四川中衛(wèi)北斗科技有限公司

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            周建華:北斗廣域分米級增強及其應(yīng)用

            發(fā)布時間:2017-06-16 16:48

            6月14日,第六屆WGDC大會在北京國家會議中心隆重開幕。大會由空間信息產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)服務(wù)平臺泰伯主辦,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已走過五個年頭,如今已成為全球最具前瞻性的跨界創(chuàng)新風(fēng)向標(biāo)。



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


              大家下午好!接到說今天要開這么個軍民融合大數(shù)據(jù)的會,來講一下北斗軍民融合的應(yīng)用問題。后來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)航年會上公布了一個關(guān)于北斗分米級的情況,這個項目我認(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年開始正式試運行,2012年正式對全球發(fā)布公開服務(wù)。這樣的服務(wù),北斗的性能按照原來的指標(biāo)設(shè)計北斗應(yīng)該是從指標(biāo)實現(xiàn)上完全滿足所有的性能指標(biāo)。GPS已經(jīng)用了30年歷史,大家對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。


              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,你提的空間信號精度是什么,就代表你的系統(tǒng)服務(wù)導(dǎo)航的能力,從運營商角度提供的能力,大家都用你發(fā)布的空間信號精度表示。這個圖給出了GPS從九幾年開始一直到目前為止能做到的空間信號精度的情況,它從九幾年開始精度不斷的提升,到目前為止是在0.7、0.8的精度。根據(jù)我們當(dāng)時的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和整個的設(shè)計條件,設(shè)計這個指標(biāo),但在太空時就已經(jīng)好于這樣的指標(biāo)。到了用戶是什么樣的精度?


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


              因為北斗的星座特殊性在整個服務(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,可以看出來我們的星座,這是最典型的北京地區(qū)的值,這個值和GPS比起來大不少,大了至少有一倍。


              說明我們的系統(tǒng)操控如果得到同樣性能時,因為你的星座差異也會大。換句話說,我們要做的跟GPS同樣的定位精度,北斗信號的精度就需要提高到一倍,就這樣的情況。我們國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)測站,我們中國就在這個地方,地面站在全球的地面面積算起來時,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)測站只有50分之1,這是差異。這個差異如果你要想到,那就用GPS看到的,GPS對每個地方任何一個衛(wèi)星可以看到兩個站、三個站、四個站、五個站。反過來解釋,GPS星座任何時候在全國至少有兩個星站看到它,北斗就不行了,很長時間很多衛(wèi)星都看不到。再加上其他的難度,用戶要想得到一樣的體驗,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,其實是大家沒有想到的。北斗做的比想象中好,包括我們自己做的這些覺得比當(dāng)初設(shè)計想象好得多。怎么辦呢?你的對手就是GPS,你要跟它競爭,競爭不過它,產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型就面對困境,就要突破這個困境。我們做北斗的一直建這個系統(tǒng),提供高精度的服務(wù),我們做的必須要把性能再做上去。做的要彌補你其他的弱點,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年時發(fā)布了這樣的性能,今天估計,我看聽眾的面比較廣,所以不展開談怎么來改進(jìn)性能?根據(jù)現(xiàn)有2012年發(fā)布的性能做了幾項改進(jìn)。一個是把原來的軌道鐘表精度提升,快速的把軌道解出來,北斗的星座還是很可觀的,我們?yōu)榱擞懈嗟墓δ?,為了快速?yīng)用,走的是自己的路線。


              大家在用GPS時知道它非常穩(wěn)定,它的衛(wèi)星也很多,它一個衛(wèi)星的操控,如果出現(xiàn)問題以后一個小時以后才能入網(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)必須要對它進(jìn)行控制,這個軌道不可能像GPS長期穩(wěn)定不需要動它,而需要你慢慢定軌,這樣的定軌一定要非??斓亩ㄜ壊判校绻粋€衛(wèi)星三天才入軌的話,這個星座整體就不能運行了。


