謝 軍，莊建樓，康成斌

（中國空間技術(shù)研究院，北京100094）

自20世紀90年代以來，物聯(lián)網(wǎng)（Internet of things，IoT）技術(shù)得到了飛速的發(fā)展，被稱為繼計算機、互聯(lián)網(wǎng)和移動通信網(wǎng)絡之后的又一次信息技術(shù)革命［1］。物聯(lián)網(wǎng)是通過信息傳感設備，按照約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來進行信息交換和通信，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的過程與技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)融合了感知技術(shù)和網(wǎng)絡技術(shù)，建立在高新科技迅猛發(fā)展和網(wǎng)絡覆蓋無所不在的基礎之上。作為能夠使萬物互聯(lián)的一個全新技術(shù)，物聯(lián)網(wǎng)正在給我們的生產(chǎn)、生活方式帶來深刻變化。

時空信息是物聯(lián)網(wǎng)領域智能感知的剛性需求，衛(wèi)星導航作為時空基準的空間基礎設施，具有統(tǒng)一、精確、易用及廉價的獨特優(yōu)勢，起到了統(tǒng)一時空基準下獲取用戶或物體時間信息和位置信息服務的重要作用，并以其覆蓋范圍大、精度高、應用領域廣和獲取成本低等優(yōu)勢為物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展提供時空信息支持。

中國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)（Beidou navigation satellite system，BDS）的建設和物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展幾乎同時起步，成為世界四大衛(wèi)星導航系統(tǒng)之一，包括北斗二號區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)（以下簡稱北斗二號系統(tǒng)）和北斗三號全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)（以下簡稱北斗三號系統(tǒng)）。2020年7月31日，中國北斗三號系統(tǒng)全面開通服務，可為全球用戶提供全天候、全天時、高精度的基本定位、導航和授時（Positioning，naviga?tion，and timing，PNT）服務和其特有的高精度與短報文通信等特色服務，已經(jīng)廣泛融入國民經(jīng)濟和國防安全的各類核心基礎設施中，促進了社會生產(chǎn)方式變革和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級，成為信息社會萬物互聯(lián)和萬物智能的基礎。

北斗系統(tǒng)建設初期就有學者提出北斗系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)融合發(fā)展的構(gòu)想。2011年潘程吉等［2］對北斗系統(tǒng)在物聯(lián)網(wǎng)感知層和網(wǎng)絡傳輸層的應用進行了展望，趙凱等［3］提出了以北斗系統(tǒng)作為網(wǎng)絡傳輸層的物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)設想。但是，早期研究盡管認識到北斗系統(tǒng)PNT服務和信息傳輸在物聯(lián)網(wǎng)體系中可發(fā)揮的作用和重要地位，但尚未系統(tǒng)提出基于北斗系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)。

隨著北斗系統(tǒng)建設的推進，具有北斗特色的物聯(lián)網(wǎng)在建筑、海洋漁業(yè)、智能交通、野外勘探、物流監(jiān)測、農(nóng)業(yè)種植及能源電力等行業(yè)得到了廣泛應用。在大多數(shù)應用場景下，北斗系統(tǒng)僅提供了物聯(lián)網(wǎng)所必須的PNT信息，并未深度參與網(wǎng)絡的構(gòu)建。這些應用場景根據(jù)所采用信息傳輸手段的不同可大致分為3種類型：第1種采用非北斗系統(tǒng)的移動通信、Wi?Fi、Zigbee等通信技術(shù)［4?5］；第2種采用北斗系統(tǒng)的短報文通信技術(shù)［6?8］；第3種則兼有前兩種類型的信息傳輸手段，以移動通信等為主，以短報文通信為輔［9?11］。

本文結(jié)合中國北斗三號系統(tǒng)的服務類型及物聯(lián)網(wǎng)應用北斗的主要模式，分析了物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)，提出了融合互聯(lián)網(wǎng)和人工智能技術(shù)的北斗物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)；總結(jié)了北斗各類服務在物聯(lián)網(wǎng)各個領域的應用，提出了“物聯(lián)網(wǎng)+北斗”的應用模式；分析了北斗物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的挑戰(zhàn)并給出了下一步研究的初步建議，展示了北斗系統(tǒng)在促進各行業(yè)提高生產(chǎn)水平、加快信息化產(chǎn)業(yè)升級等方面發(fā)揮的巨大作用。

