周建華：北斗廣域分米級(jí)增強(qiáng)及其應(yīng)用

6月14日，第六屆WGDC大會(huì)在北京國(guó)家會(huì)議中心隆重開(kāi)幕。大會(huì)由空間信息產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)服務(wù)平臺(tái)泰伯主辦，秉承不斷引領(lǐng)和促進(jìn)空間信息技術(shù)創(chuàng)新與變革的宗旨，WGDC已走過(guò)五個(gè)年頭，如今已成為全球最具前瞻性的跨界創(chuàng)新風(fēng)向標(biāo)。

　　在本屆大會(huì)的空間大數(shù)據(jù)+軍民融合峰會(huì)上，北斗導(dǎo)航衛(wèi)星運(yùn)控系統(tǒng)總工程師周建華研究員做了特邀演講，以下為演講實(shí)錄。(內(nèi)容未經(jīng)本人審核)：

　　大家下午好!接到說(shuō)今天要開(kāi)這么個(gè)軍民融合大數(shù)據(jù)的會(huì)，來(lái)講一下北斗軍民融合的應(yīng)用問(wèn)題。后來(lái)我想了一下北斗本身軍民融合應(yīng)用面比較廣，我們最近推的一件事情，今年在導(dǎo)航年會(huì)上公布了一個(gè)關(guān)于北斗分米級(jí)的情況，這個(gè)項(xiàng)目我認(rèn)為到目前為止是很快推廣應(yīng)用的現(xiàn)狀。

　　大家知道北斗從2011年開(kāi)始正式試運(yùn)行，2012年正式對(duì)全球發(fā)布公開(kāi)服務(wù)。這樣的服務(wù)，北斗的性能按照原來(lái)的指標(biāo)設(shè)計(jì)北斗應(yīng)該是從指標(biāo)實(shí)現(xiàn)上完全滿(mǎn)足所有的性能指標(biāo)。GPS已經(jīng)用了30年歷史，大家對(duì)GPS應(yīng)用非常熟悉，北斗的情況大家都喜歡和GPS去比，北斗的性能發(fā)布以后，各大導(dǎo)航系統(tǒng)都提供衛(wèi)星和衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)。

　　全球的衛(wèi)星導(dǎo)航供應(yīng)商，北斗也是全球四大供應(yīng)商之一，你提的空間信號(hào)精度是什么，就代表你的系統(tǒng)服務(wù)導(dǎo)航的能力，從運(yùn)營(yíng)商角度提供的能力，大家都用你發(fā)布的空間信號(hào)精度表示。這個(gè)圖給出了GPS從九幾年開(kāi)始一直到目前為止能做到的空間信號(hào)精度的情況，它從九幾年開(kāi)始精度不斷的提升，到目前為止是在0.7、0.8的精度。根據(jù)我們當(dāng)時(shí)的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和整個(gè)的設(shè)計(jì)條件，設(shè)計(jì)這個(gè)指標(biāo)，但在太空時(shí)就已經(jīng)好于這樣的指標(biāo)。到了用戶(hù)是什么樣的精度?

　　空間信號(hào)精度很大反映在用戶(hù)測(cè)量的是多少?要形成星座幾何的因子來(lái)決定誤差，北斗的星座設(shè)計(jì)的是什么星座?能給用戶(hù)提供什么樣的幾何，這是星座固有的，這是各大供應(yīng)商提供的東西。

　　因?yàn)楸倍返男亲厥庑栽谡麄€(gè)服務(wù)區(qū)域內(nèi)，它的幾何是不均勻的。在我們比較熟悉的地區(qū)像中國(guó)的公路，像華北地區(qū)，這是平面的道路值，這是高層的道路值。同樣的情況可以看GPS和北斗、伽利略，可以看出來(lái)我們的星座，這是最典型的北京地區(qū)的值，這個(gè)值和GPS比起來(lái)大不少，大了至少有一倍。

