行业丨北斗全球系统组网即将完成时，我国导航与位置服务的进展及思考
↑ 点击上方「中国测绘学会」
可快速关注我们
导航与位置服务是继移动通信、移动互联网之后又一发展非常迅速的新兴信息产业。本文首先详细分析了导航与位置服务产业的发展现状及其特点，探讨了导航与位置服务产业链及其产业布局的构成。
然后，根据该产业的特点，进一步阐述了导航与位置服务产业发展的前沿技术及趋势; 这些前沿技术涉及协同精密定位、社会感知与计算、与 5G 相融合的通导一体化、与无人机器人相融合的智能导航等。
最后，以服务于国家现代化发展重大需求为导向，给出了我国导航与位置服务产业发展的一些思考，主要包括关键技术推广、人才培养、重大战略规划、核心芯片与软件平台、标准制定等 5 个方面。
导航与位置服务泛指一切以地理位置、时间和网络移动终端为基础构成的时空位置智能感知、认知和决策综合服务，是当前位置信息服务行业的核心板块，也是云计算、移动互联网、物联网、光电子制造等新兴技术的主要载体和应用形态。可以说，导航与位置服务产业，将会是下一代智慧地球及智能社会的重要支撑。近几年，该产业呈现出技术交叉融合、应用百花齐放的良好发展趋势，已具有一定的规模。随着北斗卫星导航系统的快速发展，我国正逐渐成为全球最大的导航位置服务应用市场，用户规模数以亿计，发展潜力巨大。
基于时空位置开展的工业制造、信息集成、科技服务及科技金融服务等都属于广义的导航与位置服务产业范畴，是一个以兴趣及创意为核心价值观的战略性新兴信息产业。
产业发展现状
当前，我国导航与位置服务产业在不同领域呈现出不同的发展态势，包括:
(1) 公共及行业市场稳定发展。在这部分市场中，活跃着一大批以专业测绘为主体的公司和高校，为建成数字中国地理空间框架和信息化测绘体系作出了巨大贡献。导航与位置服务产业在专业接收机制造、形变监测、连续运行基准站服务、精准农业等领域稳定高速发展。
(2) 与移动互联网等新兴市场深度融合。截至2018 年，我国移动互联网市场规模已经突破 8 万亿元，2017 年国内手机出货量达到 4.91 亿部，其中使用兼容北斗芯片的手机近 2000 万部，销量呈现增长的态势。根据新中国成立 70 周年经济社会发展成就系列报告得知，截至 2018 年底，我国网民已达8.3 亿，移动 Application( APP) 应用的市场规模超过6000 亿元。多个统计源获得的畅销 APP 软件基本全部需要使用 GPS /北斗位置信息，移动互联网应用服务与位置服务已经很大限度的等同化。
(3) 车载导航与车联网市场潜力巨大。目前，我国庞大的汽车市场必然带动车载导航与车联网位置服务的巨大需求。2007 年我国车载导航终端产品仅 46 万台，到 2018 年这一数字已突破 2000 万 台。但与我国同期 3.4 亿辆的汽车保有量相比，车载导航的加载率仍不足 10%，还存在较大潜力。随着智能网联汽车辅助驾驶等技术的深入，米级至分米级精度的车载导航开始快速普及，很可能逐渐成为高精度位置服务的首要市场。
(4) 授时市场开始发力。导航与位置服务本身就具备时间服务的内涵。以往的导航与位置服务大都以位置信息为核心，但随着低成本、高精度、高覆盖度授时技术的发展，高精度授时服务在电力、雷达及移动通信领域逐渐发力，并呈现出巨大的市场需求量。
(5) 北斗产品市场初具规模。我国北斗产业发展良好、势头迅猛，已初具规模。随着国家“北斗位置服务一张网”建设，全国各省高精度定位数据无缝切换已逐步实现。《中国卫星导航与位置服务产业发展白皮书》显示，与北斗卫星导航技术直接相关的产业，包括芯片、器件、算法、软件、导航数据、终端设备等在内的产业核心产值占比为 35.4%，北斗对其的贡献率已达到 80%。预计北斗卫星导航应用产业估值在 2020 年将达 5000 亿元/年。
产业链的构成
从导航与位置服务产业的上下游关系来看，一条完整的产业链包括：
(1) 上游数据获取与核心元器件制造。包括全球卫星导航系统( global navigation satellite systems， GNSS) 定位芯片( 尤其是适应北斗导航系统的芯片) 、板卡、导航天线、室内定位传感元器件、GIS 及导航引擎软件等。
(2) 中游数据处理和服务支撑平台。包括精密卫星定轨与定位数据处理、航测遥感数据获取与处理、电子地图采集和生产等各类数据产品及城市综合管理地理信息系统平台、网络运营服务、车联网数据服务平台等。
(3) 下游应用系统集成及应用服务。包括: ①硬件系统集成，如移动智能手机、车载导航设备、专业型北斗终端、平板电脑等终端设备制造等; ②软件系统的集成及应用服务，如智能交通应用、物流管理应用、个人位置服务应用、基于位置的社会网络服务等。
