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中国兵器和阿里投资,掌握北斗2600座增强站,实现高精度定位

基于北斗的高精度定位技术,正在深彻地改变每一个行业

1991 年,在全球瞩目之下,以美国为首的多国部队仅用了 100 个小时,将伊拉克军队彻底击溃。沙漠没有成为伊军的御敌屏障,地面部队在广袤的沙漠中快速推进,不时上演左勾右勾拳,伊拉克寄希望于沙漠迟滞多国部队的想法彻底破灭。

根据统计,海湾战争中,伊军伤亡约 10 万人,被俘 8.6 万人;美军伤亡共计 606 人。

海湾战争被称为全球第一场信息化战争,GPS(Global Positioning System)则是最引人注目的技术之一。战争爆发时,GPS 还没有完全建成,美军果断投入使用,显示了其强大的威力。

国防部首先采购了价值 4000 万美元的 8000 部小型 GPS 接收机,在茫茫的中东沙漠里,GPS 为美军提供了精度 30 米的定位服务。时任美国国防部长的理查德 · 切尼说,“GPS 对战争的胜利起到了至关重要的作用,伊拉克绝对不会想到,在没有任何地形特征的情况下,我们能顺利横穿西部沙漠。”

现在回看海湾战争,网友认为是“打醒了中国”。其中非常重要的启示是,中国必须要尽快建立自己的卫星定位导航系统。

虽然早在上世纪 80 年代初,国内一些有远见的科研工作者就提出这样的想法,但由于经济条件的限制,一直被搁置。直到海湾战争后,该计划进入了加速轨道。

2020 年 7 月 31 日,中国北斗三号全球卫星导航系统正式开通。至此,中国自己的卫星导航系统星座部署完成。“北斗”成为继美国 GPS 后,另一个能为全球提供高质量导航定位服务的系统。

转眼三十年过去,悬在人类头顶的战争乌云也已慢慢消散。虽说“天下虽安,忘战必危”,但不得不承认,今天全球各国的竞争更多的表现在经济领域、科技领域。

对于北斗来说,如何在保卫国土安全的同时,更好地融入民用市场,彰显其巨大的经济催化剂作用,才是我们应当深入思考的问题。

与北斗相比,GPS 之所以知名度高,不仅在于它是“第一个”。更加重要的原因是,GPS 经过几十年的发展,已经形成了完整的产业链,从天上的卫星,到地面的基站,从终端设备到机器芯片,GPS 强有力地带动了周边产业的发展。

根据 Grand View Research 预测,到 2025 年,美国 GPS 产业链市场规模将达到 1464 亿美元。该预测还特别指出,“基于在线送餐和网约车的迅速普及,将创造对 GPS 设备的巨大需求”。

这句话点出了全球卫星导航系统具有颠覆性的一面:随着北斗组网成功,其提供的高精度定位功能将会深彻地改变众多行业的生态,并成为当前众多新兴行业崛起的重要拼图。

因军用而生,因民用而兴。这才是对北斗系统的真实描述。

高精度定位才是核心竞争力

在北斗提供的诸多服务中,以位置、导航服务最为普遍,这其中,高精度定位是国际发展热点,在消费级市场具有广泛的应用前景。

所谓高精度技术,指的是定位精度在米级以下(厘米级、毫米级)的定位技术。不过要强调的是,不论 GPS 还是北斗,单单依靠卫星是无法做到高精度的,这并不是技术问题,而是误差积累所致。

首先,卫星的发射功率并不大,信号到达地面时已经很弱。这种信号强度相当于 1.6 万公里外一个 25 瓦的灯泡发出的光,因此地面物体在被遮挡的情况下定位效果较差。

再者,当卫星信号穿过大气层时,受到电离层和对流层的影响,产生定位误差。因此,高精度定位的过程,也就是消除误差的过程。

要想做到高精度,必须依靠地基增强系统。说直白一些,就是建在地面的参考站,用以辅助卫星精准定位。

那么,高精度定位到底是如何通过地基增强系统实现的呢?

