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北斗導航大數據建設與思考

2021/12/25

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現代數據不論從重要性還是經濟總量上都將超過石油、煤炭等天然資源，數據資源開發利用將形成巨大的數據產業。隨著北斗衛星導航系統全球部署，基於大數據的導航生產方式和生產模式發生了根本改變。基於位置感知的數據云智慧城市、戰場自動化感知及戰場自動化指揮等現代理念都要基於導航及各種數據信息，在計算機網路時間和空間上被高度濃縮存儲、分析、應用。這使得現代導航逐漸改變以往後台理論與技術支持的地位，由靜態轉為實時服務，攜眾多服務產品逐步走向前台，對提供的定位、導航和授時（PNT）綜合數據進行更深層次的挖掘，並延伸其研究深度與廣度，直接應用於戰場、航空航天、地球物理、地理信息、資源勘探、土地動態監測、農牧漁業、智能化交通管理等眾多領域，成為智慧領域的基礎支撐，最終慢慢形成現代大數據意義的導航和現代導航意義的大數據。

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當前導航大數據建設面臨的主要問題

導航大數據涉及諸多不同領域。我們認為，導航大數據，就是所有與導航相關，具有泛在PNT 特徵的，以智能技術為載體，數量巨大、類型與結構多樣、不均衡價值密度、不一致動態特徵、不同應用處理特徵的數據集合。導航大數據目前已覆蓋社會生活的各方面。例如北斗地基增強數據、車載終端導航數據、社會人員軌跡數據、交通導航大數據等。目前在應用和管理上，主要存在以下三個主要問題。

1.未能形成「導航雲」

目前導航數據一般是應用部門針對特定任務採集和獲取，利用專業數據處理方法分析局部數據精度及屬性特徵。例如省域北斗地基增強（CORS）信息中心計算產生CORS 差分信息，沒有地圖數據、遙感數據、光學影像數據等支持。數據依然按行業、地域、企業被隔離成一個個信息孤島，沒有形成導航大數據所必須的「導航雲」，未建立一套行之有效的導航大數據理論與技術，無法對各種不同類型數據的關聯進行深度挖掘及再利用。應當把消除單位部門數據割據，建立公開、透明、共享的數據公共平台作為長期的戰略目標。

2. 難以保證數據安全

類似地基增強數據，數據中心不間斷全天候採集基準站數據，並按照用戶要求進行高精度導航定位，可以實現米級甚至分米級精度的定位，可廣泛採集各行業導航定位數據。但這些數據都面臨著安全問題。①在數據高度分佈、去中心化的場景中（如物聯網），數據的交換是匿名的、無需信任的、無單點控制、在網路中隨時發生，數據交易通過網路平台實現。②在很多北斗導航應用中，數據不能無條件向公眾開放，而只能做點對點的共享，或者基於某種特殊約束的多邊條件。比如高精度點信息（點之計等）安全。

保護國家層面的數據安全，恰恰是以數據開放為基礎的。開放是一種態度，更是一項能力。導航大數據時代，高精度位置信息數據所有制已經不再是主流，要保證高精度信息數據可以使用，但不可以看見，「可用不可見，相交不相識」，保證數據絕對安全。

3. 導航大數據支撐系統尚未建立

大數據建設不僅僅需要解決信息數字化，還要解決數據信息的處理和預測。這需要建設落地的大數據支撐系統。導航大數據支撐系統應主要包含導航感測器系統、數據存儲系統、數據管理和分析系統、共享服務平台、安全保密系統等。目前，已建立了一些初級北斗導航大數據服務系統，都是基於衛星導航定位技術，綜合利用計算機網路、大數據、通信、電子等技術，提供毫米級到米級的精度分級導航定位、動態框架基準、態勢分析等高精度空間位置信息服務的系統。

這些服務已形成產業，尤其是基於地基增強系統大數據位置服務的產業鏈是近幾年發展起來的一種信息服務的新興產業。

目前，可採用超站儀、衛星導航接收設備、慣導設備等設備對影像、位置、地理信息、人員信息等進行數據化；通過基於位置信息的其他服務信息，例如位置、影像等分析人員流動狀態；導航定位數據處理達到米級、分米級乃至毫米級精度。但僅僅能夠分析諸如位置、姿態、距離、時間等信息, 對於態勢分析、現實效益分析、未來預測等決策者關注的問題，目前導航大數據系統還做不到。

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基於北斗地基增強系統的導航大數據情況

隨著北斗地基增強系統的建設和發展，導航大數據主要來源為地基增強系統及導航定位應用服務平台，還有就是日常生活存儲的導航數據。例如60多個CORS 站的北斗地基增強系統的數據量就達10個G 左右。

自20 世紀90 年代起，各地測繪、國土等部門先後建設基於GPS 的CORS 系統，僅統計的站點就達到5000 多個（不包括其他小型的系統）。隨著北斗系統於2012 年年底提供區域服務，包括上海、重慶、河南、河北、山西等在內多地建成北斗增強系統。通過軍民融合，整合利用江蘇、浙江、福建、江西等15 省現有的站網數據資源，建成空間布局合理、基於北斗的精密導航服務系統。