              我們就用了這樣的辦法進(jìn)行定軌和測算誤差,這樣做導(dǎo)致的結(jié)果,我們也花了很多的想法,用什么樣的測定軌方案解決這個問題?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、鐘差可以在幾個小時內(nèi)完成,一個衛(wèi)星如果需要控制它,幾個小時內(nèi)可以達(dá)到性能的入網(wǎng)。這種幾個小時,空間信號精度差一些,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,剛才講到這個星座如果軌道做一個機(jī)動以后,雖然是小小的分裂(音),但是已經(jīng)發(fā)生幾個小時的誤差。6小時候誤差可能超過10公里,這樣它的性能就有所損失,為了提高整個的星座連續(xù)性、可動性,增加的一組實時軌道修正。這個軌道修正一方面改進(jìn)機(jī)動過程當(dāng)中和機(jī)動后可以提供高精度的軌道,這個軌道可以連續(xù)。


              經(jīng)過軌道鐘表重新修正以后,空間信號精度有了很大的提升。這樣最后在開通前做的大系統(tǒng)評估時,是8-15米的性能。這樣的性能經(jīng)過前面說的幾項改進(jìn),現(xiàn)在的空間信號精度到了0.4米到0.5米。比2011年開通時提高了1倍,這樣它的性能到用戶端時可以到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,你的測量,包括你的應(yīng)用沒有什么問題時,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測了兩個月,它的性能可以到2米左右,經(jīng)過系統(tǒng)的改進(jìn)。這樣的改進(jìn)可能用戶還有更高的需求,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,到了用戶還有環(huán)境、電離層、對流層等等,電離層GPS有一個通用的模型,這個模型能到60%的精度,在電離層很平穩(wěn)的時候還可以,如果到了下午地區(qū),它的修正精度會下降。


              GPS平時比較穩(wěn)定,但電離層比較大的時候,可能會到10米以上。我們想為了提高性能精度加了這層改正,分區(qū)的改正是說通常模式修正完,在對流層以外,剩下的參差再替用戶改一次,相當(dāng)于做了四重改正,這個通過北斗內(nèi)部自身實現(xiàn)的。這樣實現(xiàn)就北斗的能力經(jīng)過這個改進(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?今天我們報告把它叫普通導(dǎo)航,除了個以外提供一個廣域差分,就是因為提供了軌道、鐘差、分區(qū)綜合的修正,同時提供了分米級的實時定位,普通導(dǎo)航、廣域差分、精密定位一體化實現(xiàn),不需要額外的成本服務(wù)就能達(dá)到。


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


              這樣的情況我們可以看一下,經(jīng)過三年的研究,三年的工程改造和一年的考核,每次只要有報告有機(jī)會我就宣傳這個事情,我們一月份這套系統(tǒng)上線了,把原來老的北斗處理系統(tǒng)重新升級了。


              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)時的情況,這是切換以后每天的情況。這個是我們發(fā)布的基本導(dǎo)航的參數(shù),跟GPS一樣的,GPS發(fā)布什么樣的信號我們發(fā)布什么樣的信號,這個不是說原來的精密信號在上頭。從今天開始,用戶的定位精度到目前為止可以觀測一下,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。


              紅的是原來的,這個是改完以后的,它比原來提升了51%。這是差分的信號,這個是軌道鐘差改正用完的信號。這個UDRE是0.26米情況下,相對于老系統(tǒng)提高了越54%。北斗原來設(shè)計時就有兩套差分功能,原來差分功能一個是有的沒有用,用了以后它的性能有待進(jìn)一步提高?,F(xiàn)在這個空間信號精度UDRE這個水平,GPS提供的沒有UDRE,空間性能是0.7、0.8米,這個比它要好得多。


