我国卫星导航定位技术研究范文

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《导航定位学报》2016年第3期

摘要：

为了进一步发展我国卫星导航定位技术，论述了该产业的现状及趋势：我国第二代BDS提供区域服务以来，在国家有关部委和地方政府的支持下，卫星导航定位产业发展迅速；BDS导航定位在我国各行业、各领域得到广泛应用，成为我国重要的时空基准；室内外高精度无缝导航技术获得突破，位置服务与手机完美结合，卫星导航定位一系列技术创新，使卫星导航产业发展前景光明；而与互联网和无线通讯深度融合的卫星导航与位置服务，将进入家庭和人们日常生活，成为经济和社会发展必不可少的信息。

关键词：

卫星导航定位；BDS；应用；发展

0引言

2000年我国相继发射2颗北斗导航试验卫星，建成北斗卫星导航试验系统，成为世界上第3个拥有自主卫星导航系统的国家。2003年发射第3颗北斗导航试验卫星，进一步增强了北斗卫星导航试验系统性能。2012年底完成5颗地球静止轨道卫星、5颗倾斜地球同步轨道卫星和4颗中圆地球轨道卫星组网的、具备区域服务能力的北斗卫星导航系统［1］。2014－11，BDS服务性能获得国际海事组织批准，意味着BDS已经正式取得国际海事应用的合法地位［2］153。除了我国的BDS外，目前已经运行或者正在部署的全球导航卫星系统主要有：美国的全球定位系统、俄罗斯的格洛纳斯卫星导航系统和欧盟的伽利略卫星导航系统，还有日本的准天顶卫星系统、印度区域导航卫星系统等区域导航卫星系统以及星基增强系统和连续运行参考站网等。BDS国际化工作紧随国家外交大局，分层次有步骤地务实推动。我国与俄罗斯签署了《中国卫星导航系统委员会与俄罗斯联邦航天局在全球卫星导航领域合作谅解备忘录》，与美国签署了《中美民用卫星导航系统（GNSS）合作声明》［2］105－108。全球卫星导航定位产业竞争与合作并存的国际格局以及产业融合发展的趋势，促进了卫星导航技术在更广泛领域深度应用。一个广泛应用GPS、GLONASS、BDS、Galileo全球导航卫星系统的产业在我国蓬勃发展和壮大起来。目前，全球卫星导航系统及其产业正经历前所未有的4大转变：从单一的GPS时代转变为真正实质性的多星座并存兼容的GNSS新时代，开创卫星导航体系全球化和增强多模化的新阶段；从以卫星导航应用主体转变为定位、导航及授时与移动通信和互联网等信息载体融合的新时期，开创信息融合化和产业一体化，以及应用智能化的新阶段；从经销应用产品为主逐步转变为运营服务为主的新局面，开创应用大众化和服务产业化，以及信息服务智能化的新阶段；从室外导航定位为主转变为室内外无缝导航定位的新时空服务体系的新纪元，开创以卫星导航为基石的多手段融合、天地一体化、服务泛在化和智能化的新阶段。