　　說(shuō)明我們的系統(tǒng)操控如果得到同樣性能時(shí)，因?yàn)槟愕男亲町愐矔?huì)大。換句話(huà)說(shuō)，我們要做的跟GPS同樣的定位精度，北斗信號(hào)的精度就需要提高到一倍，就這樣的情況。我們國(guó)家做北斗是比所做的外部環(huán)境有很大差異，這是GPS的監(jiān)測(cè)站，我們中國(guó)就在這個(gè)地方，地面站在全球的地面面積算起來(lái)時(shí)，北斗只有GPS的50分之1，GPS星座是全球哪都能覆蓋，就我們的覆蓋就星座也只能覆蓋五分之一，監(jiān)測(cè)站只有50分之1，這是差異。這個(gè)差異如果你要想到，那就用GPS看到的，GPS對(duì)每個(gè)地方任何一個(gè)衛(wèi)星可以看到兩個(gè)站、三個(gè)站、四個(gè)站、五個(gè)站。反過(guò)來(lái)解釋?zhuān)珿PS星座任何時(shí)候在全國(guó)至少有兩個(gè)星站看到它，北斗就不行了，很長(zhǎng)時(shí)間很多衛(wèi)星都看不到。再加上其他的難度，用戶(hù)要想得到一樣的體驗(yàn)，就已經(jīng)有一定的難度，再加上這些困難，還是很難的。

　　我們做北斗做的20多年，能夠取得今天的成績(jī)，其實(shí)是大家沒(méi)有想到的。北斗做的比想象中好，包括我們自己做的這些覺(jué)得比當(dāng)初設(shè)計(jì)想象好得多。怎么辦呢?你的對(duì)手就是GPS，你要跟它競(jìng)爭(zhēng)，競(jìng)爭(zhēng)不過(guò)它，產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型就面對(duì)困境，就要突破這個(gè)困境。我們做北斗的一直建這個(gè)系統(tǒng)，提供高精度的服務(wù)，我們做的必須要把性能再做上去。做的要彌補(bǔ)你其他的弱點(diǎn)，可能我們工業(yè)化的水平也比別人差等等，至少我們要把性能一定做好，工業(yè)制造水平一定要上去，這是我們今天一直努力在做這件事。

　　2012年時(shí)發(fā)布了這樣的性能，今天估計(jì)，我看聽(tīng)眾的面比較廣，所以不展開(kāi)談怎么來(lái)改進(jìn)性能?根據(jù)現(xiàn)有2012年發(fā)布的性能做了幾項(xiàng)改進(jìn)。一個(gè)是把原來(lái)的軌道鐘表精度提升，快速的把軌道解出來(lái)，北斗的星座還是很可觀(guān)的，我們?yōu)榱擞懈嗟墓δ?，為了快速?yīng)用，走的是自己的路線(xiàn)。

　　大家在用GPS時(shí)知道它非常穩(wěn)定，它的衛(wèi)星也很多，它一個(gè)衛(wèi)星的操控，如果出現(xiàn)問(wèn)題以后一個(gè)小時(shí)以后才能入網(wǎng)。北斗不行它有很多的同步軌道衛(wèi)星，一旦超出范圍之內(nèi)必須要對(duì)它進(jìn)行控制，這個(gè)軌道不可能像GPS長(zhǎng)期穩(wěn)定不需要?jiǎng)铀枰懵ㄜ?，這樣的定軌一定要非常快的定軌才行，如果一個(gè)衛(wèi)星三天才入軌的話(huà)，這個(gè)星座整體就不能運(yùn)行了。

　　我們就用了這樣的辦法進(jìn)行定軌和測(cè)算誤差，這樣做導(dǎo)致的結(jié)果，我們也花了很多的想法，用什么樣的測(cè)定軌方案解決這個(gè)問(wèn)題?指標(biāo)上達(dá)到了，性能上還是有損失。我們做了另外的改進(jìn)，現(xiàn)在衛(wèi)星的軌道、鐘差可以在幾個(gè)小時(shí)內(nèi)完成，一個(gè)衛(wèi)星如果需要控制它，幾個(gè)小時(shí)內(nèi)可以達(dá)到性能的入網(wǎng)。這種幾個(gè)小時(shí)，空間信號(hào)精度差一些，所以我們重新做了改進(jìn)彌合。紅色是改進(jìn)前的，藍(lán)色的是改進(jìn)后的。這個(gè)改進(jìn)可以把精度提升，把發(fā)布的軌道鐘差性能提高到一倍。