1 北斗系統(tǒng)及其服務功能

1.1 衛(wèi)星導航系統(tǒng)的建設

衛(wèi)星導航系統(tǒng)結(jié)合航天科學技術(shù)和時空基準要求，利用空間分布的多顆衛(wèi)星組成星座，在統(tǒng)一時間和位置坐標系中，通過地面站對衛(wèi)星位置與軌道精確測量，將衛(wèi)星作為標準位置與時間的導航臺站，以播發(fā)無線電導航信號為載體，將時空基準信息廣泛傳遞給覆蓋范圍內(nèi)的無限用戶。可以說，衛(wèi)星導航系統(tǒng)是信息社會萬物互聯(lián)和萬物智能的基礎。

中國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)堅持“自主、開放、兼容、漸進”的原則，著眼于國家安全和經(jīng)濟社會發(fā)展需要，自主建設、獨立運行，是為全球用戶提供全天時、全天候、高精度的定位、導航和授時服務的國家重要空間基礎設施［12］。按照全球范圍提供基本導航定位授時服務、中國及周邊地區(qū)提供特色服務的要求，在北斗二號系統(tǒng)區(qū)域星座基礎上，北斗三號系統(tǒng)設計采用“3GEO+3IGSO+24MEO”衛(wèi)星組成的混合星座［13?14］。北斗三號系統(tǒng)星座構(gòu)型如圖1所示。

圖1 北斗三號系統(tǒng)星座示意圖Fig.1 Sketch of the BDS-3 constellation

1.2 北斗系統(tǒng)的基本服務

目前，北斗系統(tǒng)已提供PNT和信息傳輸兩大類7種基本服務［15］。PNT類具體包括基本導航（RNSS）、星基增強（SBAS）、地基增強（GBAS）及精密單點定位（PPP）四種服務；信息傳輸類具體包括區(qū)域短報文通信（RSMC）、全球短報文通信（GSMC）和搜索救援（SAR）三種服務。其中，RNSS、GSMC、SAR三種服務覆蓋全球，SBAS、GBAS、PPP和RSMC僅覆蓋中國及周邊地區(qū)。北斗系統(tǒng)提供的服務性能如下：

（1）基本導航服務：在地球表面近地空間1 000 km以下范圍，北斗三號系統(tǒng)可以提供基本導航服務，空間信號精度優(yōu)于0.5 m；全球定位精度優(yōu)于10 m，測速精度優(yōu)于0.2 m/s，授時精度優(yōu)于20 ns；亞太地區(qū)定位精度優(yōu)于5 m，測速精度優(yōu)于0.1 m/s，授時精度優(yōu)于10 ns。北斗三號系統(tǒng)基本導航服務于2018年12月正式面向全球開通［16］。為了確保從北斗二號系統(tǒng)到北斗三號系統(tǒng)的平穩(wěn)過渡，北斗三號系統(tǒng)在區(qū)域范圍內(nèi)保留了北斗二號系統(tǒng)B1I、B3I等導航信號，與全球系統(tǒng)設計的新型導航信號混合播發(fā)，保證已有北斗二號系統(tǒng)用戶的正常使用和升級［17］。北斗三號系統(tǒng)按照與GPS、GLONASS、Galileo等其他全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)公開服務信號具備良好的兼容性與互操作的要求，優(yōu)化設計了其播發(fā)的導航信號體制。目前，北斗三號系統(tǒng)播發(fā)的B1C、B2a和B3I空間信號接口控制文件已在中國北斗官網(wǎng)正式發(fā)布［18］。

（2）星基增強服務：通過地球同步軌道衛(wèi)星配置衛(wèi)星導航增強信號轉(zhuǎn)發(fā)器，向用戶播發(fā)星歷誤差、衛(wèi)星鐘差和電離層延遲等多種修正信息，實現(xiàn)對于原有衛(wèi)星導航系統(tǒng)定位精度的改進和提升。系統(tǒng)按照國際民航組織標準建設，服務中國及周邊地區(qū)用戶，支持單頻及雙頻多星座兩種增強服務模式，實現(xiàn)一類垂直引導進近（APV?I）指標和一類精密進近（CAT?I）指標。目前北斗星基增強系統(tǒng)服務平臺已基本建成，即將開展民航應用驗證評估工作，定位精度實測值水平優(yōu)于1.13 m，高程優(yōu)于1.81 m。

