学术 | 智能信息化时代的时空信息研究

关键词： 全球卫星导航系统；时空信息；北斗卫星导航系统；智能化；信息化

在日常生活中，“时间”、“地点”、“人物”、“事件”四要素是人们了解消息、掌握信息不可或缺的关键因素。随着全球卫星导航系统的诞生发展和人民生活质量的日益提升，人类正在从信息化时代步入智能化时代，时空信息对这一过程起到了积极的作用。如今，时空信息服务已经与人类的工作生活密不可分，成为人类生活不可缺失的一部分。世界各国均积极建设智能信息化区域和城市，将其作为提升综合国力、推动经济增长和应对突发挑战的重要战略，可见大力推进我国智能信息化城市建设事业已经到了刻不容缓的地步。时空信息在建设智能信息化城市乃至智能信息化国家的进程中起到极其重要的作用，而卫星导航技术作为获取时空信息数据的重要于段之一，在建设与应用智能信息化的过程中得到了快速的普及。美国、欧洲、俄罗斯等世界强国均在卫星导航领域投入了巨大的物力、财力，拥有了各自的全球卫星导航系统（global navigation satellite system，GNSS），且在该领域取得了不小的成就。自20世纪60年代以来，美国政府部门与地方企业联于大力推进智能信息化区域和城市的建设和发展，将卫星导航定位技术、地理信息系统（geo-graphic information system，GIS）、物联网及其云计算等高新技术应用到医疗卫生、智慧泊车、交通监察智能化、灾害防治等方面并获得了极其显著的效果。目前时空信息的应用在美国的普及率已达80%以上，而且与之相关的产品也处于世界领先水平。论述了美国将时空信息应用在车上的实例，利用全球定位系统（global positio ning system，GPS）和超宽带（ultra wide band，UWB）技术交替给智能车辆提供时空信息以保证车辆的正常行驶。

自20世纪80年代开始，欧洲开展了对时空信息方面的研究及其关于时空信息的项目开发，研制出了伽利略卫星导航系统（global navigation satellite system，Galileo），充分利用Galileo及其他高端新颖的科学技术，使得其在时空信息的发展和应用方面仅仅介于美国与日本之间。说明了欧洲将时空信息应用在智慧交通方面，取得了显著成效。文中指出欧洲各国正在进行对Telematic全方位研发，未来交通无线数据通信网将以道路交通为主的形式在全欧洲建立，利用Galileo采集汽车的时空信息，并辅以先进的出行信息服务系统（advanced traveler information system，ATIS）、先进的车辆控制系统（advanced vehicle control systems，AVCS）、先进的电子收费系统（electronic toll collection，ETC）等，不仅使交通通畅率提高15%以上，而且能够起到节能减排的功效。同时，欧洲各国为了减缓交通压力，车辆装载了Galileo以起到实时收集车载时空信息内容的作用，在降低交通堵塞率同时，大幅度提升了城市区域交通智能化管理能力。而在中国，也有着独立自主的时空信息服务，阻止了他国的技术垄断进程。

中国大力推动北斗卫星导航系统（BeiDou navi-gation satellite system，BDS）的建设，将拥有一套独立、自主、全球覆盖的获取时空基础信息的系统，使我国时空信息服务水平显著提高，为智能信息化新产业（共享汽车、单车等）提供了技术支持，保障了中国智能信息化发展在世界浪潮中的航行。

BDS是促进中国民事与军事战略发展进程的重要时空基础设施。目前，已正式进入北斗三号的建设时期。在《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006——2020）》中明确要求，中国卫星导航系统重大专项要“带动交通、导航、通信等基于时空定位的现代信息服务业的发展，产生巨大的经济效益，提升我国作为世界大国的国际地位”。BDS带来的时空信息服务，将引领人们走入智能化的生活，比如，人们日常用的于表也在依靠BDS技术逐渐走向智能化信息化。传统的普通于表最常见的功能就是显示时间，而加入时空信息服务的“北斗”版智能于表，可以获取定位信息以对天气进行分析并显示天气数据，也可以实时监测人们最关心的雾军问题，还可以轻松知道PM2.5的数值，甚至可以直接接收BDS时间信号，时间授时的误差不会超过50ns。另外还有步数统计等其他实用技术，大大方便了人们生活，促进了智能化的发展。

