北斗精準定位(增強系統(tǒng))產(chǎn)業(yè)報告

1、【關(guān)注】2016北斗精準定位（增強系統(tǒng)）產(chǎn)業(yè)報告2016-03-24 今日北斗引言        當(dāng)前,全球衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用產(chǎn)業(yè)正經(jīng)歷三大轉(zhuǎn)變:       從單一的 GPS 系統(tǒng)時代轉(zhuǎn)變?yōu)槎嘈亲⒋婕嫒莸腉NSS 時代;       從以車輛應(yīng)用為主體的市場格局,轉(zhuǎn)變?yōu)榕c通信相融合的以個人消費為主流市場的新格局;       從經(jīng)銷應(yīng)用產(chǎn)品為主,轉(zhuǎn)變?yōu)槲恢梅?wù)為主的服務(wù)產(chǎn)業(yè)化新時期。一、何為“導(dǎo)航”，不僅僅是定位· 全

2、球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)是能在地球表面或近地空間的任何地點為用戶提供全天候的三維坐標和速度以及時間信息的空基無線電導(dǎo)航定位系統(tǒng)。利用該系統(tǒng),用戶可以在全球范圍內(nèi)實現(xiàn)全天候、連續(xù)、實時的三維導(dǎo)航定位和測速;另外,利用該系統(tǒng),用戶還能夠進行高精度的時間傳遞和高精度的精密定位。· 衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)目前已基本取代了地基無線電導(dǎo)航、傳統(tǒng)大地測量和天 文測量導(dǎo)航定位技術(shù),并推動了大地測量與導(dǎo)航定位領(lǐng)域的全新發(fā)展。 · GNSS 以其覆蓋的廣泛性(全球 4 重以上覆蓋)、信息的全面性(PVTA十參數(shù))、應(yīng)用的通用性(陸?？仗?、軍民政科)、服務(wù)的全天候(晝夜晨昏、風(fēng)霜雨雪)、性

3、能的卓越性(PNT 高性能)、成本低廉(信號免費公開,機體嵌入集成)等 6 大優(yōu)點得到各界青睞。 二、導(dǎo)航增強系統(tǒng)美國主要的增強系統(tǒng)GPS 提供的民用定位服務(wù)比現(xiàn)有任何類型的陸基導(dǎo)航系統(tǒng)精度都要高。但是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)還存在著一些固有的缺點。· 導(dǎo)航星座不能完全覆蓋地球。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)屬于無線電導(dǎo)航系統(tǒng)的一種,系統(tǒng)定位時需要在衛(wèi)星可視情況下才能發(fā)揮其正常功能,但是建筑物、高山、森林等都有可能導(dǎo)致衛(wèi)星的不可觀測,或者是墻、水面、山的側(cè)面等所造成的多路徑干擾也能導(dǎo)致接收機對觀測衛(wèi)星無法正確識別,這些因素都會導(dǎo)致用戶定位性能的下降。· 隨著導(dǎo)航應(yīng)用領(lǐng)域的日趨廣泛,各種特殊的導(dǎo)

4、航應(yīng)用需求被提出,導(dǎo)航應(yīng)用環(huán)境也日趨復(fù)雜。在地下室、地鐵、室內(nèi)、隧道、森林、礦區(qū)等等各種復(fù)雜環(huán)境中,導(dǎo)航信號會受到嚴重的衰減甚至不可用。例如, 存在著“城市峽谷”效應(yīng)的高樓林立的城市之中,導(dǎo)航信號被遮擋造成可見衛(wèi)星不足,從而無法定位;在車載導(dǎo)航中,由于交叉道路多、路邊的建筑物比較密集,信號會產(chǎn)生明顯的多徑效應(yīng);而在磁懸浮列車、高速運動的飛行器等情況下導(dǎo)航信號的信噪比就更差。因此,用戶對導(dǎo)航接收機的要求也就越來越高了。· GPS 衛(wèi)星更新的基本策略是某一顆衛(wèi)星出現(xiàn)故障就發(fā)射新的衛(wèi)星代替, 因此在導(dǎo)航星座中當(dāng)某顆導(dǎo)航星座發(fā)生了故障而代替衛(wèi)星還沒有發(fā)射的時間段里,用戶定位的性能就很容易下降