（3）地基增強服務：通過在地面按一定距離建立的若干固定北斗基準站接收北斗導航衛(wèi)星發(fā)射的導航信號，經(jīng)通信網(wǎng)絡傳輸至數(shù)據(jù)綜合處理系統(tǒng)，處理后產(chǎn)生北斗導航衛(wèi)星的精密軌道和鐘差、電離層修正數(shù)、后處理數(shù)據(jù)產(chǎn)品等信息，通過衛(wèi)星、數(shù)字廣播及移動通信等方式實時播發(fā)，并通過互聯(lián)網(wǎng)提供后處理數(shù)據(jù)產(chǎn)品的下載服務。目前已在中國范圍內(nèi)建設155個框架網(wǎng)基準站和2 200余個區(qū)域網(wǎng)基準站，可提供實時米級、分米級、厘米級和后處理毫米級增強定位服務。

（4）精密單點定位服務：通過北斗三號GEO衛(wèi)星播發(fā)北斗三號系統(tǒng)和其他全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)精密軌道和鐘差等改正參數(shù)，為中國及周邊地區(qū)用戶提供服務。目前系統(tǒng)已通過3顆GEO衛(wèi)星播發(fā)精密單點定位信號，定位精度實測值水平優(yōu)于15 cm，高程優(yōu)于30 cm，收斂時間優(yōu)于15 min。

（5）區(qū)域短報文通信服務：服務中國及周邊地區(qū)，入站容量可達到1 200萬次/h，出站容量可達到600萬次/h，用戶機發(fā)射功率降到1～3 W，單次報文長度達1 000個漢字。同時，通過在部分衛(wèi)星上配置可動點波束，使得服務范圍拓展到印度洋和太平洋。目前基本完成區(qū)域短報文服務平臺建設，推動短報文與移動通信有機融合，進一步發(fā)揮北斗系統(tǒng)導通融合服務優(yōu)勢。

（6）全球短報文通信服務：利用北斗系統(tǒng)“全球覆蓋、星間互聯(lián)”的特點，通過在部分中軌道衛(wèi)星配置基于處理轉(zhuǎn)發(fā)體制的報文通信接收機，將短報文通信服務能力拓展到全球，實現(xiàn)對全球范圍15°仰角雙重覆蓋、30°仰角單重覆蓋，為全球用戶提供試用服務，支持報文通信、位置報告和應急搜救等業(yè)務。系統(tǒng)服務業(yè)務容量為入站34萬次/h，出站22萬次/h；每條報文的最大長度不超過40個漢字（560 bit），用戶機終端的發(fā)射功率為10 W左右。

（7）搜索救援服務：北斗三號系統(tǒng)通過在部分衛(wèi)星上搭載國際海事搜救載荷設備，按照國際搜救衛(wèi)星組織標準，與其他衛(wèi)星導航系統(tǒng)共同組成全球中軌搜救系統(tǒng)，同時提供北斗特色的返向鏈路服務，極大提升搜救效率和能力。

2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)的起源可追溯到1993年，此后經(jīng)過長時間的醞釀，2005年國際電信聯(lián)盟在《Internet Re?ports 2005：The Internet of Things》中正式提出了物聯(lián)網(wǎng)的概念，即“任何時刻、任何地點、任意物體之間的互聯(lián)，無所不在的網(wǎng)絡和無所不在的計算”。時至今日，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)取得了長足的進步和發(fā)展，其廣闊的應用前景受到了世界各國的高度關(guān)注。