1国家政策引领产业全面发展

1．1国家战略新兴产业发展

2012－07，国务院关于印发“十二五”国家战略性新兴产业发展规划的通知将导航定位及应用列为重点发展方向，要求完善我国全球导航定位系统，提升卫星导航定位应用产业化水平［3］。2013－08，国务院的《关于促进信息消费扩大内需的若干意见》中指出，加快推动北斗导航核心技术研发和产业化，推动BDS导航与移动通信、地理信息、卫星遥感、移动互联网等融合发展，支持位置信息服务（locationbasedservices，LBS）市场拓展［4］。2013－09，国务院办公厅印发了《国家卫星导航产业中长期发展规划》，勾划出产业发展蓝图，部署了基础工程、创新工程、安全工程、大众工程和国际化工程。提出落实5项保障措施：加强统筹协调，形成发展合力；国家政策，推广应用服务；完善政策法规，优化发展环境；加强标准建设，提升发展水平；加大公共投入，鼓励产业创新。同时规划强调至2020年产业的总产值达到4000亿元的目标［5］。国家发展改革委、国防科工委印发《关于促进卫星应用产业发展的若干意见的通知》，要求“加快形成建立以BDS为核心的民用导航产业体制。建立统筹协调机制，研究制定BDS卫星导航系统民用应用政策，促进BDS的产业化应用；对于涉及国家经济、公共安全的重要行业领域须逐步过渡到采用BDS卫星导航兼容其他卫星导航系统的服务体制，鼓励其他行业和领域采用BDS卫星导航兼容其他卫星导航系统的服务体制［6］”。国家发展改革委、财政部2012年和2013年组织实施了卫星及应用产业发展专项BDS卫星导航应用示范类项目。采用支持制造商和用户联合研发的方式共支持了50个项目，主要在行业、大众和安全3个方向，国家补贴资金共13．81亿元（其中2012年6．13亿元，2013年7．68亿元），终端示范总数量达到3841043台（套），芯片示范总数量达到500万片；推动了BDS应用规模化发展，尤其是在提高国产芯片的竞争力和终端批量生产能力、降低BDS模块和终端价格、提高市场接受度等方面起到了决定性作用［7］。2014年国家发展改革委和财政部发出《关于组织开展BDS卫星导航产业重大应用示范发展专项的通知》，建立以应用为导向、用户为龙头、企业为主体的BDS卫星导航产业发展模式，推动技术创新、产品创新、服务模式创新和商业模式创新，着力促进BDS卫星导航产品与服务的市场化、规模化应用；到2016年实现BDS卫星导航及其兼容产品应用总量突破3000万台（套），重要领域智能化应用水平显著提升，大众消费市场初具规模，我国BDS卫星导航产业自主化发展能力显著增强；重点支持BDS室内外位置服务基础平台建设、重点行业和重点区域的重大示范应用［8］。工业和信息化部电子信息产业发展基金管理办公室印发通知，明确要求将BDS行业应用示范（交通、电力行业）项目列为专项招标项目，BDS产业连续多年被列入电子发展基金计划［9］。科技部《导航与位置服务科技发展“十二五”专项规划》，要求开展在大众位置服务、交通出行服务、物联网、智慧城市、精准农业、应急救援等领域广泛开展示范应用。科技部多年来在“国家863计划地球观测与导航技术领域”对BDS科研开发、芯片研制、终端制造、系统平台建设、室内外导航定位等各方面设立专项，给予科技资金支撑［10］。交通部《关于加快推进“重点运输过程监控管理服务示范系统工程”实施工作的通知》，要求河北、江苏、安徽、山东、湖南、贵州、宁夏、陕西、天津9个示范省市的大客车、旅游车和危险品运输车辆在2013－03底前，80％以上车辆必须安装BDS车载终端，6月1日后，凡未按规定安装BDS导航的车辆，不予核发或审检道路运输证［11］。交通部、公安部、国家安全生产监督管理总局《道路运输车辆动态监督管理办法》（2014年第5号令），要求道路运输车辆必须安装卫星定位装置，并接入由企业监控平台上传到各地政府监管平台，然后再汇总全国道路货运车辆公共监管和服务平台［12］。交通运输部、总装备部联合启动，中国第二代卫星导航重大专项应用示范工程“基于BDS的中国海上搜救信息系统示范工程”项目。面向全国海洋用户推广40万套BDS海上搜救型手机及其他BDS终端设备。在道路运输、海上搜救、内河航运、货运物流、公众出行、远洋运输和民航空域管理等7个领域开展BDS重大专项示范工程，计划“十三五”前完成所有示范工程的建设［13］。农业部、财政部了《2013年农业机械购置补贴实施指导意见》，将渔船用BDS船载终端和AIS船载终端纳入全国农机购置补贴机具种类范围；此举将大幅度提高BDS和AIS船载终端在渔船上的覆盖率［14］。公安部下发了《BDS导航系统公安建设与应用指导意见》，高度重视BDS公安应用工作，将BDS卫星导航应用工作列入全国公安规划。国家电监会确立“天地互备，以BDS为主的电力授时体系”。国家发改委在2009年至2020年，投资4万亿元用于智能电网建设。国家林业局印发《关于进一步加快林业信息化发展的指导意见》，提出“要以实施国家林业BDS应用示范工程为先导，带动国产对地观测系统和卫星通信系统等在林业行业的广泛应用［15］”。国家测绘地理信息局印发了《国家测绘地理信息局关于BDS卫星导航系统推广应用的若干意见》，明确要求加快BDS地面基础设施建设，着力加强BDS应用科技创新，着力支持BDS相关企业发展，着力推动BDS行业应用，着力优化BDS应用市场环境；并制定了18条贯彻执行的具体措施和意见［16］。在国家政策的引领下，北京、天津、广东、广西、安徽、湖北、湖南、四川、贵州、河南、河北、陕西、山西、新疆等省、市、自治区纷纷出台地方政策，推动了BDS导航定位在各个地区和领域的广泛应用［2］26－35。此外上海、天津、武汉、南京、青岛、兰州、中山、江门等地方政府建立了BDS卫星产业园高新技术开发区，出台优惠政策，“筑巢引鳳”吸引BDS卫星高新企业落户，以BDS产业推动区域经济发展［17］37。国家一系列发展BDS导航定位政策的出台极大地激发和调动了各行业应用BDS、发展BDS的热情，使我国卫星导航产业的整体得到升级发展，尤其在国产化方面从数量和质量2个层面均有大幅提升。在我国BDS兼融其他系统的导航与位置服务已进入大发展、规模化应用的黄金阶段。