5、。在某些特定用戶中,用戶接收到的導(dǎo)航信息的完好性可能直接關(guān)系著用戶的生命安全。因此, 當(dāng) GPS 系統(tǒng)的服務(wù)性能下降時,尤其是當(dāng)系統(tǒng)的某個模塊出現(xiàn)故障時,發(fā)播出的導(dǎo)航信息往往就是不可靠的信息,那么導(dǎo)航系統(tǒng)把自身系統(tǒng)運行情況及時通知到用戶就十分關(guān)鍵。單純依靠衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),哪怕是目前定位精度最高的 GPS 系統(tǒng),也無法滿足一些對定位精度要求比較高的應(yīng)用需求,比如航空領(lǐng)域的飛機精密進近等。因此,針對這一需求,尤其是來自航空業(yè)的迫切需要,許多國家都發(fā)展了自己的衛(wèi)星導(dǎo)航增強系統(tǒng)。90 年代開始,美國、歐洲、日本等國家分別建立了GPS的GBAS(地基增強系統(tǒng))和SBAS(星基增強系統(tǒng)),這些增強系統(tǒng)的目的

6、就是利用外部獨立的監(jiān)測手段實現(xiàn)導(dǎo)航系統(tǒng)的完好性保證。具體的方法就是在地面設(shè)置監(jiān)測站,監(jiān)測 GPS 衛(wèi)星的狀況,當(dāng)然也包括監(jiān)測系統(tǒng)本身的故障因素, 然后把綜合的系統(tǒng)信息發(fā)播給用戶。該方法最早稱為 GPS 完好性通道(GIC),并且基本實現(xiàn)了 GPS 系統(tǒng)的完好性監(jiān)測。· 目前美國設(shè)計和建造的 WAAS(廣域增強系統(tǒng))系統(tǒng)不僅能為美國本土用戶提供可視區(qū)內(nèi)GPS衛(wèi)星和導(dǎo)航系統(tǒng)的完好性狀況,而且能為用戶提供衛(wèi)星鐘差、電離層改正數(shù)和衛(wèi)星星歷改正數(shù),這些改正數(shù)提高了用戶的定位精度。 · 同時,歐洲也建立了自己的增強系統(tǒng)(SBAS),即 EGNOS(歐洲靜止地球衛(wèi)星導(dǎo)航覆蓋系統(tǒng)

7、);日本民航局也在開發(fā)擁有主權(quán)的衛(wèi)星增強系統(tǒng)(MSAS)。這些系統(tǒng)都利用基準站來監(jiān)控 GPS 衛(wèi)星,并計算出差分改正數(shù)和給出完好性信息。盡管 FAA(聯(lián)邦航空局)推動廣域地基增強系統(tǒng)向星基增強系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變主要著眼于提高導(dǎo)航系統(tǒng)的準確度和可靠性,但并不說明 WAAS 系統(tǒng)在完好性測定中的指標十分完美。 三、星基增強系統(tǒng)各SBAS系統(tǒng)（星基增強系統(tǒng)）全球分部圖世界上正在使用的星基增強系統(tǒng)有:美國的WAAS(廣域增強系統(tǒng)),歐洲的 EGNOS(歐洲同步衛(wèi)星導(dǎo)航覆蓋系統(tǒng)),日本的 MSAS(多功能衛(wèi)星增強系統(tǒng)),印度的 GAGAN(GPS 輔助型靜地軌道增強導(dǎo)航系統(tǒng)),俄羅斯的 SDCM(差分

8、校正和監(jiān)測系統(tǒng))。 · 在美國,FAA 領(lǐng)導(dǎo)著 WAAS 的開發(fā)工作,WAAS 基本上覆蓋了美國的大陸部分。在與FAA 的緊密合作中,加拿大正在實施加拿大WAAS(CWASS),以作為它的衛(wèi)星導(dǎo)航計劃的一部分。· 在歐洲,歐洲三方小組(由歐盟,歐空局和歐委會組成)正在開發(fā)EGNOS,它將覆蓋歐洲民航會議(ECAC)指定的地區(qū),該機構(gòu)已經(jīng)完成了 EGNOS 設(shè)計方案和工程可行性的分析論證,對 EGNOS 要實現(xiàn)的功能、將使用的算法和可靠性情況進行了綜合研究。美國的星基增強系統(tǒng),即廣域增強系統(tǒng)(WAAS),由地面監(jiān)測站網(wǎng)絡(luò)和同步通信衛(wèi)星構(gòu)成,用來增強GPS的服務(wù)性能,