　　雖然我們連續(xù)的軌道測(cè)量這些精度都已經(jīng)有一部分改進(jìn)了，可能你的精度還需要提高。這里有一張度，剛才講到這個(gè)星座如果軌道做一個(gè)機(jī)動(dòng)以后，雖然是小小的分裂(音)，但是已經(jīng)發(fā)生幾個(gè)小時(shí)的誤差。6小時(shí)候誤差可能超過(guò)10公里，這樣它的性能就有所損失，為了提高整個(gè)的星座連續(xù)性、可動(dòng)性，增加的一組實(shí)時(shí)軌道修正。這個(gè)軌道修正一方面改進(jìn)機(jī)動(dòng)過(guò)程當(dāng)中和機(jī)動(dòng)后可以提供高精度的軌道，這個(gè)軌道可以連續(xù)。

　　經(jīng)過(guò)軌道鐘表重新修正以后，空間信號(hào)精度有了很大的提升。這樣最后在開(kāi)通前做的大系統(tǒng)評(píng)估時(shí)，是8-15米的性能。這樣的性能經(jīng)過(guò)前面說(shuō)的幾項(xiàng)改進(jìn)，現(xiàn)在的空間信號(hào)精度到了0.4米到0.5米。比2011年開(kāi)通時(shí)提高了1倍，這樣它的性能到用戶(hù)端時(shí)可以到3-5米。不知道在座是做終端的，如果大家的終端做的性能有一定保證上，你的測(cè)量，包括你的應(yīng)用沒(méi)有什么問(wèn)題時(shí)，目前你的終端能夠看到3-5米的性能。

　　有些更好的企業(yè)它做的指標(biāo)GPS測(cè)了兩個(gè)月，它的性能可以到2米左右，經(jīng)過(guò)系統(tǒng)的改進(jìn)。這樣的改進(jìn)可能用戶(hù)還有更高的需求，我們又做了另外一件事情。就是四重廣域差分的參數(shù)模型與協(xié)議，這套協(xié)議是導(dǎo)航電文+軌道改正+鐘差改正+分區(qū)綜合改正，GPS只管空間軌道空間段，空間段是軌道鐘差，到了用戶(hù)還有環(huán)境、電離層、對(duì)流層等等，電離層GPS有一個(gè)通用的模型，這個(gè)模型能到60%的精度，在電離層很平穩(wěn)的時(shí)候還可以，如果到了下午地區(qū)，它的修正精度會(huì)下降。

　　GPS平時(shí)比較穩(wěn)定，但電離層比較大的時(shí)候，可能會(huì)到10米以上。我們想為了提高性能精度加了這層改正，分區(qū)的改正是說(shuō)通常模式修正完，在對(duì)流層以外，剩下的參差再替用戶(hù)改一次，相當(dāng)于做了四重改正，這個(gè)通過(guò)北斗內(nèi)部自身實(shí)現(xiàn)的。這樣實(shí)現(xiàn)就北斗的能力經(jīng)過(guò)這個(gè)改進(jìn)之后，北斗能力又做了進(jìn)一步擴(kuò)展。

　　大家最熟悉的GPS怎么用的?今天我們報(bào)告把它叫普通導(dǎo)航，除了個(gè)以外提供一個(gè)廣域差分，就是因?yàn)樘峁┝塑壍?、鐘差、分區(qū)綜合的修正，同時(shí)提供了分米級(jí)的實(shí)時(shí)定位，普通導(dǎo)航、廣域差分、精密定位一體化實(shí)現(xiàn)，不需要額外的成本服務(wù)就能達(dá)到。

　　最后的結(jié)果，給用戶(hù)提供的距離誤差可以小于0.2米，可以實(shí)現(xiàn)0.4米-0.5米左右的定位精度。這個(gè)是我們改完以后的空間信號(hào)的精度情況，這個(gè)是老的，經(jīng)過(guò)改進(jìn)的情況。

　　這樣的情況我們可以看一下，經(jīng)過(guò)三年的研究，三年的工程改造和一年的考核，每次只要有報(bào)告有機(jī)會(huì)我就宣傳這個(gè)事情，我們一月份這套系統(tǒng)上線(xiàn)了，把原來(lái)老的北斗處理系統(tǒng)重新升級(jí)了。

