周建華：北斗廣域分米級增強及其應用

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)服務平臺泰伯主辦，秉承不斷引領和促進空間信息技術創(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)新風向標。

　　在本屆大會的空間大數(shù)據(jù)+軍民融合峰會上，北斗導航衛(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用問題。后來我想了一下北斗本身軍民融合應用面比較廣，我們最近推的一件事情，今年在導航年會上公布了一個關于北斗分米級的情況，這個項目我認為到目前為止是很快推廣應用的現(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。這樣的服務，北斗的性能按照原來的指標設計北斗應該是從指標實現(xiàn)上完全滿足所有的性能指標。GPS已經(jīng)用了30年歷史，大家對GPS應用非常熟悉，北斗的情況大家都喜歡和GPS去比，北斗的性能發(fā)布以后，各大導航系統(tǒng)都提供衛(wèi)星和衛(wèi)星導航信號。

　　全球的衛(wèi)星導航供應商，北斗也是全球四大供應商之一，你提的空間信號精度是什么，就代表你的系統(tǒng)服務導航的能力，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)我們當時的技術、經(jīng)濟和整個的設計條件，設計這個指標，但在太空時就已經(jīng)好于這樣的指標。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，這是各大供應商提供的東西。

　　因為北斗的星座特殊性在整個服務區(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初設計想象好得多。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，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性能?根據(jù)現(xiàn)有2012年發(fā)布的性能做了幾項改進。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?，為了快速應用，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行定軌和測算誤差，這樣做導致的結(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?指標上達到了，性能上還是有損失。我們做了另外的改進，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彌合。紅色是改進前的，藍色的是改進后的。這個改進可以把精度提升，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機動過程當中和機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，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。這樣的改進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)過這個改進之后，北斗能力又做了進一步擴展。

　　大家最熟悉的GPS怎么用的?今天我們報告把它叫普通導航，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就能達到。

　　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，這是切換當天當時的情況，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，用戶機關于高精度的定位怎么樣計算?可能還要去關注下去做。

　　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，最后一公里的應用，北斗的信號精度就已經(jīng)到極限了，不能說沒有再進一步提升的空間，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，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，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，這個設計的時間相匹配。因為導航系統(tǒng)不是通信系統(tǒng)，發(fā)的導航信號當中增加的導航電文添加頻度和速度很有限，這樣設計5分鐘的雙頻用戶性能，跟整個的導航信號結(jié)合。這樣用戶用一開機，基本的導航電文在開機就可以定位，這時候是3-5米，再收集以后進入到1米了，這樣就可以進行定位。

　　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、接收機的噪聲一下也大一些，算法也不好，會導致在動態(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)展應用，因為我們都知道衛(wèi)星導航的應用，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。

　　用戶應用需關注的幾個問題：應用模式與服務性能;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，我想跟國際競爭應該有很好的優(yōu)勢。

　　建立一個應用標準，現(xiàn)在單頻用戶差分也好還是什么，系統(tǒng)導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，應該比GPS有優(yōu)勢的。當然同樣，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)建一種機會，謝謝大家!