              這是我們定位的結(jié)果,在全國有監(jiān)測站,不同的方案不同的模式,這個是普通的導(dǎo)航定位結(jié)果。單頻可以做到這個情況,這是測的情況,從這個角度來說,在系統(tǒng)測算的結(jié)果用戶端可以得到驗證。剛才說到好幾種模式,有通常什么都不用改的,這個終端是直接從庫房里頭拿出來測的情況,我們經(jīng)過了一些協(xié)議的修改,在原來協(xié)議增加的一些修正參數(shù),用戶參數(shù)用原來老終端,這些參數(shù)改正之后,要對原來的協(xié)議進(jìn)行升級,協(xié)議不光升級,定位算法也要升級,升級以后后面是這樣的結(jié)果。這樣看,用戶的結(jié)果要比監(jiān)測站結(jié)果差一些。我也分析了一下,用戶機(jī)關(guān)于高精度的定位怎么樣計算?可能還要去關(guān)注下去做。


              這是動態(tài)實施結(jié)果的情況,打了散點的圖,這是雙頻的情況,這是單頻的情況。我們北斗這么多的信號精度,最后一公里的應(yīng)用,北斗的信號精度就已經(jīng)到極限了,不能說沒有再進(jìn)一步提升的空間,目前來講空間精度信號在0.2米的精度已經(jīng)非常高了,剩下的是在用戶端努力做的。


              這個是可以看用戶機(jī)的連續(xù)動態(tài)的情況,這樣來看它的結(jié)果,可能它的用戶做的在這個地方呼吁下,因為我們提供的信號種類非常多,還有很多的算法需要用戶去改進(jìn),像這種情況我們覺得用戶的算法都需要很好去處理。


              剛才的結(jié)果想讓用戶通過這種情況得到分米級用,如果用米級時沒有考慮,因為上來一開始大概得1、2米的性能,基本能保證了。雖然時間長遠(yuǎn),精度越來越高。


              北斗的協(xié)議,做終端的都知道,要把這些參數(shù)發(fā)出去,初步使用的時間和參數(shù)改正收齊,這個設(shè)計的時間相匹配。因為導(dǎo)航系統(tǒng)不是通信系統(tǒng),發(fā)的導(dǎo)航信號當(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5分鐘的雙頻用戶性能,跟整個的導(dǎo)航信號結(jié)合。這樣用戶用一開機(jī),基本的導(dǎo)航電文在開機(jī)就可以定位,這時候是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,這個里面我們選比較開放的系統(tǒng)測的,測的結(jié)果它也在1米之內(nèi)。這進(jìn)一步動態(tài)以后的統(tǒng)計,我們看了動態(tài)算法為什么差?有的時候過一個廣告牌,過一個橫行的橋、接收機(jī)的噪聲一下也大一些,算法也不好,會導(dǎo)致在動態(tài)時,比在開放環(huán)境下的性能要好。


              剛才看了整個的系統(tǒng)測試情況,今天我講的希望我們的用戶針對現(xiàn)在系統(tǒng)的狀態(tài)去發(fā)展應(yīng)用,因為我們都知道衛(wèi)星導(dǎo)航的應(yīng)用,它實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。


              用戶應(yīng)用需關(guān)注的幾個問題: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)、高精度偽距測量,最好具有載波相位觀測能力。還要有高精度、高可靠的動態(tài)實時精密定位算法。這樣有了以后,我想跟國際競爭應(yīng)該有很好的優(yōu)勢。


              建立一個應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn),現(xiàn)在單頻用戶差分也好還是什么,系統(tǒng)導(dǎo)航的單頻用戶可以做到在95%時,單頻用戶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。


              如果是雙頻用戶可以做到0.5-1米,精密定位到毫米級(音)。這樣的系統(tǒng)希望在未來在精度方面,應(yīng)該比GPS有優(yōu)勢的。當(dāng)然同樣,同一軌道,GPS的精度也是可以發(fā)的,只是我們還沒有發(fā)出去,這套體制對用戶終端來講可以很低成本大范圍,這個范圍在我已經(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,這是無縫大范圍的。用戶不需要建基站,在沒有人的地區(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,因為北斗這樣獨特的優(yōu)勢,它有跟GPS不一樣的地方,經(jīng)過我們的努力可以得到更高的性能。這樣的性能對于“一帶一路”,特別是在海洋范圍之內(nèi),可以為國家戰(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,謝謝大家!

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