9、由美國聯(lián)邦航空管理局 (FAA)建設(shè)和管理。WAAS 最初設(shè)計目標是利用 GPS/WAAS 來替代 ILS 實現(xiàn)美國本土機場的一類精密進近,WAAS 系統(tǒng)現(xiàn)由 38 個廣域監(jiān)測站、3 個廣域主控站、3 顆地球同步衛(wèi)星、6 個地面上行注入站、2 個操作控制中心以及陸地通信網(wǎng)絡(luò)組成。· 廣域增強系統(tǒng)利用遍布北美和夏威夷的地面參考站采集 GPS 信號并傳送給主控站。主控站經(jīng)過計算得出差分改正,并將改正信息經(jīng)地面上行注入站傳送給 WAAS 系統(tǒng)的 GEO 衛(wèi)星。最后由 GEO 衛(wèi)星將信息播發(fā)給地球上的用戶,這樣用戶就能夠通過得到的改正信息精確計算自己的位置。· 廣域增強系統(tǒng)的動態(tài)定

10、位水平精度達到了 3-5 米,且垂直精度達到了3-7 米,最關(guān)鍵的是用戶無需增加任何額外的導(dǎo)航設(shè)備。廣域增強系統(tǒng)在 20 世紀 90 年代開始被研制開發(fā),而 2003 年 7 月它的信號可覆蓋美國 95%的領(lǐng)土,且 2007 年 9 月它的服務(wù)區(qū)域由美國國內(nèi)擴展到 。WAAS系統(tǒng)體系構(gòu)架WAAS 最大的貢獻是對傳統(tǒng)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)架構(gòu)的完善,其率先采用的星座增強結(jié)構(gòu)、服務(wù)區(qū)柵格化監(jiān)管、完好性概念、完好性監(jiān)測與處理結(jié)構(gòu)、完好性通道、兼容與互操作設(shè)計等很多理念、結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)。·  WAAS 可以向大范圍內(nèi)的用戶提供精確的定位服務(wù)和相應(yīng)的完好性保障,這就使得服務(wù)范圍內(nèi)的所有機場可以

11、實現(xiàn)精密進近,而且允許設(shè)計不同的進近方式并降低開發(fā)和使用的費用。· WAAS 不但可以為飛行提供很多便利,同時還大幅度降低了運行和維護成本。在機場安裝一套 ILS(Instrument Landing System)設(shè)備價格昂貴。在全美范圍內(nèi),有600個機場安裝了 ILS 設(shè)備,其每年的維護費用約8千萬美元,而WAAS可以為5400個機場提供服務(wù),每年的維護費用僅5000美元。WAAS地面系統(tǒng)分布四、地基增強系統(tǒng)雖然天基增強系統(tǒng)不像傳統(tǒng)導(dǎo)航設(shè)備那樣受限于覆蓋范圍,但是天基增強系統(tǒng)至多只能支持 APV I 精密進近的所需導(dǎo)航性能要求,對于難度更大、導(dǎo)航性能要求嚴格的 CAT I/II/

12、III 精密進近,則必須采用地基增強系統(tǒng)。在地基增強系統(tǒng)中,用戶接收到的增強信息來自地基發(fā)射機。增強信息通過通信數(shù)據(jù)鏈以數(shù)字格式廣播給用戶。地基增強系統(tǒng)由地面站、監(jiān)控設(shè)備和機載設(shè)備組成。· 地面基準站完成差分定位,并將對應(yīng)各顆衛(wèi)星的差分修正量發(fā)送給地面主控站,主控站經(jīng)過相關(guān)處理并通過地面布設(shè)的甚高頻網(wǎng)絡(luò)廣播高精度的差分修正信息和完好性信息,從而為其作用區(qū)域內(nèi)的航空用戶提供全天候、滿足 I 類精密進近要求的導(dǎo)航服務(wù)。近年來地基增強系統(tǒng)一直是衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域研究熱點之一,其主要原因在于,它能夠取代傳統(tǒng)的微波著陸系統(tǒng)和儀表著陸系統(tǒng),提供更為經(jīng)濟的導(dǎo)航服務(wù)。 基準站在整個廣義完好性保障

