北斗系统应用趋势分析

来源：《卫星应用》

作者：张奋,贾小林,姬剑锋,王龙

一、前言

       

2020年6月23日，北斗三号最后一颗组网卫星成功发射。2020年7月31日，北斗三号建成暨开通仪式举行，北斗三号全球卫星导航系统正式开通[1]，标志着我国北斗系统迎来全球服务时代，提供全天候、全天时、高精度的定位、导航和授时服务。实际上，从2012年起，北斗系统便开始正式提供亚太区域服务。2020年，我国以北斗应用发展为核心的卫星导航与位置服务产业总体产值已达到4033亿元，与2019年相比增长约16.9%，预计到2025年，北斗产业总值将达到1万亿元。据统计，2021年第一季度，在中国入网的智能手机，有79%以上提供北斗定位服务；共享单车配装北斗终端实现精细管理；牧民在家就能通过北斗项圈放牧牛羊；支持北斗系统的手表、手环、学生卡，让人们日常生活更加便利；在新冠疫情阻击战中，北斗的贡献有目共睹；全国各地数十万台北斗终端进入物流行业[2,3]。

北斗系统广泛应用于智能交通、应急救援、精准农业、农林水利、海洋开发、智慧物流、测绘勘探、电力系统等多个行业，并且逐渐向智能手机、智能穿戴设备等智能化、小型化领域发展。本文在阐述北斗系统行业应用现状及存在问题基础上，分析其应用趋势并对未来发展提出建议，为进一步推动北斗系统多领域应用、带动“北斗+”和“+北斗”融合创新应用发展提供参考，促进北斗卫星导航产业持续稳定增长，加快北斗服务世界的进程。

二、北斗系统发展历程及服务类型

       

1. 北斗系统发展进程

北斗系统是我国重要基础设施之一，按照“三步走”战略建设发展。北斗一号系统1994年启动建设。2000年，发射2颗地球静止轨道卫星（GEO）并投入使用，为国内用户提供定位、授时、广域差分和短报文通信服务。北斗二号系统2004年启动建设，2012年完成14颗卫星组网并投入使用，为亚太地区用户提供定位、导航、授时和短报文通信服务。北斗三号系统2009年启动建设，在北斗二号系统基础上，进一步提升性能、扩展功能，2020年6月完成30颗卫星组网，为全球用户提供导航定位和通信数传于一体的高品质服务。目前，北斗系统服务由北斗二号系统和北斗三号系统共同提供，2020年后将平稳过渡为北斗三号系统为主提供。

2. 北斗系统服务类型

北斗系统采用了三种轨道的混合星座设计，采用独立的双向时间同步观测体制，支持星间链路观测，具备导航定位和通信数传两大功能，提供七种北斗系统应用服务，具体包括：面向全球范围，提供定位导航授时、全球短报文通信和国际搜救三种服务；在中国及周边地区，提供星基增强、地基增强、精密单点定位和区域短报文通信四种服务[5]。其中短报文通信服务进行了升级拓展，区域通信能力达到每次14000比特（约1000汉字），支持文字、语音和图片等数据类型，全球通信能力支持每次560比特（约40个汉字）[6]；星基增强服务具备一类垂直引导进近（APV-I）能力，填补我国星基增强服务空白；国际搜救服务检测概率优于99%，具备返向链路确认特色能力，显著增强遇险人员求生信心；地基增强、精密单点定位可提供最高厘米级定位服务。

三、北斗系统行业应用现状及发展趋势分析

       

1. 北斗系统行业应用分析

在北斗系统支撑下，我国北斗产业链已形成了完整的内循环（图1）：上游基础部件是产业自主可控的关键环节，主要由基带芯片、射频芯片、板卡、天线等构成；中游主要包括终端集成和系统集成，是产业发展的重点；下游的解决方案和运维服务提供众多行业应用[7,8]。北斗工程首任总设计师孙家栋院士曾说过“北斗的应用只受人类想象力的限制”。北斗系统已在交通运输、农业渔业、水文监测、气象预报、救灾减灾、公共安全等行业领域得到广泛应用，本文将重点针对交通、海洋、航空、防灾救灾、大众应用等几个行业领域的北斗应用展开讨论和分析研究。

图1 北斗系统行业应用总体架构

(1）“北斗+交通”

交通运输行业是北斗系统最大的应用行业之一。据统计，每年中国道路运输客运量达百亿人次，公路货物周转量达万亿吨。北斗系统广泛应用于重点运输过程监控、公路基础设施安全监控等领域。2011年，第一个交通领域民用应用示范工程“重点运输过程监控管理服务示范系统工程”率先推动北斗系统应用于我国道路运输安全管理，降低了道路运输事故发生风险。截至目前，我国有超过700万辆道路营运车辆、3.63万辆邮政和快递车辆、约1400艘公务船舶、约350架通用飞行器应用北斗系统，建成全球最大的营运车辆动态监管系统，提升了我国综合交通管理效率和运输安全水平。