物聯(lián)網(wǎng)是一個基于互聯(lián)網(wǎng)、傳統(tǒng)電信網(wǎng)等信息承載體，讓所有能夠被獨立尋址的普通物理對象之間形成互聯(lián)互通的網(wǎng)絡，可以視為互聯(lián)網(wǎng)的延伸和擴展。人們通過物聯(lián)網(wǎng)的應用可以獲得一個新的溝通維度，即從任何時間、任何地點的人與人的溝通聯(lián)接擴展到了人與物、物與物之間的溝通聯(lián)接。物聯(lián)網(wǎng)的概念包括3層含義：（1）物聯(lián)網(wǎng)現(xiàn)階段的基礎還是互聯(lián)網(wǎng)，只是在現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)基礎上延伸和擴展的網(wǎng)絡；（2）物聯(lián)網(wǎng)用戶端擴展和延伸到了任何人和人、人和物、物和物之間進行的信息交換和通信；（3）在前兩點的基礎上，能夠?qū)崿F(xiàn)對物理世界的實時感知與控制、精確管理和科學決策。

物聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)可劃分為3層[19]，從下到上分別為：感知層、網(wǎng)絡層、應用層，如圖2所示。

圖2 物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)示意圖Fig.2 Sketch of IoT architecture

感知層包含各種傳感器及傳感器組成的傳感網(wǎng)絡，如射頻識別（RFID）、攝像頭、溫濕度傳感器、全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)（GNSS）、自組織網(wǎng)（Ad Hoc）、無線多媒體傳感網(wǎng)絡（WMSN）、無線傳感器和執(zhí)行器網(wǎng)絡（WSAN）、傳感操作系統(tǒng)（如tinyOS）等。網(wǎng)絡層又分為接入網(wǎng)和傳輸網(wǎng)，前者用于實現(xiàn)物理層的接入，如近場通信（NFC）、超寬帶（UWB）、以太網(wǎng)、衛(wèi)星通信等，后者是物聯(lián)網(wǎng)的基礎，即包括互聯(lián)網(wǎng)、廣電網(wǎng)、電信網(wǎng)、電力通信網(wǎng)等在內(nèi)的信息網(wǎng)絡。應用層可劃分為云計算、物聯(lián)網(wǎng)中間件、物聯(lián)網(wǎng)應用3個層次：云計算可利用各種智能計算技術(shù)，對海量的感知數(shù)據(jù)和信息進行分析并處理，實現(xiàn)智能化的決策和控制，具體提供基礎架構(gòu)服務、平臺服務、軟件服務；物聯(lián)網(wǎng)中間件用于對各種公用的計算能力進行統(tǒng)一封裝；物聯(lián)網(wǎng)應用包含各類與具體行業(yè)需求結(jié)合的智能應用，例如智慧電網(wǎng)、智慧農(nóng)業(yè)、智慧交通、智慧醫(yī)療等。

物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)需要跨越物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的多個層次，其關(guān)鍵技術(shù)分布在如下幾個方面：

（1）物體信息感知技術(shù)：包括標識、尋址及可供感知的信息等，在感知層涉及芯片、RFID、二維碼、傳感器、識別器、定位、授時和低功耗等技術(shù)，在網(wǎng)絡層則利用了IPv6技術(shù)，具有區(qū)別每一個硬件的能力。其中，RFID由于具有標識物體的能力，曾是早期物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)基礎。

（2）物體信息傳輸技術(shù)：包括傳感網(wǎng)絡、衛(wèi)星通信、互聯(lián)網(wǎng)及機器對話（M 2M）等技術(shù)，也大量利用了傳統(tǒng)網(wǎng)絡中物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的技術(shù)。其中傳感器網(wǎng)可視作是物聯(lián)網(wǎng)的代名詞，機器對話貫穿了物聯(lián)網(wǎng)的所有層，是物聯(lián)網(wǎng)現(xiàn)階段最普遍的應用形式。

（3）物體信息智能處理技術(shù)：包括模糊識別、云計算、機器學習和人工智能等技術(shù)，用于對海量感知數(shù)據(jù)的分析處理。物聯(lián)網(wǎng)的感知和智能，是對人類智力的仿生，也是物聯(lián)網(wǎng)的本質(zhì)特征之一。

在以上技術(shù)中，一部分是采用傳統(tǒng)網(wǎng)絡和計算的通用技術(shù)，另一部分則是物聯(lián)網(wǎng)所獨有的關(guān)鍵技術(shù)，主要包括識別技術(shù)、定位技術(shù)、傳感技術(shù)、傳感網(wǎng)絡技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)應用技術(shù)等。