本文主要对时空信息在智能现代化建设中的作用和地位、时空信息服务的特点和关于时空信息服务的应用做出分析。

时空信息是智能化实施进程的推动力。所有的智能化应用都离不开位置点、位置关系、时间统一和时空分析这些时空元素。时空信息是实现智能化的必经之路，是最终实现智能化的重要部分。各种不同类型服务大众生活的智能化应用都代表了智能化计算和服务在时间和空间上的实现关系，例如在线上到线下（online to offline，O2O)中，在线信息交流和线下指导分别是对时间和位置的引导。BDS集成天空、海上以及地面传感器，实现全球、全天、全面的时空数据采集，及时反馈智能业务应用，支持智能业务。

时空信息数据是城市智能化建设的重要基础之一，也是城市实体信息化的实现方式，它可以记录城市智能化发展的轨迹，促进智能化城市管理，推动城市智能化的可持续健康发展，并在不同的社会化和城市智能化应用中产生作用。由BDS、卫星通信和数据中继网络组成的综合信息网络布局，为智能化提供时空信息服务，使数据发生先到信息再到智能形态的演变。

时空信息是智能化建设中各种信息资源的粘合剂。一幅地图、多规集成、时空信息云服务等新产品是整合了大数据智能化设计的核心基础，提出了针对各部门时空数据统一集成的解决方案，实现了数据向信息化及其智能化的升级，打破了基础地理空间数据的应用壁垒，确定了时空信息在智能化建设中无可替代的地位。时空信息与智能化的关系如图1所示。

图1时空信息与智能化的关系

“北斗+”计划推动BDS时空系统与移动互联网、大数据、云计算等新技术的融合。“北斗+物联网”：全面感知、广泛互联，时空信息的广泛覆盖和空间信息的实现构成了位置智能化的基础。它是指BDS卫星导航技术不仅为物联网应用提供通信与位置导航服务，又可利用其自身优势，远程传递各种传感器数据信息。这就使得开发出的产品不仅有BDS卫星的定位和通信功能，而且能够使物联网技术在更大的范围应用。反过来物联网技术能够直接推动BDS卫星导航产业的发展，形成导航应用产品。“北斗+大数据”：数据挖掘、精确管理以及时空地理信息的普遍应用产生了时空位置大数据，大规模时空定位数据的生成实现了资源重构，使区域网络管理和服务能更加有效实施。它是指通过建立专业的BDS接收机数据处理平台，应用先进的大数据管理技术，提升BDS的数据处理能力，为BDS的应用带来更广阔的发展空间。“BDS+云计算”：海量资源、高效运算等特点实现时空信息的快计算以及复杂的时空协同操作，推动智能化服务的发展。它是指利用云计算的可靠性高、数据处理量大、计算速度快等特点，建立BDS云计算服务平台，使得BDS的应用领域越来越广，服务越来越综合，越来越贴近人们生活。这些“+”构筑了我国智能信息化技术体系，如图2所示。

图2时空信息引导的智能信息化技术体系

目前，人类已经步入大数据时代，因此建设智能信息化地球和智能信息化城市赋予了时空信息新时期的新特性。

在当今这个以大数据作为背景的时代，时空信息的数据采集播发不仅来自天空，还来自物联网中众多散布各地的非专用传感器。例如，手机就是其中一种时空数据传感器，目前我国很多手机厂商已经在手机中加入BDS导航相关模组，开发拓展了手机的传讯、路径规划、位置确定、拍照、视频和发送等功能。时空信息的数据采集播发能力依靠大量的传感器有了极大提升。此外，随着大数据时代的稳步发展，时空信息的应用随处可见，已从特定用户扩展到世界公共用户，人们可以更方便地获取自己想要了解的信息，比如可以实时监测快递状态，将快递的运输轨迹、状态变化展现在二维电子地图上，让顾客对快件派送时间有一个更精确的推算，体验BDS导航带来的信息化智能化的新世界。