(2）“北斗+海洋”

海洋和河道是当今世界上应用最广泛的运输方式，效率、安全和最优化是海洋与河道运输的重点。北斗系统在海洋应用主要包括渔业管理、航海救援、港口运作、船舶监管、海洋渔业、海洋风暴预警、海洋测绘与环境监测等。北斗技术的应用有效解决了最小航行交通冲突，保障了航行安全，提高了海洋应用效能。海洋渔业现已成为北斗海洋民用市场规模较大的行业，北斗海洋应用中融合北斗短报文、手机短信、互联网等多种通信信息技术手段，实现北斗短报文与手机短信的互联互通，具有遇险报警、搜救协调通信、现场寻位、海上安全信息播放、常规公众业务通信等功能。目前全国7万艘渔船和执法船安装了北斗终端，累计救助1万余人。

(3）“北斗+航空”

全球卫星导航系统（GNSS）是现代空中航行系统的重要基础，是提升全球空中航行安全水平和服务质量的重要手段。北斗系统提供全球服务是民航行业高质量发展的有力保证和重要技术支撑，能够提供精确完好、安全可靠的导航定位授时服务，为空中交通服务提供全空域监视服务，能够全面提升民航安全水平，空域容量、运营效率和服务能力，为新时代民航强国发展提供强大技术支撑。北斗在航空领域中的应用包括飞机导航、航路划定、导弹制导、飞行监控和控制等。2019年12月，民航局正式发布《中国民航北斗卫星导航系统应用实施路线图》，提出要大力推进系统应用，积极构建以北斗为核心、兼容多个星座的GNSS技术应用体系，逐步实现北斗系统、民航行业应用全覆盖可替代，为运输、通用航空及无人驾驶航空器飞行，提供精确完好、安全可靠的导航服务。

(4）“北斗+防灾救灾”

在地震监测、森林防火、山体滑坡监测、泥石流监测、桥梁变形监测等应用中，北斗系统能够提供实时位置监测、实时救灾指挥调度、救灾物资管理与调运、应急通信、灾情信息快速上报与共享等服务，显著提高灾害预警、灾害应急救援等防灾减灾的快速反应能力和决策能力。2008年汶川地震中，第一条汇报来自于北斗短报文；2010年玉树地震，北斗系统在搜救中也发挥了重要作用；2020年新冠疫情防控中北斗系统大显身手，基于北斗系统的高精度定位设备在武汉火神山、雷神山医院建设中完成精准放线测量，北斗系统还为防疫物资、医护人员等抗疫一线提供精准时空体系精准服务。目前，我国已建成北斗综合减灾救灾应用系统，实现全国应急救援“一张图”有效动态远程监控，按“部、省、市（县）”三级平台部署，已在全国10多个省开展规模化建设应用，推广北斗终端超过4.5万台。

(5）“北斗+大众应用”

北斗系统大众服务发展前景广阔。基于北斗的导航服务已被电子商务、移动智能终端制造、位置服务等厂商采用，广泛进入中国大众消费、共享经济和民生领域，随着5G商用时代的到来，北斗正在与新一代移动通信、区块链、人工智能等新技术加速融合，北斗应用的新模式、新业态、新经济不断涌现，深刻改变着人们的生产生活方式。2018年1月，工业和信息化部电子信息司组织完成北斗在智能手机中的应用推广。国内外主流芯片厂商均推出兼容北斗的通导一体化芯片。随着5G时代的到来，在人工智能的催生下，很多智能手机具有地图导航、智能停车等智能出行精准导航服务，为用户提供了更安全、更高效、更省心的出行指导。在电子商务领域，国内多家电子商务企业的物流货车及配送员，应用北斗车载终端和手环，实现了车、人、货信息的实时调度。智能穿戴领域，多款支持北斗系统的手表、手环等智能穿戴设备，以及学生卡、老人卡等特殊人群关爱产品不断涌现，得到广泛应用。

2. 存在问题分析

尽管卫星导航系统行业应用甚广，但是卫星导航系统天然存在的诸多缺陷也频繁暴露出来。首先，北斗系统与其他卫星导航系统一样具有天然的脆弱性，易被干扰和欺骗。以美国GPS为参考，GPS欺骗、干扰或服务中断事件已经从早期的国家黑客或电子战部队蔓延至船运、航空等民用领域。据美国海岸警卫队全球GPS事件状态报告，2019年GPS攻击事件严重威胁人员生命财产和交通运输安全。北斗系统应用存在潜在威胁。其次，卫星定位可靠性和精度问题。目前，尚无任何技术可以宣称绝对安全可靠，北斗系统亦是如此。在定位精度方面，卫星定位技术受到信号功率、带宽和传播时延的限制，精度很难进一步提高。此外，电磁信号易受到大气电离层和对流层干扰，精度很难保证，在城市、山区等复杂环境下，由于建筑物、树木、地形的遮蔽作用，信号存在非直线传播，导致不同环境下的定位效果存在较大差异，无法保证导航定位授时服务的连续性和可靠性。再者，受限于信号的传播条件，在地下、水下、隧道、室内等环境中，卫星定位信号无法穿透地面、水、建筑物等实体，无法进行定位。这些问题的现实存在，导致北斗系统在实时高精度定位、地下水下导航等领域和区域应用存在一定的限制和约束。