由于物體處于時空之中，物體所處的空間坐標和時間信息是物體在標識過程中不可缺少的基本屬性。移動通信蜂窩網(wǎng)絡定位、衛(wèi)星定位、室內(nèi)定位（如Wi?Fi、藍牙、UWB）等技術(shù)在物體定位（授時）技術(shù)的基礎上得到開發(fā)和利用。其中，基于GNSS的衛(wèi)星定位技術(shù)可提供全球性大尺度的時空基準，能夠為物體提供定位和授時等基本的感知信息，還能夠為某些物聯(lián)網(wǎng)應用提供頻率基準和信息傳輸?shù)裙δ?，日益成為物?lián)網(wǎng)的重要支撐技術(shù)，對未來物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展和應用必將起到至關(guān)重要的作用。

3 基于北斗系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

據(jù)統(tǒng)計，當今信息化社會中80%以上的信息數(shù)據(jù)都與位置和時間相關(guān)。北斗系統(tǒng)本質(zhì)上是全球化的天基時空基準，是構(gòu)建信息社會必不可少的信息來源和信息提供者。北斗系統(tǒng)提供的精準時間和位置信息可為廣泛的用戶提供定位、授時、授頻等可感知信息，是信息時代最為核心的關(guān)鍵基礎數(shù)據(jù)。

自北斗系統(tǒng)2012年底正式提供區(qū)域服務以來，北斗衛(wèi)星導航定位的應用逐步推廣，繼交通、海事、電力、民政、氣象和漁業(yè)等傳統(tǒng)行業(yè)之后，北斗應用也走向普通民眾生活，如共享單車、雙頻北斗高精度智能手機等。2020年7月31日北斗全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)全面建成開通，形成了包括基礎產(chǎn)品、應用終端、運行服務等較為完整的北斗產(chǎn)業(yè)體系，呈現(xiàn)快速發(fā)展局面。

同時，北斗系統(tǒng)還是中國重大信息基礎設施，具有全球短報文通信、星間星地鏈路等數(shù)據(jù)傳輸手段，提供了全球范圍內(nèi)的信息傳輸服務，進一步為用戶提供了天基時空基準感知信息以及其他各類感知信息的傳輸手段。因而，北斗系統(tǒng)能夠在物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的感知層和網(wǎng)絡層都發(fā)揮作用，并在應用層與人工智能、云計算等技術(shù)融合，形成基于北斗的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)，如圖3所示。

圖3 基于北斗系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)示意圖Fig.3 Architecture sketch of the IoT technology based on BDS

在感知層，北斗定位終端、授時終端、授頻終端和常規(guī)傳感器構(gòu)成了傳感器子層，RTK網(wǎng)絡、常規(guī)傳感器網(wǎng)絡等構(gòu)成了傳感網(wǎng)絡子層。在網(wǎng)絡層，北斗系統(tǒng)的全球短報文通信、區(qū)域短報文通信、星地鏈路和國際搜救業(yè)務等構(gòu)成了北斗衛(wèi)星接入網(wǎng)；接入北斗系統(tǒng)的時空感知信息或業(yè)務數(shù)據(jù)信息通過北斗星間鏈路覆蓋全球，可以作為互聯(lián)網(wǎng)、移動通信網(wǎng)的延伸和重要補充，一起構(gòu)成了傳輸網(wǎng)。在應用層，對時空信息進行處理和計算的人工智能與云計算構(gòu)成了北斗智能子層，在此基礎上構(gòu)建了“+北斗”應用子層，孵化出大批以“+北斗”為特征的物聯(lián)網(wǎng)應用，如“交通+北斗”“智能穿戴+北斗”“物流+北斗”“電力+北斗”等。

近年來，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、計算機技術(shù)、網(wǎng)絡通信技術(shù)和人工智能技術(shù)的飛速發(fā)展，終端接入、感知和計算能力不斷提升，人類對于北斗高精度服務的需求正從事后走向?qū)崟r和瞬間、從靜態(tài)走向動態(tài)和高速、從粗略走向精準和完備。特別是當人工智能引領新一輪技術(shù)革命以來，由北斗高精度服務提供的時空信息成為了智能化進程的重要推動力。通過將北斗系統(tǒng)取得的位置點、位置關(guān)系、時間統(tǒng)一和時空分析這些時空元素與物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)和人工智能等信息技術(shù)有機結(jié)合，必將對萬物互聯(lián)的智能時代起到巨大的支撐和推進作用。