這些數據特點主要為：應用對象的轉變，從「內部」到「開放」，從「專業」到「公眾」；導航數據將從公益性、專業性測繪導航保障向整個社會產業體系的產業方向擴展；面向軍隊、政府部門、專業領域的大數據擴大到面向社會公眾服務。

北斗地基增強系統數據結合交通信息數據、氣象信息數據、地圖信息將極大改變人類生活方式，形成類似於老人關愛系統、智慧校園系統、車輛的精準監控、精細農業等，成為智慧城市支撐基礎。

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基於北斗地基增強系統的導航大數據主要發展方向

當前智慧大數據應用路徑為從數字城市到智慧城市，中間經過智能城市變化，將各種信息數字化后，形成智能管理，再經過雲計算及「互聯網+」及感測形成大數據智慧分析。北斗地基增強系統及其應用正是對大數據的典型應用。

技術方面，基於北斗地基增強系統及應用，在北斗導航大數據存儲、計算以及相關服務體系方面，逐步實現大流量定位請求的自動負載均衡、定位信息的快速與長期存儲、北斗定位終端註冊管理等北斗定位基礎服務介面和平台，在此基礎上實現北斗應用開發與運行開放平台、北斗應用許可權與數據管理體系、北斗業務深入分析（統計報表、分析報表）系統。但還是有如下工作需要研究：

1.地基增強服務模式研究

地基增強服務模式、數據產生與處理模式的不同，帶來大數據存儲與應用不同。目前，主要有兩種模式：區域改正數技術（FKP）和虛擬參考站技術（VRS）。其中，FKP 模式可以支持無限數量用戶，但成本較高，無法進行大面積推廣；VRS 模式對設備要求較低，但為每一個用戶都獨立生成虛擬參考站數據，因此它的用戶數量受限於伺服器的計算能力，無法做到大面積推廣。為此將整個服務區域格網編碼，進行格網地基增強計算、格網廣播或格網輔助精密單點定位（PPP）計算，可以從根本上提升用戶數量，提高數據云端計算效率。

2. 自動組網建設

結合當前精確導航多種實時應用模式，例如地基增強模式、廣播式模式、地基增強輔助PPP 模式，建立多種并行數據計算及應急組網模式，利用系留平台或者無人機完成不同應急組網任務，接收應急狀態下的數據。這種數據是未來應對突髮狀況，快速救援救災的基礎數據，可為決策提供支持。

3. 導航大數據平台搭建

解決計算和服務虛擬化、大規模數據并行處理、海量數據分散式存儲、彈性伸縮和動態調配。其中通過資源虛擬化統一管理底層存儲和計算資源，並對上層提供透明存儲和計算服務；利用大數據環境實現對虛擬化資源的統一管理，並構建業務所需要的存儲體系和計算平台。

根據需求的變化，對計算資源自動地進行分配和管理，實現高度「彈性」的縮放和優化使用。規模動態伸縮，以滿足服務和用戶規模變化的需求。

通過處理技術，北斗地基增強系統實現對大規模定位請求的高效處理。北斗系統信息支持服務系統，實現按授權和規則對應用提供全面信息支持服務，比如運行情況統計等。

4. 北斗綜合服務雲數據存儲與挖掘技術

研究圖像、視頻、文字等異構大數據的存儲技術；針對位置數據混雜性、複雜性和稀疏性等特點，對位置大數據的預處理方法、局部位置數據的特徵提取、位置數據的特徵關聯和協同挖掘方法進行研究，以提供面向不同需求的位置大數據的綜合分析服務；研製建立全息位置地圖綜合服務平台，綜合建立影像地圖、矢量地圖、室內導航數據、三維空間數據之間關聯分析，使位置數據能夠用來感知人類社群活動規律，為面向不同應用的北斗位置服務平台提供技術基礎。

5. 雲平台安全技術

數據安全首先是訪問許可權控制, 其次是動態數據的安全，主要是加密和動態審計能力。數據不能無條件向公眾開放，而只能做點對點的共享，或者基於某種特殊約束的多邊交換。參考站、數據中心、用戶經特定的密鑰管理機制獲得密鑰，數據加密後送入可信執行環境，交由經過驗證的數據處理邏輯處理, 支持更大的數據規模。需要進行雲端數據加密技術研究，將傳統加密技術與雲平台安全機制集成；研究數據訪問控制技術，利用屬性基加密技術，形成新的安全控制機制，保證數據的高效共享。

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結束語

以數字化裝備為主，將北斗導航、遙感、地理信息系統技術、網路技術、通信技術、智能手機有機結合，進入全民參與導航的時代，實現空、天、陸、海一體化導航，是北斗導航大數據的主要來源。以位置信息服務為主，充分利用物聯網、互聯網等現代網路通信技術、計算技術，藉助聲音、圖片、視頻、文字、圖表等形式為用戶提供體驗式服務，是導航大數據建設的主要任務。基於可視化分析、統計分析、數據挖掘演算法、預測性分析、自然語言處理等人工智慧處理技術是導航大數據建設的關鍵。