1．2行业协会主导产业进步

中国卫星导航定位协会（简称“中位协”）经过20年的辛勤耕耘，架起了BDS导航定位产业的沟通桥梁：从2011年起年度中国卫星导航与位置服务产业发展白皮书；每年举办中国卫星导航与位置服务年会；评选、表彰年度卫星导航定位科学技术奖获奖项目和优秀工程奖项目、优秀论文作者；宣布地图导航定位产品推荐名单、BDS高精度测量型接收机推荐名单；表彰行业优秀企业和先锋人物。此外签约天津武清，建立BDS战略新兴产业园；授予鄂尔多斯、济宁和厦门“BDS产业化应用示范基地”称号、赣州BDS产业园“国家BDS产业应用示范基地”称号；推动在山东泰安东平县建设BDS应用智能养老示范基地；组织专家对测量型BDS接收机产品性能指标进行了严格检测，对产品的软硬件技术性能等进行了综合评审。中位协实施BDS“百城百联百用”行动，被列入国家测绘地理信息局2015年重点工作。中位协对首期征集的近百个项目进行了宣传推广［18］。BDS精准服务网建设进展顺利，BDS与燃气行业多种业务进行深度结合。北京燃气、深圳燃气、重庆燃气、成都城市燃气、海南民生管道燃气、杭州燃气、宁波兴光燃气、锦州燃气、惠州、江门、濮阳等多地已经开展项目建设和应用。2015－06，中位协与中燃协、新奥能源在廊坊举办“百城百联百用”BDS精准服务网落地新奥能源签约和项目介绍会。目前，新奥能源已在全国140多家公司逐步建设BDS精准服务站，并与全国精准服务网联网，在工程、运营、安全、客户服务等业务中引入BDS应用。基于BDS应用构建居家养老解决方案项目取得重要进展，项目实施已在四川、辽宁、内蒙古、新疆、陕西、山西、广东、福建、海南、河北、山东、云南、宁夏、江苏、浙江等开展，养老服务商已确定发展用户达136万。BDS车卫士———电动自行车安全的综合治理项目已在十余省市和当地的公安部门、移动运营商、保险公司以及电动车生产厂商中合作推广，目前平台有效用户数逾万名。BDS学生卡项目、桥梁健康监测系统项目已经启动实施。中位协开展的BDS“百城百联百用”行动，凝聚了企业力量，有力地推动了卫星导航定位产业的发展。