从产业布局上看，我国卫星导航与位置服务产业正呈现区域型集中式发展的态势。依托各地区不同的优势和资源，初步形成了五大重点发展区域: 珠三角地区、京津冀地区、长三角地区、华中鄂豫湘地区和川渝陕地区。其中，珠三角地区和以北京为主的京津冀地区产业发展水平总体领先。以上海、江苏为中心的长三角地区，以武汉为中心的华中鄂豫湘地区及西部川渝陕地区也都在积极推动这一产业的规模化、集聚式发展。
据统计，2017 年上述五大区域实现的总产值达到 2040 亿元，在全国总产值中占比高达 80%。未来我国的卫星导航与位置服务产业必将形成激烈的区域化竞争和差异化发展的总体格局。
从产业技术特征和技术实现方式来看，导航与位置服务应同时满足不同类型、不同用户具有多种性能要求的位置服务需求。其系统是一个复杂的网络系统，主要包括: 定位基础设施、通信基础设施、计算基础设施、用户服务网络等。涉及的关键技术有:室内外精密定位、网络通信、用户智能终端、云计算等。
协同精密定位技术
定位技术是导航与位置服务的核心。北斗卫星导航系统预计 2020 年具备全球服务能力，这必将进一步促进导航与位置服务产业的发展。从技术上来说，单一的卫星定位已经难以满足位置服务的发展需求。
协同精密定位是指多个用户通过信息交互和通信，共享位置服务技术和资源，融合卫星导航、通 信、影像、重力等多种定位手段以突破位置服务中的时空障碍与信息缺乏，协作完成各自或共同的高精度定位的一种技术。该技术能够弥补卫星定位的不足与限制，实现室内外多源技术的信号融合，实现定位过程、定位精度和覆盖范围的平滑过渡和无缝连接。形成室外亚米级、室内优于 3 m 的无缝定位导航能力。
社会感知与计算技术
位置与服务是相辅相承的，“位置”要从服务的内容转化为服务构成的输入性要素。通过对用户及相关地理位置的定位和社会感知，“位置”要素能够参与到许多传统互联网信息服务中，如信息搜索、信息通信、电子商务、信息分享传播等，并显著提升这些服务的服务质量。
当前，位置是感知用户环境的最有效途径，可在很大程度上反映用户的社会属性。因此，定位传感向基于位置的社会感知是发展的一个趋势。位置服务系统是一个具有社会计算特征的众包系统，需要一种创意和兴趣模式吸引大众参与，从而更好地为大众服务。
著名风险投资公司 Kleiner Perkins Caufield ＆ Byers( KPCB) 合伙人约翰·杜尔( John Doerr) 曾经把 3 个热门关键词整合到了一起: Social ( 社会) 、 Local( 本地) 和 Mobile( 移动) ，提出了“SoLoMo”这个概念。这一概念也成为公众领域位置服务在移动互联网时代的特征概括，以及如何把握位置服务的特点从事相关研究和应用开发。因此，导航位置服务技术需进一步从社会性等方面拓展其内涵。
与 5G 相融合的通导一体化技术
利用通信信号定位可以弥补卫星导航定位的不足。将卫星导航定位系统与 5G 移动通信强强结合，能提升 5G 及北斗的国际竞争力，产生新的技术和经济增长点。图 1 为北斗+5G 产业融合技术框图。具体包括如下几个方面:
图 1 北斗+5G 产业融合技术框图
(1) 实现 5G 网络高精准时间同步，驱动工业互联网等核心发展。2017 年，武汉大学率先突破了地面北斗终端的高精度时间传递和低成本高精度授时技术。而这一技术与 5G 网络的结合可以使5G 全网的时间同步精度从当前标准的 100 μs 左右提升 105 倍，达到纳秒水平，使 5G 网络具备了高精度同步控制的能力，以支撑工业互联网的应用发展。
(2) 将 5G 网络由虚拟空间发展为“虚拟-物理统一空间”，提升 5G 网络空间安全能力。通过引入北斗高精度授时技术，可以有效测量网络通信延迟、网络计算延迟等，形成网络空间行为的时间特征图谱，从而将虚拟的网络空间发展为“虚拟-物理”相统一的可计算空间，产生网络空间安全颠覆性创新技术。
(3) 实现通信-导航一体化，解决室内外无缝定位问题。从服务范围延伸方面，需要解决高楼林立的城市地区、室内等复杂空间环境的泛在定位问题，满足大众移动终端的无缝无盲区位置服务需求。北斗与 5G 技术结合将利用 5G 信号的广域无缝覆盖特性，将通信信号扩展为通信、导航一体化信号，解决室内定位问题。
与无人系统、机器人相融合的智能导航技术
随着无人系统、智能机器人及其他智能领域的兴起，我国已经逐渐进入智能化时代。越来越多的设备将自主运行、自主操作和完成相应的工作。智能机器人的研究已经在全国范围内如火如荼地展开。
2017 年，国务院印发的《新一代人工智能发展规划》中明确提出，重点突破自主智能系统计算架构、复杂动态场景感知与理解、实时精准定位、面向复杂环境的适应性智能导航等共性技术，无人机自主控制及汽车、船舶和轨道交通自动驾驶等智能技术，服务机器人、特种机器人等核心技术，支撑无人系统应用和产业发展。