北斗系統(tǒng)作為物聯(lián)網(wǎng)的一個重要組成部分，主要在感知和網(wǎng)絡兩個層面體現(xiàn)出優(yōu)勢。在感知層方面，北斗的定位和授時功能可完成精準時間信息和位置信息感知；在網(wǎng)絡層方面，北斗短報文通信功能可實現(xiàn)感知信息和控制信息的全天候、全天時及無縫傳遞。

根據(jù)有關(guān)研究統(tǒng)計，當前物聯(lián)網(wǎng)應用主要可劃分為10大領域[20]，即智慧物流、智能交通、智能安防、智慧能源（智慧電網(wǎng)）、智能醫(yī)療、智慧建筑、智能制造（智能工業(yè)）、智能家居、智能零售和智慧農(nóng)業(yè)，此外智慧城市和智能防災等新的應用也在不斷地豐富物聯(lián)網(wǎng)的應用領域。北斗系統(tǒng)提供的每一項服務都能夠密切地參與到多個領域的物聯(lián)網(wǎng)應用，形成了“物聯(lián)網(wǎng)+北斗”的應用模式，如圖4所示。

4“物聯(lián)網(wǎng)+北斗”的典型應用

4.1“物聯(lián)網(wǎng)+北斗”構(gòu)建智慧城市

智慧城市是指利用各種信息技術(shù)或創(chuàng)新概念，將城市的系統(tǒng)和服務打通、集成，以提升資源運用的效率，優(yōu)化城市管理和服務，并且改善市民生活質(zhì)量。

圖4“物聯(lián)網(wǎng)+北斗”的應用模式Fig.4 Application mode of“IoT+BDS”

“物聯(lián)網(wǎng)+北斗”的融合創(chuàng)新，是實現(xiàn)科技跨越發(fā)展、產(chǎn)業(yè)優(yōu)化升級、生產(chǎn)力整體躍升的必然選擇，更是推進技術(shù)創(chuàng)新和社會價值完美融合、構(gòu)建“智慧城市”新格局的最佳途徑之一。隨著穿戴設備、智能制造以及其他各種智能硬件的興起，“智慧城市”的概念逐步清晰和物化，涌現(xiàn)出了“北斗時空表”（某可穿戴產(chǎn)品）、“北斗魔盒”（某高精度定位終端）、“北斗約車”（某網(wǎng)約車APP）、“北斗菜”（某蔬菜物流APP）、“貨車幫”（某物流平臺網(wǎng)站）等融合北斗定位技術(shù)的產(chǎn)業(yè)新生態(tài)，推動了供給側(cè)結(jié)構(gòu)改革，讓應用從傳統(tǒng)走向智能。此外，采用北斗IP核的華為等國產(chǎn)手機已投放市場；裝有北斗接收芯片的老人、兒童智能手表在上海、南京等地的養(yǎng)老機構(gòu)和小學展開應用。“物聯(lián)網(wǎng)+北斗”正在進入千家萬戶，給人們帶來觸手可及的應用服務。

4.2“交通+北斗”實現(xiàn)智能交通

交通運輸是北斗系統(tǒng)最大的民用用戶。智能交通是將傳感器技術(shù)、信息技術(shù)和人工智能等綜合運用于交通運輸、服務控制和車輛制造的一種物聯(lián)網(wǎng)應用技術(shù)，對衛(wèi)星導航系統(tǒng)提供的定位導航授時和通信功能有著較強的需求。