1．3其他行业助力产业升温

国家和地方政府政策的引领、推广应用专项和科研资金的支持，使企业看到了BDS朝阳产业光明的前景。其他领域的企业纷纷涉足卫星导航定位产业，为产业的发展开辟了新的市场空间；尤其是互联网企业的介入，使卫星导航与位置服务产业成为关注的新热点。互联网巨头阿里巴巴进入导航产业。2013年阿里巴巴以2．94亿美元投资，收购高德28％股份，成为国内导航地图供应商［17］43。2014－02阿里巴巴以11亿美元全资收购高德，具有甲级电子地图测绘资质的高德软件公司成为阿里巴巴子公司［2］113。百度进军导航领域。2013年百度并购了导航产业的龙头企业、具有品牌“道道通”导航电子地图的瑞图万方。百度集团成立了专门的“地图事业部”，致力搭建基于地图产品的生活服务平台；并于2013年收购了人人网旗下的团购业务糯米网，推进在地图上的线上线下结合（onlineTooffline，O2O）等业务［17］43。腾讯集团在2014－01全资收购了拥有甲级导航测绘资质的科菱航睿空间信息技术有限公司，依托其数据加快街景数据的采集；后又入股四维图新，成为四维图新第二大股东［2］113。兵器集团砸下重金进入导航位置服务领域。2014年兵器集团与阿里巴巴联合，各出资10个亿，准备打造全国位置服务一张网的建设。互联网企业针对导航与位置服务产业的一系列并购行为，显示了这一新兴产业的活力。

1．4应用市场发展迅速

近几年来我国卫星导航与位置服务产业发展迅速。2014年产业总体产值达到1343亿元，较2013年增长29．1％［19］12。同时，BDS应用占比进一步提高，国内卫星导航市场新增销售产品及系统超过80％已采用BDS兼容技术。随着BDS热度持续升温，产业新增投资和新增企业数量保持高速增长，卫星导航与位置服务领域企事业单位数量已超过13000家，从业人员近40万。随着智能手机进一步普及，国内导航定位终端产品总销量突破3．88亿台，其中带卫星导航定位功能的智能手机销售量达到3．7亿台，汽车导航后装市场终端销量约910万台，汽车导航前装市场终端销量约247万台，各类监控终端销量约650万台，其他便携式导航设备（portablenavigationdevices，PND）、个人导航仪产品销量约70万台，高精度定位接收机或板卡产销量（含出口）超过15万台（套）。同时，GPS与BDS兼容应用正逐渐成为国内外厂商产品的主流技术方案，从而使BDS终端社会总持有量从2013年的百万规模量级到2014年跃升至千万量级［19］12。2015年我国卫星导航产业总产值超过1900亿元，BDS相关的贡献率超过30％，其中在精准行业、地理信息和基础设施领域，BDS贡献率已经占到半数［20］。

2技术创新展现产业光明前景

1）室内外高精度无缝导航技术获得突破。科技部制定的《导航与位置服务科技发展“十二五”专项规划》，明确解决制约我国导航与位置服务产业发展所需的瓶颈技术问题，突破以BDS为核心的多系统兼容互用、室内外协同实时精密定位、全息导航地图获取融合与更新、位置信息挖掘与智能服务、高性能组合导航、位置服务系统及终端性能的测试监测与评估等关键技术。经过科研人员、企业界的共同努力，我国导航与位置服务市场发展迅速，以“羲和系统”为标志的室内外高精度无缝导航技术获得突破，使手机终端获得室内外1～3m的高精度服务成为可能［21］17－22。国内全息位置地图理念和实践取得显著成果，2012年地图兴趣点超过2000万，用户量超过2亿，2013年兴趣点达到5000万，用户量达到5亿。百度、腾讯等位置服务扩张迅速，2014－01，百度地图日服务请求超过40亿次，打车、团购、旅游、物流等应用蓬勃兴起，这极大延伸了卫星导航应用市场。我国当前已成为全球导航与位置服务发展最快、最具活力的市场，极大提升了BDS应用的潜在价值。