天上的卫星如果要对地球上某个物体进行定位,必须对该物体发射信号,根据信号速度和到达的时间,就能算出该卫星到物体的距离。

当目标物体能接收到 4 颗卫星的信号时,就能得到 4 个距离。然后以卫星为圆心,以对应距离为半径画圆,就能在唯一交点处确定该物体坐标,定位完成。

但是这样的定位精度只能到米级,很多干扰因素会让卫星信号发生偏移,导致“测不准”。此时,就需要地基增强站帮忙了。

因为建设之前就已经确定好位置,所以地基增强站是一个精准的位置坐标。举个例子,当卫星对一辆汽车精准定位时,首先去定位该汽车附近的地基增强站,此时得到了地基增强站两个位置坐标:一个是卫星测出来的,另一个是已知的,也是绝对精准的。

两个位置之间存在一个差值,系统计算得到这个差值之后,卫星再去定位汽车,然后把这个差值补偿给汽车,就得到了汽车高精度位置信息。

所以,想要实现精准定位,至少有一个必备条件:被定位物体周边必须要有地基增强站。

我国大规模建设地基增强站在 2015 年启动。目前,已经建成了分布在全国各地的 2600 多个北斗地基增强站,是全球覆盖范围最广的地基增强系统。

中国兵器和阿里投资,掌握北斗2600座增强站,实现高精度定位

图 | 遍布全国的北斗地基增强站

而这 2600 多座地基增强站,由一家叫 “千寻位置” 的企业运营并管理。千寻位置是由阿里巴巴和中国兵器工业集团共同出资 20 亿成立的企业,作为全球领先的时空智能基础设施,提供厘米级定位、毫米级感知、纳秒级授时服务。

高精度定位技术将重塑行业

不久前,在朋友圈刷屏的北斗海报就是千寻位置与央视新闻的杰作。

中国兵器和阿里投资,掌握北斗2600座增强站,实现高精度定位

图 | 流传在微信朋友圈的北斗海报

千寻位置的工程师对 DeepTech 说,这个小应用就是为了让用户感知北斗的精准定位功能。通过“呼叫北斗”,不仅可以看到当前的地理位置,还能知道当前位置的可见北斗卫星数量。

以前图为例,在该时间、该位置下,有 23 颗北斗卫星陪伴着用户。

当然,这个小应用仅仅是让大众与北斗来一次亲密接触。而厘米级、毫米级的高精度定位技术应用才是重头戏。

华泰证券研究员认为,高精度定位将会改变众多行业。当前处在风口的自动化、智能化设备等行业,难以普及的一个瓶颈就是无法获取其准确的位置和行动轨迹,而千寻位置提供的高精度定位服务有望改变这一切。

插秧,是一件费时费力但是又难以自动化的农业活动,原因就在于缺少高精度定位服务。千寻位置业务架构专家董金星解释说:“水稻秧苗的间隔一般只有几十厘米,如果插秧机行驶路线左右误差超过一米,插下的秧苗要么分布不均,无法正常生长,要么直接被碾压,所谓的无人插秧根本无法实现。”

拥有厘米级定位功能后,真正意义上的无人插秧已经能够实现。相比传统有人驾驶插秧机,无人插秧器可以不受光线干扰,可以夜间作业。此举能提高 20% 插秧效率,节约 50% 的人力成本。

其实,无人插秧只是一个更大的概念中的一小块拼图,即精准农业。精准农业要求根据空间变异,定位、定时、定量地进行现代化农业操作。想要真正做到精准农业,全球定位系统必不可少,其中,不仅无人插秧需要高精度定位,无人机喷洒作业同样需要精准定位。

