过建设北斗时空数据底座，汇聚全省北斗时空数据，在提升数据安全性的同时，扫除了数据孤岛。并形成了一种“北斗运营商”的新的发展模式，即以推广北斗数据服务的盈利模式；通过开展北斗渔业管理，有效地满足了渔政管理部门的管理需求。既保障了渔民的生命财产安全，减少了管理部门的人力、财力投入，又保护了近海区域的生态环境；海岛应急管理充分体现了“北斗+”的思想，在传统的人工巡查的基础上，加入北斗短报文通信，增加应急处理能力，融合遥感数据分析和图像识别技术，极大地提高了系统的可靠性和工作效率。

（4）推广模式

近年来在全国多省市开展的北斗示范项目已初见成效，逐步形成了一套较完善的发展体系。即深入调研各地区对北斗需求的差异，挖掘区域用户的真正诉求；针对区域特色，定制开发，确实解决管理部门业务痛点；北斗与其他技术相融合，形成有效的整体解决方案；建设以省、市为单位的数据中心，达到数据统一，管理分级的目的；同时有效避免系统的重复建设；在使用中不断迭代系统，逐步提升北斗在各省市的覆盖率；在新旧更替之际逐步替代GPS；探索卫星应用产业发展新途径，形成北斗应用模式和盈利模式并进行复制推广。

三、北斗推广应用规律及方法

根据上述剖析发现北斗产业的规模化推广，都是遵从“分析与挖掘需求→产品与平台研制→产品试用与示范验证→技术与产品创新→创造新需求→规模化深度应用”的发展路径，在此过程中与5G、物联网、人工智能、大数据、卫星互联网等新兴技术深度融合，最终形成有效价值和持续性的北斗应用推广。在北斗大规模全面推广的过程中，需要遵从：

1.需求主导，面向应用

深度挖掘行业特色，区域自身优势，以行业和区域的切实需求为牵引，真正解决行业、区域的现实困境，实现北斗与各类应用的深度有机结合，谨防出现僵尸平台、建设闲置等问题。

2.提高供给侧能力

研发针对性的拳头产品，民航北斗追踪监视设备、能源北斗防爆终端、福建北斗智慧终端等重量级产品，提升了北斗业内产品的质量水平，增强了供给侧能力，提高了行业准入壁垒，为北斗产业规模化稳定推广奠定了坚实基础。

3.激发产学研用各环节

充分调动重点国内外高等院校、科研院所和行业龙头企业的交流与合作，实现协同研发、产业融合、应用创新等能力大幅提升，形成产学研用相互配合、密切协作的良性循环生态，推动北斗产业化发展步伐。

4.GPS直接替换

GPS应用涉及我国各行各业。北斗卫星导航系统对维护国家安全具有重要作用。在涉及国家和人民安全的关键行业和领域，采取北斗导航系统设备直接替换GPS系统和设备，实现北斗导航自主化发展，为国家安全保驾护航。

5.北斗特色服务

着眼于典型融合应用场景和全球短报文、国际搜救等特色功能，孵化体现北斗特色功能、与市场需求吻合度高的导航产品，推动北斗短报文系统在国内及国际行业、区域的应用落地。

6.北斗+创新

开展北斗与5G、物联网、大数据、卫星互联网等新一代技术的融合应用研究，促进北斗应用技术融合创新，不断拓展、丰富北斗应用场景，为北斗产业推广带来新力量、新市场、新模式和新动能。

四、北斗与新兴技术融合应用

北斗为传统行业注入新动能的同时，也正加速与新一代通信、物联网、人工智能等新技术深度融合，北斗应用新模式、新业态、新经济不断涌现，以北斗时空信息融合为基础，以新型技术融合为契机，创新挖掘行业需求，精准把握行业痛点，全面推动我国北斗产业深度发展，打造北斗产业融合生态圈，为建设“中国的北斗、世界的北斗、一流的北斗”注入新的发展动力。

北斗与5G。北斗与5G融合技术包括系统侧和应用侧两个维度，系统侧加强对5G信号定位能力的深入挖掘、将北斗系统和5G移动通信服务融合，探索“北斗+5G”协同发展模式，逐步形成“北斗+5G”融合的室内外快速和高精度位置服务能力，辅助室内及室外应用增强信息播发，并制定符合商用的规范标准；应用侧研制“北斗+5G”一体化基站，实现通信导航深度融合机制和一体化终端的集成设计，以商业化为驱动，重点推进“北斗+5G”一体化终端设计、应用、示范以及商业推广。

北斗与物联网。时空信息是智能感知的刚性需求，是未来物联网领域发展的核心技术。利用北斗系统高精度定位、授时的功能特点，融合物联网多传感器感知技术与泛在物联通信技术，实现对震动、图像、声音、定位、环境等多种传感器融合感知，为智慧城市大脑、数据中心、超算中心等中心处理节点提供丰富的物联感知数据来源和业务应用出口。

北斗与人工智能、大数据。北斗系统提供精准统一的时空基准，相应的大数据感知信息通过人工智能进行决策与分析，由具体的执行机构形成闭环。人工智能大数据赋能北斗，人工智能作为北斗的支持技术，融入北斗能力之中，有效增强北斗技术，提升北斗的应用效能。在云计算、大数据等技术促进下，极大地降低了卫星导航数据获取成本，使信息互联互通成为可能。北斗赋能人工智能大数据，大数据和人工智能的应用需要在精准的时空框架下完成，因此能够为各类应用提供精准时间和空间位置信息的北斗系统是执行操作的基础所在。

北斗与卫星互联网。以低轨卫星互联网星座作为导航增强信息的播发源和信号的发射源，提升现有导航服务精度、完好性、连续性和可用性，保证在恶劣传播环境、对抗电磁环境下导航、定位、授时服务的可靠性、安全性和鲁棒性。从应用的角度，通过播发精密轨道、精密钟差、完好性信息以及导航增强信号，实现全球动态分米级、静态厘米级精密单点定位（GPPP），收敛时间从30min左右缩短到5min以内，对于高精度定位具有重要的现实意义。

综上，未来将不断推进北斗技术与5G、大数据、物联网、卫星互联网、云计算、区块链、人工智能等技术的融合应用，运用“+北斗”思维，充分发挥北斗高精度、高可靠、高安全的新一代信息时空技术体系，持续推进北斗高安全、高智能、高效益发展。

五、北斗应用创新机制思考

目前北斗应用市场竞争激烈，一方面行业内卷严重，国内北斗厂商无法持续推进技术创新。以需求为牵引加大对新产品、新业务、新领域的创新开发和投入，通过颠覆性PNT技术和产品创新形成新应用和新模式，避免同质化竞争，推动北斗导航应用产业发展。另一方面，北斗产业用户方转变为产品方案供给方，行业竞争加剧。用户方需求不能满足时便转换角色，加入到北斗产业链的上游，研发全面满足自身需求的产品及方案，覆盖IP、芯片、模块、终端、应用系统、服务平台全产业链的广泛技术布局，最终成为制造能力的一部分。

因此，目前北斗产业化推广进入最后红利期，北斗相关从业企业亟需找到着力点，从供给侧充分挖掘需求，以PNT为切入点持续进行技术与产品创新，保持企业的长期竞争力。

为推动北斗产业创新升级，需要服务支撑类创新主体和科技支撑类主体分工协作，共同发展。国家、省市级产业创新中心和科技项目孵化器类的服务支撑类创新主体，主要起到带头引导以及协调作用；国家、省市级重点实验室以及工程技术中心的科技支撑类创新主体，主要为产业创新提供攻克疑难技术方面的支持。