　　在1月17日切換的，這是切換前的情況，這是切換當(dāng)天當(dāng)時(shí)的情況，這是切換以后每天的情況。這個(gè)是我們發(fā)布的基本導(dǎo)航的參數(shù)，跟GPS一樣的，GPS發(fā)布什么樣的信號(hào)我們發(fā)布什么樣的信號(hào)，這個(gè)不是說(shuō)原來(lái)的精密信號(hào)在上頭。從今天開(kāi)始，用戶(hù)的定位精度到目前為止可以觀(guān)測(cè)一下，做的高的常態(tài)下的應(yīng)該是3-5米的情況，甚至做的更好是2-3米的情況。

　　紅的是原來(lái)的，這個(gè)是改完以后的，它比原來(lái)提升了51%。這是差分的信號(hào)，這個(gè)是軌道鐘差改正用完的信號(hào)。這個(gè)UDRE是0.26米情況下，相對(duì)于老系統(tǒng)提高了越54%。北斗原來(lái)設(shè)計(jì)時(shí)就有兩套差分功能，原來(lái)差分功能一個(gè)是有的沒(méi)有用，用了以后它的性能有待進(jìn)一步提高?，F(xiàn)在這個(gè)空間信號(hào)精度UDRE這個(gè)水平，GPS提供的沒(méi)有UDRE，空間性能是0.7、0.8米，這個(gè)比它要好得多。

　　這是我們定位的結(jié)果，在全國(guó)有監(jiān)測(cè)站，不同的方案不同的模式，這個(gè)是普通的導(dǎo)航定位結(jié)果。單頻可以做到這個(gè)情況，這是測(cè)的情況，從這個(gè)角度來(lái)說(shuō)，在系統(tǒng)測(cè)算的結(jié)果用戶(hù)端可以得到驗(yàn)證。剛才說(shuō)到好幾種模式，有通常什么都不用改的，這個(gè)終端是直接從庫(kù)房里頭拿出來(lái)測(cè)的情況，我們經(jīng)過(guò)了一些協(xié)議的修改，在原來(lái)協(xié)議增加的一些修正參數(shù)，用戶(hù)參數(shù)用原來(lái)老終端，這些參數(shù)改正之后，要對(duì)原來(lái)的協(xié)議進(jìn)行升級(jí)，協(xié)議不光升級(jí)，定位算法也要升級(jí)，升級(jí)以后后面是這樣的結(jié)果。這樣看，用戶(hù)的結(jié)果要比監(jiān)測(cè)站結(jié)果差一些。我也分析了一下，用戶(hù)機(jī)關(guān)于高精度的定位怎么樣計(jì)算?可能還要去關(guān)注下去做。

　　這是動(dòng)態(tài)實(shí)施結(jié)果的情況，打了散點(diǎn)的圖，這是雙頻的情況，這是單頻的情況。我們北斗這么多的信號(hào)精度，最后一公里的應(yīng)用，北斗的信號(hào)精度就已經(jīng)到極限了，不能說(shuō)沒(méi)有再進(jìn)一步提升的空間，目前來(lái)講空間精度信號(hào)在0.2米的精度已經(jīng)非常高了，剩下的是在用戶(hù)端努力做的。

　　這個(gè)是可以看用戶(hù)機(jī)的連續(xù)動(dòng)態(tài)的情況，這樣來(lái)看它的結(jié)果，可能它的用戶(hù)做的在這個(gè)地方呼吁下，因?yàn)槲覀兲峁┑男盘?hào)種類(lèi)非常多，還有很多的算法需要用戶(hù)去改進(jìn)，像這種情況我們覺(jué)得用戶(hù)的算法都需要很好去處理。

　　剛才的結(jié)果想讓用戶(hù)通過(guò)這種情況得到分米級(jí)用，如果用米級(jí)時(shí)沒(méi)有考慮，因?yàn)樯蟻?lái)一開(kāi)始大概得1、2米的性能，基本能保證了。雖然時(shí)間長(zhǎng)遠(yuǎn)，精度越來(lái)越高。

