周建华：北斗广域分米级增强及其应用

6月14日，第六届WGDC大会在北京国家会议中心隆重开幕。大会由空间信息产业创新创业服务平台泰伯主办，秉承不断引领和促进空间信息技术创新与变革的宗旨，WGDC已走过五个年头，如今已成为全球最具前瞻性的跨界创新风向标。

　　在本届大会的空间大数据+军民融合峰会上，北斗导航卫星运控系统总工程师周建华研究员做了特邀演讲，以下为演讲实录。(内容未经本人审核)：

　　大家下午好!接到说今天要开这么个军民融合大数据的会，来讲一下北斗军民融合的应用问题。后来我想了一下北斗本身军民融合应用面比较广，我们最近推的一件事情，今年在导航年会上公布了一个关于北斗分米级的情况，这个项目我认为到目前为止是很快推广应用的现状。

　　大家知道北斗从2011年开始正式试运行，2012年正式对全球发布公开服务。这样的服务，北斗的性能按照原来的指标设计北斗应该是从指标实现上完全满足所有的性能指标。GPS已经用了30年历史，大家对GPS应用非常熟悉，北斗的情况大家都喜欢和GPS去比，北斗的性能发布以后，各大导航系统都提供卫星和卫星导航信号。

　　全球的卫星导航供应商，北斗也是全球四大供应商之一，你提的空间信号精度是什么，就代表你的系统服务导航的能力，从运营商角度提供的能力，大家都用你发布的空间信号精度表示。这个图给出了GPS从九几年开始一直到目前为止能做到的空间信号精度的情况，它从九几年开始精度不断的提升，到目前为止是在0.7、0.8的精度。根据我们当时的技术、经济和整个的设计条件，设计这个指标，但在太空时就已经好于这样的指标。到了用户是什么样的精度?

　　空间信号精度很大反映在用户测量的是多少?要形成星座几何的因子来决定误差，北斗的星座设计的是什么星座?能给用户提供什么样的几何，这是星座固有的，这是各大供应商提供的东西。

　　因为北斗的星座特殊性在整个服务区域内，它的几何是不均匀的。在我们比较熟悉的地区像中国的公路，像华北地区，这是平面的道路值，这是高层的道路值。同样的情况可以看GPS和北斗、伽利略，可以看出来我们的星座，这是最典型的北京地区的值，这个值和GPS比起来大不少，大了至少有一倍。

　　说明我们的系统操控如果得到同样性能时，因为你的星座差异也会大。换句话说，我们要做的跟GPS同样的定位精度，北斗信号的精度就需要提高到一倍，就这样的情况。我们国家做北斗是比所做的外部环境有很大差异，这是GPS的监测站，我们中国就在这个地方，地面站在全球的地面面积算起来时，北斗只有GPS的50分之1，GPS星座是全球哪都能覆盖，就我们的覆盖就星座也只能覆盖五分之一，监测站只有50分之1，这是差异。这个差异如果你要想到，那就用GPS看到的，GPS对每个地方任何一个卫星可以看到两个站、三个站、四个站、五个站。反过来解释，GPS星座任何时候在全国至少有两个星站看到它，北斗就不行了，很长时间很多卫星都看不到。再加上其他的难度，用户要想得到一样的体验，就已经有一定的难度，再加上这些困难，还是很难的。

　　我们做北斗做的20多年，能够取得今天的成绩，其实是大家没有想到的。北斗做的比想象中好，包括我们自己做的这些觉得比当初设计想象好得多。怎么办呢?你的对手就是GPS，你要跟它竞争，竞争不过它，产业转型就面对困境，就要突破这个困境。我们做北斗的一直建这个系统，提供高精度的服务，我们做的必须要把性能再做上去。做的要弥补你其他的弱点，可能我们工业化的水平也比别人差等等，至少我们要把性能一定做好，工业制造水平一定要上去，这是我们今天一直努力在做这件事。

　　2012年时发布了这样的性能，今天估计，我看听众的面比较广，所以不展开谈怎么来改进性能?根据现有2012年发布的性能做了几项改进。一个是把原来的轨道钟表精度提升，快速的把轨道解出来，北斗的星座还是很可观的，我们为了有更多的功能，为了快速应用，走的是自己的路线。