在没有广泛的北斗地基增强系统覆盖之前,进行无人机喷洒工作需要架设临时基站,费时费力,同样的无人机机型,没有高精度定位的情况下每小时可喷洒 50 亩农田。集成厘米级定位技术之后,工作效率提高 200%,每小时可喷洒 150 亩。

除了在精准农业领域的应用,高精度定位同样能够赋能电力行业。千寻位置给 DeepTech 分享了这样一个案例。

在夏天,由于天气炎热,用电负荷增加,极易引发电力故障。为了保障用电安全,检修人员需要手动操作无人机对输电线路进行红外测温巡检。

但是,手动操作无人机体验非常的不友好。由于定位精度不足,只能让无人机在操作者视野内工作,还要非常小心不要撞到线路或塔杆。一天工作下来,因为操作员一直处在高度紧张状态,非常疲惫。

而现在,通过当地的北斗地基增强站,无人机具备了厘米级定位功能。此时,整个工作流程发生了质变:无人机不再需要人工操控,完全可以按照既定路线巡逻,并且不用担心撞到障碍物。

中国兵器和阿里投资,掌握北斗2600座增强站,实现高精度定位

图 | 具备高精度定位功能前后工作效率对比

这项技术的应用,实现了电力巡检无人机的标准化作业,规模化应用。长远看来,这让电力系统的智能检测成为了可能。

诸如此类的案例非常多。

在物流行业,高精度定位解决了无人物流车最后一公里配送问题。在没有高精度定位之前,无人物流车难以获取准确的位置、速度和路线信息。可以想象,仅在几十米的定位精度下,配送物流车可能无法辨别相邻的两栋建筑物,更不用提精准配送了。

在地质灾害预警领域,高精度定位同样能发挥巨大作用。

在浙江省瑶琳镇,千寻位置通过布设地基增强站和服务器,配合北斗卫星实现了毫米级地质监测。

中国兵器和阿里投资,掌握北斗2600座增强站,实现高精度定位

图 | 针对桐庐县瑶琳镇滑坡隐患点的地质灾害监测预警平台

综合收集到的地下水位、降雨量、地质位移等信息,该系统可为专家决策和应急处置提供可靠数据支持。

高精度定位到底改变了什么?

卫星导航产业拥有非常高的经济拉动效应,直接投入产出比约为 1:2,相关产业的辐射高达 1:7 至 1:14。也就是说,投入 1 元钱,就能产生 7-14 元的产业经济效益。

而拥有 2600多座地基增强站的千寻位置称自己为“时空智能基础设施”。

基础设施有一个特点,就是不同经济发展阶段,所需的基础设施是不同的。但他们都会成为经济发展的基础物质条件。

第一次工业革命时代,蒸汽机代替人力成为主流,那时基础设施是煤炭。缺少煤炭,再好的蒸汽机也无法输出动力。

第二次工业革命时代,内燃机的普及让石油和电力成为了重要的基础设施,人力得到了更广泛的替代。

第三次工业革命暨信息革命,信息革命诞生的最普惠的基础设施是互联网。当代社会,脱离互联网的经济活动是无法想象的。

而现在,我们正处在第四次工业革命当中。近年来,AI、物联网、工业 4.0 等概念层出不穷;新产品如智能穿戴、无人汽车、智能机器人正在走向商业化;新商业模式如共享经济、平台经济已经得到了验证。

正如前文所说,经济发展程度越高,对基础设施的要求越高。在以上所列举的这些领域,它们有一个共同特征:需要更精细化的控制、更精准的时空感知能力。

这恰恰是建立在高精度定位技术之上的。

三十多年前,老一辈科研工作者建议我国开发自己的全球定位导航系统,是从军事角度出发,不至于关键时刻被他国掐脖子。那时没有 AI、5G、物联网,但是这一重大决定却成为了今天行业变革的一大催化剂。

前人栽树,后人乘凉。北斗系统与基于它的高精度定位技术,有望成为各新兴行业崛起的一块重要拼图。

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