3. 北斗系统应用趋势

国家综合PNT（导航、定位、授时）体系[15]的提出和建立将有效破解北斗系统扩大应用所面临的问题和困境。随着5G基站建设、大数据中心、人工智能、工业互联网等方面国家政策的陆续出台，国家将进一步加大力度对相关产业建设和发展的政策支持，北斗系统将与新一代5G通信、物联网人工智能、大数据等新技术深度融合，不断催生智能交通、精细农业、精准物流、自动驾驶等北斗行业应用的新模式、新业态，让北斗服务无处不在、无时不有。未来北斗系统应用形态和发展方向将体现在以下几个方面。

(1）融合化

进一步推动创新高效的融合机制建立，实现北斗、GPS、格洛纳斯、伽利略等GNSS多系统融合，北斗定位、视觉导航、惯性导航等多技术融合，在融技术、融数据、融网络、融平台的联动互通催生下，真正实现以北斗为核心的时空信息服务高效互联互通共享，并具备抗干扰、防欺骗、连续、稳定和高可靠性，促使北斗系统在智慧城市、智慧交通、精准物流等多个行业跨界融合应用。

(2）泛在化

北斗与5G通信、位置服务、GIS（地理信息系统）相结合，突破5G融合北斗与位置服务的室内外无缝定位技术，持续提升室外到室内、地面到地下、海底到深空的无缝连接时空信息服务。在大众应用领域，突破实时动态高精度导航地图，构建多样化出行服务体系，打通时空信息“最后一公里”服务，以重点行业应用为牵引，通过创新社会治理模式、深化大众生活位置服务应用等，推动大众消费的规模化应用，形成从智能终端到平台再到行业应用完整链路的泛在、智能、连续可靠的北斗时空信息服务。

(3）小型化

突破高精度低成本安全可信智能终端，研发超低功耗、低成本、快速定位的北斗芯片及其IP核，使北斗智能应用终端呈现小型化、微型化和弹性化[16]，真正实现北斗终端的自主可控和灵活变通，在森林防火、抢险救灾、农机自动驾驶、远海渔业等多个领域实现北斗智能终端的便携式和灵活性应用，具有广泛的应用前景和应用价值。

(4）网络化

北斗与物联网、5G通信的结合，将大力促进北斗智能终端、北斗应用系统互联互通互操作的实现。突破结合窄带物联网协议的系列低功耗北斗技术，以及利用北斗B2a信号宽带特性进行多路径检测和消除技术，大幅提升复杂场景的定位精度，形成“北斗+物联网+5G”的通导一体化解决方案，实现在智慧城市、智能物流、安防监控、智慧农业、资产监管、环境监测等领域的规模应用，真正实现北斗应用万物互联。

(5）智能化

北斗与人工智能、5G、云计算、大数据结合，突破北斗芯片与陀螺仪、里程计等多传感器融合定位技术，全面提升PNT服务的定位精度、可用性和抗多路径能力，突破适用无人系统的高性能、高精度、小型化并符合汽车电子系统通用标准的多模多频北斗/GNSS芯片，实现以北斗为核心的时空信息智能感知、智能处理和智能服务，形成北斗高精度技术在智能网联汽车、无人机、小型机器人、智能穿戴设备等领域深度应用，大幅提升北斗智能化应用水平。

四、结束语

       

北斗系统是国家战略性新兴产业，是我国重要信息基础设施之一，也是我国信息化建设的重要保证，为促进和推动经济社会发展提供了强大动力。北斗系统的全面建成进一步确立和巩固了我国在卫星导航领域的国际地位，促进了全球导航系统的竞争与合作，推动了系统共同发展，对提升我国航天能力，推动航天强国建设意义重大。为了更好地应用北斗，我国应进一步加大北斗应用政策支持力度，促进北斗在行业领域应用的法规标准建立，在深度融合的框架下，不断扩大北斗融合应用广度和深度，同时加大全源导航、通导一体等核心技术研发，不断促进北斗行业应用和产业化发展，推动“北斗+”和“+北斗”融合创新应用发展。同时可考虑实行更多积极开放的多边合作和国际合作，开辟更广阔的北斗应用空间。