2）民航空管运行及安全保障应用提升。民航空管突破了基于协同决策的飞行流量调配等技术，建立了覆盖民航局、空管和机场运行部门的协同决策系统，使空管运行服务能力得到有效提升。目前相关信息系统与技术装备已在民航局运行监控中心及华北、东北、中南、西北地区的部分管制中心、繁忙机场进行了应用，并取得实际效益，已使首都机场的航班平均正常率提高了3．2个百分点，数字化放行率达到80．9％［2］130。空管装备国产化取得长足进步，成功研制了机场场面活动监视与引导系统等空管装备，打破了国外技术与产品垄断，提升了民航空管技术装备的国产化水平，为形成自主可控的我国空管系统、提高我国民航空管的安全保障能力做出贡献。导航科技创新支撑通用航空发展，突破了多模态一体化多源监视等技术，形成了军民兼顾的通用航空运行管理技术解决方案及技术装备原型，为实现看得见、管得住的目标奠定了技术基础。

3）位置服务与手机完美结合。基于羲和室内外导航技术开发的智能手机应用导航软件“寻鹿”开通了国内8大主要城市机场室内定位和位置服务，成果拥有者已与联想集团签署战略合作协议，将预装到5000万智能手机上［2］130：这是国内室内位置服务厂商与手机厂商的首次大规模合作，也是国内室内位置服务厂商更加直观地进入到公众视野的一次突破。联想手机未来将会基于“寻鹿”提供的室内空间数据，面向用户推出更多的新功能，引起国际跨国公司关注。当今世界主要GNSS芯片商———高通、博通、U－blox以及联发科等公司的最新芯片功能中均包含BDS。目前高通向我国大量销售的智能手机套片型号骁龙8000，就内置BDS定位功能。博通和联发科公司提供的智能手机解决方案也均含有BDS定位功能［22］。

4）多信号接收处理的互用技术获得突破。在国家863“多星座互用关键技术与仿真验证平台”、国防科工局项目“多频多星座GNSS软件接收机”课题的支持下，国家遥感中心卫星导航信号处理部针对现有4大GNSS系统的多信号互用接收处理技术，研究了多系统互用接收新方法，创新性地提出了从用户角度分析评估多星座互用信号的捕获、跟踪、解调、抗干扰、抗多径等性能的评估方法，为未来多系统互用接收机的设计提供参考，为新体制信号性能的测试、验证与互用性评估提供支持。研发的4系统9频点互用接收处理平台，可实时接收处理4大系统民用信号，代表着目前国际上实时软件接收技术的先进水平；并在国内外学术界、工业界产生了很大影响［2］125－126。5）芯片及接收终端研制取得新进展。芯片是卫星定位移动终端的核心，是卫星定位在移动通信领域应用的关键。目前，国内市场移动基带芯片和应用处理芯片的国产化率快速提升，国内移动芯片设计在多核、多模、高工艺等方面均有所突破。上海北伽导航科技有限公司的40nm级射频基带一体化芯片“航芯一号”，路测定位精度为2．5m，达到国内一流水平，标志着我国BDS导航产业大规模应用的瓶颈得到突破［2］140。杭州中科微电子有限公司研制的55nm工艺SOCBDS单芯片，实现BDS、GPS、GLONASS3模联合定位，支持任意双模和单模导航定位，支持6模系统联合定位，各项性能指标达到国际先进水平［2］140。中电华大推出多模SOC导航芯片产品，在欧洲权威机构ABI刚刚的全球GNSSIC供应商排名中，位列第7。国家遥感中心卫星导航信号处理部承担的互操作型、测量型和授时型GNSS接收机，兼容BDS、GPS、GLONASS和Galileo等4大GNSS系统，能够接收当前和计划中的GNSS民用信号［2］125。BDS星通旗下和芯星通“多系统多频率卫星导航定位关键技术及SoC芯片产业化应用”项目荣获2015年度国家科技进步奖二等奖［23］。

3技术融合拓展产业应用领域

卫星导航定位与互联网、无线通信是近几年来发展最快的3大IT产业。它们之间相互融合；以卫星导航为主体、以基于位置的服务为代表的综合信息服务迅猛发展，如智能手机均带有卫星导航和授时信息，人们佩带的BDS手表也有导航信息，导航信息逐渐成为人们日常生活和外出所依赖的必要信息，为全球定位系统技术应用进入人们的日常生活创造了条件。可以说导航与位置服务已广泛深入到社会各领域、各行业，尤其在测绘与地理信息产业、地壳形变监测、气象预报、地质灾害监测预报、物流信息、交通运输管理、社会治安管理等行业和领域，卫星导航与位置服务已成为主要依赖的技术手段。卫星导航定位与互联网和无线通讯结合产生许多新的服务模式和经济效益，其应用面不断扩大，如中国卫星导航定位协会实施的“百城、百联、百用”行动推广了以下项目