　　北斗的協(xié)議，做終端的都知道，要把這些參數(shù)發(fā)出去，初步使用的時(shí)間和參數(shù)改正收齊，這個(gè)設(shè)計(jì)的時(shí)間相匹配。因?yàn)閷?dǎo)航系統(tǒng)不是通信系統(tǒng)，發(fā)的導(dǎo)航信號(hào)當(dāng)中增加的導(dǎo)航電文添加頻度和速度很有限，這樣設(shè)計(jì)5分鐘的雙頻用戶(hù)性能，跟整個(gè)的導(dǎo)航信號(hào)結(jié)合。這樣用戶(hù)用一開(kāi)機(jī)，基本的導(dǎo)航電文在開(kāi)機(jī)就可以定位，這時(shí)候是3-5米，再收集以后進(jìn)入到1米了，這樣就可以進(jìn)行定位。

　　我們終端如果到大眾惡劣環(huán)境下去做，可能組合導(dǎo)航還要做很多的工作，這個(gè)里面我們選比較開(kāi)放的系統(tǒng)測(cè)的，測(cè)的結(jié)果它也在1米之內(nèi)。這進(jìn)一步動(dòng)態(tài)以后的統(tǒng)計(jì)，我們看了動(dòng)態(tài)算法為什么差?有的時(shí)候過(guò)一個(gè)廣告牌，過(guò)一個(gè)橫行的橋、接收機(jī)的噪聲一下也大一些，算法也不好，會(huì)導(dǎo)致在動(dòng)態(tài)時(shí)，比在開(kāi)放環(huán)境下的性能要好。

　　剛才看了整個(gè)的系統(tǒng)測(cè)試情況，今天我講的希望我們的用戶(hù)針對(duì)現(xiàn)在系統(tǒng)的狀態(tài)去發(fā)展應(yīng)用，因?yàn)槲覀兌贾佬l(wèi)星導(dǎo)航的應(yīng)用，它實(shí)際上是受到人民想象力的限制。性能到什么程度以后，它可能要培育市場(chǎng)。

　　用戶(hù)應(yīng)用需關(guān)注的幾個(gè)問(wèn)題：應(yīng)用模式與服務(wù)性能;還要正確接收處理新增電文參數(shù)、高精度偽距測(cè)量，最好具有載波相位觀(guān)測(cè)能力。還要有高精度、高可靠的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)精密定位算法。這樣有了以后，我想跟國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)應(yīng)該有很好的優(yōu)勢(shì)。

　　建立一個(gè)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)在單頻用戶(hù)差分也好還是什么，系統(tǒng)導(dǎo)航的單頻用戶(hù)可以做到在95%時(shí)，單頻用戶(hù)什么都不改情況下現(xiàn)在在2米-3米，只要我們把關(guān)的終端都可以做到這個(gè)結(jié)果。

　　如果是精密定位，可以做到這樣的結(jié)果。

　　如果是雙頻用戶(hù)可以做到0.5-1米，精密定位到毫米級(jí)(音)。這樣的系統(tǒng)希望在未來(lái)在精度方面，應(yīng)該比GPS有優(yōu)勢(shì)的。當(dāng)然同樣，同一軌道，GPS的精度也是可以發(fā)的，只是我們還沒(méi)有發(fā)出去，這套體制對(duì)用戶(hù)終端來(lái)講可以很低成本大范圍，這個(gè)范圍在我已經(jīng)設(shè)站的地方延伸出去1000公里范圍之內(nèi)，都能保證這樣的性能，這是無(wú)縫大范圍的。用戶(hù)不需要建基站，在沒(méi)有人的地區(qū)就可以做到這樣的性能。

　　這是我今天講的推廣這樣的應(yīng)用。

　　最后，因?yàn)楸倍愤@樣獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，它有跟GPS不一樣的地方，經(jīng)過(guò)我們的努力可以得到更高的性能。這樣的性能對(duì)于“一帶一路”，特別是在海洋范圍之內(nèi)，可以為國(guó)家戰(zhàn)略提供很好的基礎(chǔ)條件，為產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型和產(chǎn)業(yè)走出去創(chuàng)建一種機(jī)會(huì)，謝謝大家!