　　大家在用GPS时知道它非常稳定，它的卫星也很多，它一个卫星的操控，如果出现问题以后一个小时以后才能入网。北斗不行它有很多的同步轨道卫星，一旦超出范围之内必须要对它进行控制，这个轨道不可能像GPS长期稳定不需要动它，而需要你慢慢定轨，这样的定轨一定要非常快的定轨才行，如果一个卫星三天才入轨的话，这个星座整体就不能运行了。

　　我们就用了这样的办法进行定轨和测算误差，这样做导致的结果，我们也花了很多的想法，用什么样的测定轨方案解决这个问题?指标上达到了，性能上还是有损失。我们做了另外的改进，现在卫星的轨道、钟差可以在几个小时内完成，一个卫星如果需要控制它，几个小时内可以达到性能的入网。这种几个小时，空间信号精度差一些，所以我们重新做了改进弥合。红色是改进前的，蓝色的是改进后的。这个改进可以把精度提升，把发布的轨道钟差性能提高到一倍。

　　虽然我们连续的轨道测量这些精度都已经有一部分改进了，可能你的精度还需要提高。这里有一张度，刚才讲到这个星座如果轨道做一个机动以后，虽然是小小的分裂(音)，但是已经发生几个小时的误差。6小时候误差可能超过10公里，这样它的性能就有所损失，为了提高整个的星座连续性、可动性，增加的一组实时轨道修正。这个轨道修正一方面改进机动过程当中和机动后可以提供高精度的轨道，这个轨道可以连续。

　　经过轨道钟表重新修正以后，空间信号精度有了很大的提升。这样最后在开通前做的大系统评估时，是8-15米的性能。这样的性能经过前面说的几项改进，现在的空间信号精度到了0.4米到0.5米。比2011年开通时提高了1倍，这样它的性能到用户端时可以到3-5米。不知道在座是做终端的，如果大家的终端做的性能有一定保证上，你的测量，包括你的应用没有什么问题时，目前你的终端能够看到3-5米的性能。

　　有些更好的企业它做的指标GPS测了两个月，它的性能可以到2米左右，经过系统的改进。这样的改进可能用户还有更高的需求，我们又做了另外一件事情。就是四重广域差分的参数模型与协议，这套协议是导航电文+轨道改正+钟差改正+分区综合改正，GPS只管空间轨道空间段，空间段是轨道钟差，到了用户还有环境、电离层、对流层等等，电离层GPS有一个通用的模型，这个模型能到60%的精度，在电离层很平稳的时候还可以，如果到了下午地区，它的修正精度会下降。

　　GPS平时比较稳定，但电离层比较大的时候，可能会到10米以上。我们想为了提高性能精度加了这层改正，分区的改正是说通常模式修正完，在对流层以外，剩下的参差再替用户改一次，相当于做了四重改正，这个通过北斗内部自身实现的。这样实现就北斗的能力经过这个改进之后，北斗能力又做了进一步扩展。

　　大家最熟悉的GPS怎么用的?今天我们报告把它叫普通导航，除了个以外提供一个广域差分，就是因为提供了轨道、钟差、分区综合的修正，同时提供了分米级的实时定位，普通导航、广域差分、精密定位一体化实现，不需要额外的成本服务就能达到。

　　最后的结果，给用户提供的距离误差可以小于0.2米，可以实现0.4米-0.5米左右的定位精度。这个是我们改完以后的空间信号的精度情况，这个是老的，经过改进的情况。

　　这样的情况我们可以看一下，经过三年的研究，三年的工程改造和一年的考核，每次只要有报告有机会我就宣传这个事情，我们一月份这套系统上线了，把原来老的北斗处理系统重新升级了。

　　在1月17日切换的，这是切换前的情况，这是切换当天当时的情况，这是切换以后每天的情况。这个是我们发布的基本导航的参数，跟GPS一样的，GPS发布什么样的信号我们发布什么样的信号，这个不是说原来的精密信号在上头。从今天开始，用户的定位精度到目前为止可以观测一下，做的高的常态下的应该是3-5米的情况，甚至做的更好是2-3米的情况。

