周建華：北斗廣域分米級增強及其應(yīng)用

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!