1）“基于BDS的城市管网管理”项目将BDS地基增强CORS系统广泛应用于燃气业务链的各个环节，从本质上改善了管网建设、运营、安全等业务的信息化管理能力和质量。

2）基于BDS定位应用的“关护通”智慧养老服务系统将互联网、BDS导航定位、无线通信技术、家庭物联网技术、无线射频识别技术，以及老人对亲情服务、紧急救助、健康检测和专家咨询、居家养老服务等多方面的需求与家人、养老服务商、医疗机构等整合在一起，为老人打造一套现代居家养老服务解决方案；不仅可以破解老人居家养老的社会难题，而且也开辟了新的就业渠道，给养老服务商也带来可观的经济和社会效益。

3）通用分组无线业务、近距离无线通信技术和第3代数字通信等通信技术与导航定位密不可分；基于BDS的地质灾害监测预警系统，通过应用BDS卫星导航定位、GIS等技术，以GPRS／3G／电台／Zigbee／BDS为通信手段，融合多种地质灾害监测传感器，实现现场地质信息监测与获取、地质灾害数据管理与集成、地质灾害预测与防治决策，广泛应用于滑坡、崩塌、泥石流、地裂缝、地面塌陷、地面沉降等地质灾害领域。4）BDS农机自动驾驶系统利用BDS卫星导航定位技术和自动化技术，通过高精度GNSS天线接收卫星信号，结合实时动态差分技术，在农机车载终端上解算得到高精度位置坐标，利用各种传感，滤除车辆晃动误差，将数据输出给液压控制设备，控制农用拖拉机车辆按设定轨迹自动行驶，拥有cm级控制精度，达到提高农机作业精准度、解放驾驶员高强度工作压力，解决重播、漏耕、夜晚无法作业等问题的目的。5）基于GPS／BDS／GPRS／RFID／NFC技术的电子锁移动通讯终端可用于物流运输的在途实时位置以及实时锁状态的远程监控、电子交接，特别适用于各种临时不固定的流动车辆，免安装，挂上GPS／BDS电子锁便可实现在途实时监管。

4结束语

在信息化社会，绝大多数动态信息都离不开时间和位置参数。卫星导航接收机在全球的任何地方都可获得μs至ns级的时间信号；在精确定位上，能达到cm至mm级的精度；在性能上，卫星导航用户产品的体积越来越小，功能越来越强，价格越来越便宜。卫星导航定位已从个别部门、个别场合的应用，逐渐过渡到国民经济众多部门基础性产业平台的应用；从少数行业的专业应用逐渐过渡到公众的广泛应用。特别在尖端领域如基础科学等方面已有广泛的应用。卫星导航技术已经成熟到可以把廉价的32位处理器与高性能卫星导航内核集成在一起，同时软件方面突出了用户界面易用性、人性化。相信到2020年我国BDS卫星系统完成布网，届时在全球任何位置都能得到BDS卫星提供的服务，BDS导航与位置服务应用将会进一步深入而广泛地发展。

参考文献：

［1］中国卫星导航系统管理办公室．北斗卫星导航系统公开服务性能规范（1．0版）［EB／OL］．（2013－12－27）［2016－01－11］．

［2］中国卫星导航定位协会．中国卫星导航与位置服务产业年鉴2014［G］．北京：中国卫星导航定位协会，2015．

［3］国务院．关于印发“十二五”国家战略性新兴产业发展规划的通知：国发〔2012〕28号［EB／OL］．（2012－07－09）［2016－01－11］．

［4］国务院．关于促进信息消费扩大内需的若干意见：国发〔2013〕32号［EB／OL］．（2013－08－08）［2016－01－11］．

［5］国务院办公厅．关于印发国家卫星导航产业中长期发展规划的通知：国办发〔2013〕97号［EB／OL］．（2013－09－26）［2016－01－11］．

作者:张全德 范京生 单位:中国卫星导航定位协会