在大数据的今天，随处可见由BDS导航和传感器网络产生且每分钟都在实时监测着的时空信息数据，使人类能迅速地获取多维动态数据以观察、探讨发生在地球上任何时间、任何地点的事件。智能现代化的建设从里到外、从下到上，是真正的三维高精度建模。基于时空动态数据的感知、分析、认知和变化检测在人类社会智能信息化建设可持续发展中有着举足轻重的作用，因此，以BDS导航为基础的时空信息将会对人类生活和智能信息化建设作出巨大贡献。

在网络技术的支持下，时空信息可以结合模式识别和人工智能（artificial intelligence，AI）等技术进行自动化处理，并且实时满足用户需求，如军事和民用急救反应、车辆自动驾驶等方面的应用。目前正在进行的“空间信息网络”国家自然科学基金重大专项就是要研究面向应急任务的空天信息资源自动组网、通信传输、在轨处理和实时服务的理论和关键技术。根据“一星多用、多星组网、多网融合”的基本原则，构造天基网（具有通信、遥感以及导航功能的卫星组成的网）与陆地互联网、移动网集成网络，再加上与BDS的紧密合作，完成了对地表分米级空间分辨率、小时级时间分辨率的影像与视频数据采集和优于米级精度的实时导航定位服务，在时空大数据、云计算和天基信息服务智能终端支持下，通过与天地通信网络全球无缝的互联互通，实时地为国民经济各部门、各行业和广大手机用户提供快速、精确、智能化的定位、导航、授时、遥感、通信（po sitioning，navigation，timing，remote sensing，communication，PNTRC）一体的天基信息服务，构建我国天基信息军民融合产业化的实时服务系统。

时空信息服务是与时俱进的产物，是BDS与物联网、云计算技术等相结合的产物，是范围覆盖一片区域、一座城市乃至全世界的庞大网络，基于时空信息服务的应用已经渗透到人类生活的方方面面。凭借着对该服务的应用，人们外出时实时更新的交通信息、看病的电子病历、对生命特征数据的远程监控、实时动态更新的物流信息等等，任何想知道的信息都可以轻松查询；遇到自然灾害、意外事故，该服务可以帮助有关部门快速反应、及时救助；对城市污染指数、路况、公用设备进行实时监控也得益于时空信息服务，使得人们对城市监督治理更加方便综合。时空信息服务将会给人们的日常生活带来更多的便捷，目前已经开始融入人类日常生活并与之紧密结合。图3为时空信息服务引导的智能化应用图。

图3时空信息服务引导的智能化应用

在全国范围内的城市化同步高速发展的今天，各城市在城市交通运输领域也面临众多挑战，比如城市道路堵塞、交通事故频发、车辆调度方式落后等问题日益严重。开展城市智能化管理示范项目建设，与BDS地基增强系统相结合，推进城市旅游、智能交通新发展，开发诸如车道级导航、车辆跟踪调度、全程旅游监管等城市智能化管理应用迫在眉睫。

在城市公共交通监管系统中应用BDS导航终端，可以高效实现对每一种车辆的位置、行车轨迹的记录。监控中心通过定位导航终端，对所有车辆行车路线、方位、地理坐标等信息都清晰可见。根据这些信息，监控中心可以对不同车辆进行分析以及安排，解决道路拥堵问题。在出现交通事故时，根据BDS的定位功能，可以分析事故发生时车辆行驶的速度以及所处的地理位置，有利于交通部门提取违章证据，也方便相关部门快速找到事故发生地点并实施救援。同时，对公共交通工具，比如公交车、火车等，通过与BDS相连，实现实时定位、测速、授时等功能，即可向乘客准确地传递下一站地点、车辆到站时间等信息，极大地提高了人们生活质量。