面向智能机器人在动态运动场景和复杂陌生场景中的无缝定位导航问题，应在上述技术条件的基础下，融合机器视觉、深度学习等手段，展开多源技术融合下的机器人环境感知与定位导航关键技术的研究。在复杂运动场景中实现机器人语义导航，即将普通导航地图转化成语义导航地图，通过对运动场景部件的语义理解和提取。面向复杂陌生环境中的机器人定位导航需求，通过搭建实时地图构建与环境理解的同步一体化深度学习计算模型，实现机器人在无图陌生环境下的智能导航。
尽管当前导航与位置服务产业发展迅速，但也存在以下问题: 从技术层面上讲，缺少室内外泛在精准定位技术; 从人才层面上讲，缺少交叉型科技服务人才; 从标准层面上讲，导航与位置服务相关标准较少; 从产业模式层面上讲，“互联网+创新模式”尚未形成; 从规划层面上讲，要进一步制定我国导航与位置服务协同创新重大战略规划。
为此，围绕导航与位置服务产业，以服务于国家现代化发展重大需求为导向，建议主要发展的重点方向和任务包括以下几个方面。
面向重点行业的关键技术推广与创新条件建设
进一步推动攸关国计民生的重点行业的技术创新、服务创新与人才创新。重点针对重大自然灾害，开展以 GNSS 为主要手段的监测预警与防范，结合公安交管、高铁、海洋运输及近海渔业、车辆保险等领域需求开展与公安部、交通部、银保监会的合作，将位置服务延伸到金融保险等领域［13］。同时，开拓北斗高精度纳秒级授时服务在国家电网、下一代互联网等领域的创新应用。
服务于北斗产业发展与“一带一路”倡议的创新人才聚集
培养我国导航与位置服务的技术领军人才和应用创新人才，特别是交叉型学术人才，持续做好北斗技术与应用国际培训学校工作，重点为“一带一路”国家开展北斗技术的国际科技服务。同时，依托高校、科研院所建设一批相关企业的博士后工作站、联合实验室。
我国导航与位置服务的协同创新重大战略规划
重点开展为国家、地方和行业的战略性科技服务，指导我国未来 10～20 年导航与位置服务科技发展路线，为国家“互联网+”“智能制造 2025”“大数据”及“一带一路”倡议提供地球空间信息方面的战略咨询及规划，为决策部门提供决策依据，并为科研机构提供研究思路，同时为资本和工业界提供产业建议和为广大中小型创新创业人才指明发展方向。
导航与位置服务核心芯片、基础软件和支撑平台研究
持续发展定位导航核心共性技术基础平台，瞄准综合定位、导航、授时 ( positioning、navigation、 timing，PNT) 技术国际前沿和主要发展方向，特别是多源 PNT 信息源的集成与融合［14］，打造一流的智能自适应导航核心芯片器件。围绕具有自主知识产权及强坚韧性的卫星定位终端核心芯片问题，探索先进智能的自适应卫星导航定位理论与方法，突破低功耗导航定位芯片、多传感器嵌入式软硬件自适应集成 SiP( system in a package) 芯片等核心技术。
我国已经建成了近万个卫星导航定位基准站，在导航与位置服务中发挥了关键作用。在此基础上，持续建设导航与位置服务重大工程系统，深化广域实时精密定位系统、北斗地基增强系统、羲和系统等国家重大工程系统的科技服务能力。进一步突破泛在测绘、高精度定位、位置大数据与智能服务、室内外无缝定位、深组合导航等关键技术。
导航与位置服务国际和国家标准的起草、制定与认证
加强导航与位置服务国际、国家和行业标准的起草、制定与认证工作。继续深化在国际海事无线电技术委员会 RTCM( radio technical commission for maritime services) 第 104 专业委员会的北斗国际标准制定工作; 组织制定“A-北斗”等一批导航与位置服务应用标准; 建立面向北斗终端产品的高精度导航与位置服务标准认证机构。
总体而言，当前导航与位置服务产业发展态势强劲。导航与位置服务在交通、测绘、海洋、农渔业、公共安全、减灾救灾等领域发挥着重要的基础性支撑作用。导航与位置服务产业的建设与推广应用，将满足大众用户对位置服务的强烈需求，解决基于位置的各类服务，如驾驶、个人旅游、社交、购物、企业决策及运营、城市交通、公共安全与服务等，推动物联网、智慧城市快速发展。
导航与位置服务产业科技服务体系将促进我国传统生产经营模式的升级改造，提高生产力水平，带动产业链全面发展，形成导航与位置服务战略性新兴产业，实现跨越式发展。同时，我国北斗卫星导航系统的建成和协同精密定位技术的发展以及与 5G、无人系统、智能机器人的融合，不仅能促进导航位置服务的快速增长，而且还将推进信息技术的创新和智能信息产业的发展。
来源：测绘通报
作者：姜卫平 郭 迟 左文炜(武汉大学卫星导航定位技术研究中心）