　　红的是原来的，这个是改完以后的，它比原来提升了51%。这是差分的信号，这个是轨道钟差改正用完的信号。这个UDRE是0.26米情况下，相对于老系统提高了越54%。北斗原来设计时就有两套差分功能，原来差分功能一个是有的没有用，用了以后它的性能有待进一步提高。现在这个空间信号精度UDRE这个水平，GPS提供的没有UDRE，空间性能是0.7、0.8米，这个比它要好得多。

　　这是我们定位的结果，在全国有监测站，不同的方案不同的模式，这个是普通的导航定位结果。单频可以做到这个情况，这是测的情况，从这个角度来说，在系统测算的结果用户端可以得到验证。刚才说到好几种模式，有通常什么都不用改的，这个终端是直接从库房里头拿出来测的情况，我们经过了一些协议的修改，在原来协议增加的一些修正参数，用户参数用原来老终端，这些参数改正之后，要对原来的协议进行升级，协议不光升级，定位算法也要升级，升级以后后面是这样的结果。这样看，用户的结果要比监测站结果差一些。我也分析了一下，用户机关于高精度的定位怎么样计算?可能还要去关注下去做。

　　这是动态实施结果的情况，打了散点的图，这是双频的情况，这是单频的情况。我们北斗这么多的信号精度，最后一公里的应用，北斗的信号精度就已经到极限了，不能说没有再进一步提升的空间，目前来讲空间精度信号在0.2米的精度已经非常高了，剩下的是在用户端努力做的。

　　这个是可以看用户机的连续动态的情况，这样来看它的结果，可能它的用户做的在这个地方呼吁下，因为我们提供的信号种类非常多，还有很多的算法需要用户去改进，像这种情况我们觉得用户的算法都需要很好去处理。

　　刚才的结果想让用户通过这种情况得到分米级用，如果用米级时没有考虑，因为上来一开始大概得1、2米的性能，基本能保证了。虽然时间长远，精度越来越高。

　　北斗的协议，做终端的都知道，要把这些参数发出去，初步使用的时间和参数改正收齐，这个设计的时间相匹配。因为导航系统不是通信系统，发的导航信号当中增加的导航电文添加频度和速度很有限，这样设计5分钟的双频用户性能，跟整个的导航信号结合。这样用户用一开机，基本的导航电文在开机就可以定位，这时候是3-5米，再收集以后进入到1米了，这样就可以进行定位。

　　我们终端如果到大众恶劣环境下去做，可能组合导航还要做很多的工作，这个里面我们选比较开放的系统测的，测的结果它也在1米之内。这进一步动态以后的统计，我们看了动态算法为什么差?有的时候过一个广告牌，过一个横行的桥、接收机的噪声一下也大一些，算法也不好，会导致在动态时，比在开放环境下的性能要好。

　　刚才看了整个的系统测试情况，今天我讲的希望我们的用户针对现在系统的状态去发展应用，因为我们都知道卫星导航的应用，它实际上是受到人民想象力的限制。性能到什么程度以后，它可能要培育市场。

　　用户应用需关注的几个问题：应用模式与服务性能;还要正确接收处理新增电文参数、高精度伪距测量，最好具有载波相位观测能力。还要有高精度、高可靠的动态实时精密定位算法。这样有了以后，我想跟国际竞争应该有很好的优势。

　　建立一个应用标准，现在单频用户差分也好还是什么，系统导航的单频用户可以做到在95%时，单频用户什么都不改情况下现在在2米-3米，只要我们把关的终端都可以做到这个结果。

　　如果是精密定位，可以做到这样的结果。

　　如果是双频用户可以做到0.5-1米，精密定位到毫米级(音)。这样的系统希望在未来在精度方面，应该比GPS有优势的。当然同样，同一轨道，GPS的精度也是可以发的，只是我们还没有发出去，这套体制对用户终端来讲可以很低成本大范围，这个范围在我已经设站的地方延伸出去1000公里范围之内，都能保证这样的性能，这是无缝大范围的。用户不需要建基站，在没有人的地区就可以做到这样的性能。

　　这是我今天讲的推广这样的应用。

　　最后，因为北斗这样独特的优势，它有跟GPS不一样的地方，经过我们的努力可以得到更高的性能。这样的性能对于“一带一路”，特别是在海洋范围之内，可以为国家战略提供很好的基础条件，为产业的转型和产业走出去创建一种机会，谢谢大家!