当时空信息服务应用到医疗上时，智能定位系统被安装在用户移动终端以及各个医院，并将医院的位置信息存储在城市医疗中心系统里。当用户使用移动终端求救时，系统能够采集到移动终端的实时地理位置，并与其邻近的各个医院分布位置相对比，结合道路交通等各种因素为用户筛选出最合理的就医方案，由医疗中心派出救援人员及时赶往现场。还可以给病人佩戴生命体征检测设备，实时监控数据，当检测的数据超出临界值，设备自动将病人位置发送给医疗中心系统，系统就近派出救援人员、设备，节省患者就医时间，远程为用户群体提供保健咨询、疾病预防、紧急呼救等服务。此外，放置实时监测仪器，采集医院人流量，发送至云端服务器，这些措施也会更方便用户了解实时就医信息，择优选取医疗单位就诊。

近几年，随着淘宝、京东等网购平台的兴起，快递行业业务蒸蒸日上。但是，与之产生的快递安全问题，也得到了社会的广泛关注。物流运输作为整个物流环节中最难以把控的一部分，不确定因素太多，因此需要针对运输过程加强监管。运输监管的主要任务是：针对物流车辆，需要准确把控其位置、行车路线·然后基于车辆位置与行车路线，监管中心通过电子地图实时进行路线下发以及线路调度安排，提高车辆运输能力，实现运输的监管高效性。目前，各个网购平台对用户的物流信息展示还仅限于文字描述的方式，这样显示出的信息是不够全面的。可以结合BDS技术，在二维电子地图上标明空间位置，第三个轴则用来表示时间，并且用文字的方式来展现属性，从而使用户更加直观、准确地了解到物流配送过程中时间、空间以及相关属性信息，提升用户体验。

针对于货运部分，可以在货运汽车上装配导航定位终端设备，实现对货运汽车的位置的实时跟踪。监管平台不断与车辆进行信息交互，对其下发运行路线指示，检查其是否偏离运输路线，通过终端产品传回来的视频图像实现远程监控。监控中心需要对终端提供的定位信息、地理坐标、距离等数据进行分析，为货物的及时安全运达提供一份保障。

将空气质量传感器、地表水质量传感器等与BDS相结合，利用卫星定位技术、图片处理技术和传感器发回的检测数据，可以实时监测城市空气质量、污染粒子以及有毒有害物质，遥感出大气中PM2.5等颗粒和地表污水的浓度及位置，锁定污染源，并将污染信息及时传回，让有关部门做到及时发现污染源、及时治理污染源，为人们创建一个更健康、更舒适的生活环境。

短报文通信是BDS的一个突出的特点，其在抗震救灾过程中发挥着不可替代的作用。2008年汶川地震发生后，地面上的通信设备被严重毁坏，当地通信基本中断，信息传输受阻，救援难度加大。这时，正是凭借北斗一号卫星系统终端，才能将灾区的灾情以及救援信息及时、可靠地传回指挥中心，使得相关部门掌握第一手资料，确保了救援方案的及时、合理部署。同时，北斗二号将在2020年左右实现基本的全面覆盖，届时，其系统稳定性、定位精度、授时精度相较于传统卫星都将得到很大的提高，使得其在重大自然灾害造成当地通信设施完全瘫痪的情况下，能够完成应急通信的任务。

BDS在灾难预警及救灾指挥中发挥着重要的作用。建立自然灾害预警指挥系统，尽可能地对各个地方进行监测，做到发现及时、通知及时、救援及时。此外，灾难一旦发生，短报文通信功能服务将会启动，使得指挥中心全面了解灾区受灾状况，远程指挥救灾现场，确立科学可行的救灾路线、物资调配计划等，使救灾物资安全抵达。另外，利用卫星系统拍摄卫星图片，有利于对灾情综合分析，帮助救灾工作的顺利展开，为应急救助指挥体系的构建发挥重要作用。

本文通过分析时空信息在智能现代化建设中的作用、地位、特点及其特性展现了时空信息对于智能信息化建设的引领作用。接着对基于时空信息服务的应用做了举例说明，凸显了时空信息与人类日常生活的紧密结合及其重要性。总之，基于BDS的时空信息方便了人们的生活，促进了中国由信息化向智能化的方向发展，引领了现代化新时代潮流，提升了我国的综合国力。

来源：导航定位学报，2019，7（1）：22-27

作者：马俊鹏、郝放、孙希延等