截至2020年底，國內(nèi)超700萬輛道路營運車輛、超過30 000輛郵政快遞干線車輛、1 400艘公務船舶已應用北斗系統(tǒng)，綜合交通管理效率和運輸安全水平全面提升，重特大事故發(fā)生起數(shù)下降93%，死亡率下降86%。北斗鐵路行業(yè)綜合應用示范工程項目正式啟動，推廣各型號北斗終端近8 000臺。約300架通用飛行器安裝使用北斗系統(tǒng)，占比11%，運輸航空器上成功實現(xiàn)了北斗首次應用。此外，已有10萬只集裝箱安裝北斗定位終端，1萬只應用于中歐班列。由中國交通運輸部設立的“全國道路貨運車輛公共監(jiān)管與服務平臺網(wǎng)站”如圖5所示。

圖5 全國道路貨運車輛公共監(jiān)管與服務平臺網(wǎng)站Fig.5 Website of public supervision and service platform for road freight vehicle

中國建造的首條智能高鐵線路——京張高鐵的智能動車組也采用北斗系統(tǒng)，其高精度定位技術(shù)還被用于京張鐵路基礎設施維護，對沿線橋梁、隧道、鋼軌及路基等實行高精度、24小時全天候自動化監(jiān)測，大幅降低巡檢成本與難度。

4.3“5G+北斗”領跑車聯(lián)網(wǎng)

“車聯(lián)網(wǎng)”技術(shù)是指通過在車輛儀表臺安裝車載終端設備，實現(xiàn)對車輛所有工作情況及靜態(tài)、動態(tài)信息的采集、存儲和發(fā)送。車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)一般具有實時實景功能，利用移動網(wǎng)絡實現(xiàn)人車交互。車聯(lián)網(wǎng)還能利用先進的傳感器及控制技術(shù)實現(xiàn)智能駕駛，降低交通事故發(fā)生率。

智能駕駛是未來汽車行業(yè)的重要增長點之一，其中高精度地圖、自動駕駛和車路協(xié)同是智能駕駛發(fā)展的3大重要方向，北斗技術(shù)和服務在其中都起著至關(guān)重要的作用。各種感知技術(shù)與北斗技術(shù)的結(jié)合，是實現(xiàn)智能駕駛產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵。汽車要實現(xiàn)自動駕駛，高精度定位不可或缺，一般需要亞米級甚至厘米級的定位精度。但目前就室外來說，如衛(wèi)星信號接收不到或衛(wèi)星信號不穩(wěn)定的高架橋下、隧道、林蔭遮擋和城市峽谷等各類復雜場景，容易導致定位不精準。

5G作為新一代信息通信技術(shù)演進升級的重要方向，是實現(xiàn)萬物互聯(lián)的關(guān)鍵信息基礎設施、經(jīng)濟社會數(shù)字化轉(zhuǎn)型的重要驅(qū)動力量。相對于4G技術(shù)，5G將以一種全新的網(wǎng)絡架構(gòu)，提供峰值10 Gb/s以上的帶寬、毫秒級時延和超高密度連接，實現(xiàn)網(wǎng)絡性能新的躍升，開啟萬物互聯(lián)的新時代。

為了提高城市復雜環(huán)境下的定位精度，未來北斗與5G結(jié)合為必然趨勢。通過北斗地基增強系統(tǒng)、5G基站輔助定位構(gòu)建“5G+北斗”高精度定位網(wǎng)絡，能夠提供厘米級定位服務，極大地擴展導航的范圍，有效提升時空信息的精確度，為用戶提供穩(wěn)定可靠的服務；還可以進一步構(gòu)建和豐富5G生態(tài)應用，以此打造全場景、高精度的位置感知，從而實現(xiàn)在這些復雜場景下的穩(wěn)定、可靠、精準的定位。

未來車聯(lián)網(wǎng)與“5G+北斗”相結(jié)合，既能夠通過“5G+北斗”實現(xiàn)高精度實時定位與智能駕駛，又能夠通過5G實現(xiàn)高速視頻信息傳輸、行車信息和控制信息實時交互。因此，車聯(lián)網(wǎng)成為“5G+北斗”的重要應用場景。