13、體系中占有重要的地位,是廣義完好性保障體系的重要組成部分。· 基準站在接收和跟蹤導(dǎo)航系統(tǒng)電文的同時要能夠有效修正對流層延遲、電離層延遲偏差,保證基準站輸出數(shù)據(jù)成為中心站計算改正數(shù)的基礎(chǔ)。而且基準站的硬件和軟件設(shè)計必須能發(fā)現(xiàn)導(dǎo)航星座偽距的變化率、其它故障或超差現(xiàn)象,能具備隔離故障和判斷具體超差設(shè)備的能力,并對不同的故障和超差現(xiàn)象具有不同的反映,然后回溯到故障點或超差點 。五、行業(yè)新應(yīng)用導(dǎo)航通信融合· GPS 系統(tǒng)在設(shè)計之初就沒有考慮通信功能,為了滿足日益興起與迅速發(fā)展的基于位置服務(wù)的通信需求,人們不得不在 GPS 系統(tǒng)之外解決將 GPS 定位接收機得到的位置信息進行回傳或者廣

14、播的問題。 基于位置服務(wù)位置服務(wù)是通過移動獲取的方式確定實際目標的地理位置,從而提供給用戶基于這樣位置的服務(wù)信息,實際上人類活動的信息80%是與空間信息有關(guān)的。精準定位作為一種全天候?qū)崟r性定位手段,其優(yōu)勢在于安全和精準，但不能單獨存在,必須依托企業(yè)的 GIS 平臺而存在,簡單地說,就是必須和地圖結(jié)合起來,才能發(fā)揮最大的優(yōu)勢。 北斗精準定位服務(wù)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖· 系統(tǒng)層由 CORS 系統(tǒng)(連續(xù)運行參考站)和用戶數(shù)據(jù)組成。· 服務(wù)層主要解決的是用戶取得精準位置的問題,重點在于用戶所用終端及對用戶取得定位精度的分級管理,另外各個行業(yè)、公司的基礎(chǔ)GIS業(yè)務(wù)平臺也屬于

15、服務(wù)層,涉及到大量精準定位終端和 GIS 平臺軟件。· 應(yīng)用層則是一個根據(jù)行業(yè)細分的軟件開發(fā)領(lǐng)域,精準位置除了與地圖數(shù)據(jù)結(jié)合可以達到監(jiān)控、定位、導(dǎo)航、調(diào)度等的應(yīng)用外,還要和各行各業(yè)的實際業(yè)務(wù)需求相結(jié)合,實現(xiàn)室外工作流程的電子化、規(guī)范化，這便需要在定位終端和后臺 GIS 平臺兩個層面進行軟件的二次開發(fā)，如燃氣的管線定位終端便要和管線探測儀等專業(yè)設(shè)備連接,并在定位終端和后臺 GIS 平臺實現(xiàn)對管線探測儀數(shù)據(jù)的識別、傳輸和分析,還要結(jié)合巡檢、焊接人員的作業(yè)標準流程開發(fā)終端軟件。 智慧導(dǎo)航· 精準農(nóng)業(yè)首先由美國農(nóng)業(yè)工作者于 20 世紀 90 年代初倡導(dǎo)并實施的。精準農(nóng)業(yè),

16、通俗地講就是綜合應(yīng)用現(xiàn)代高新科技,以獲得農(nóng)田高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效的現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式和技術(shù)體系。 · 具體說精準農(nóng)業(yè)就是利用遙感、衛(wèi)星定位系統(tǒng)等技術(shù)實時獲取農(nóng)田每一平方米或幾平方米為一個小區(qū)的作物生產(chǎn)環(huán)境、生長狀況和空間變異的大量時空變化信息,及時對農(nóng)業(yè)進行管理,并對作物苗情、病蟲害、墑情的發(fā)生趨勢,進行分析、模擬,為資源有效利用提供必要的空間信息。在獲取上述信息的基礎(chǔ)上,利用智能化專家系統(tǒng)、決策支持系統(tǒng),按每一地塊的具體情況做出決策,準確地進行精準播種!精準施肥、精準噴灑農(nóng)藥、精準灌溉、精準收獲等精準作物生產(chǎn)管理。· 由地學(xué)空間信息技術(shù)與現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)相結(jié)合組成的精準農(nóng)業(yè)技術(shù),其實施過程可描述為:用帶 GPS 的聯(lián)合收割機自動生成的作物產(chǎn)量分布圖(典型空間分辨率為 15m)和田塊的地形、地貌、土壤參