4.4“海洋漁業(yè)+北斗”揚帆遠航

中國從事海洋漁業(yè)的漁船有一百多萬艘。這些漁船出海后，離開了岸基通信與導航設施的覆蓋范圍，必須借助衛(wèi)星導航進行航行。不同于GPS等衛(wèi)星導航系統(tǒng)，北斗系統(tǒng)除了能夠播發(fā)PNT信號，還能夠通過短報文把漁船位置信息發(fā)送給地面運控中心，或者向漁民推送天氣海況信息，實現(xiàn)漁業(yè)監(jiān)控中心對漁情的掌控，為漁民提供生命安全保障，對促進漁業(yè)現(xiàn)代化管理和維護國家海洋漁業(yè)權(quán)益意義重大。通過地面運控中心接入互聯(lián)網(wǎng)，漁民還可以用短報文發(fā)微博。可見，以北斗系統(tǒng)為基礎建立的海洋漁業(yè)監(jiān)控管理系統(tǒng)已經(jīng)具備了簡單的物聯(lián)網(wǎng)的形態(tài)。

目前海洋漁業(yè)主要使用的是覆蓋中國周邊海域的區(qū)域大容量短報文通信服務，隨著北斗三號系統(tǒng)建成以及全球短報文通信服務的逐步普及，海洋漁業(yè)的安全保障將擴展到全球，并在北斗擴展服務和人工智能的支持下，與海洋運輸、物流等產(chǎn)業(yè)結(jié)合，共同促進智慧漁業(yè)的發(fā)展。

4.5“物流+北斗”開啟智慧物流

物流行業(yè)是最早大規(guī)模應用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的行業(yè)之一，促進了RFID等技術(shù)的發(fā)展。而RFID由于其所具有的標識物體的能力，也奠定了早期物聯(lián)網(wǎng)的基礎。智慧物流的目的是提高物流系統(tǒng)智能化分析決策和自動化操作執(zhí)行能力，因此通過北斗系統(tǒng)獲取物品的位置信息至關(guān)重要。

目前，國內(nèi)已有多家電子商務企業(yè)的物流貨車及配送員配備了北斗車載終端和手環(huán)。以北斗系統(tǒng)應用技術(shù)為核心，綜合利用無線通信、現(xiàn)代物流配送規(guī)劃等技術(shù)研發(fā)的基于北斗的電子商務云物流信息系統(tǒng)可實現(xiàn)對物流過程、交易產(chǎn)品、運載車輛的全面管理，極大地節(jié)約人力、物力和財力成本。

4.6“農(nóng)業(yè)+北斗”加速智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展

智慧農(nóng)業(yè)是指傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)與信息技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)無人化、自動化、智能化管理的物聯(lián)網(wǎng)應用技術(shù)。北斗無人駕駛、高精度定位導航、系統(tǒng)監(jiān)管等一系列新興技術(shù)讓起壟播種、土地深松、作物收割、秸稈還田等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)工序充滿了現(xiàn)代科技的魅力，節(jié)省出更多的人力、物力和財力。例如：在北斗導航自動駕駛拖拉機上輸入數(shù)據(jù)和方位，拖拉機就能在田間實現(xiàn)精準作業(yè)。與傳統(tǒng)農(nóng)機相比，單臺北斗導航自動駕駛拖拉機日均作業(yè)量提高30%，作業(yè)后的條田接行準確、播行端直，精度可達2.5 cm，同時大幅降低了勞動強度，實現(xiàn)了舒適化操作。

目前，“農(nóng)業(yè)+北斗”智慧農(nóng)業(yè)應用足跡已遍布大江南北，北京、黑龍江、遼寧、新疆、山西、湖北、江蘇、上海及浙江等省、市、自治區(qū)，逐漸享受到北斗帶來的農(nóng)業(yè)機械自動化的便捷。

4.7“電力+北斗”保障電網(wǎng)安全

智能電網(wǎng)是建立在通信網(wǎng)絡的基礎上，具有先進的傳感和測量技術(shù)、先進的控制方法以及決策系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)應用技術(shù)。電網(wǎng)安全關(guān)系國家經(jīng)濟安全和國防安全，是電網(wǎng)企業(yè)的“頭等大事”。北斗系統(tǒng)可為智能電網(wǎng)、泛在電力物聯(lián)網(wǎng)、能源互聯(lián)網(wǎng)的建設提供導航定位、精密授時、短報文通訊服務等基礎技術(shù)支撐，是中國能源戰(zhàn)略發(fā)展的有效支撐手段。

在北斗授時方面，電力調(diào)控領域及管理信息領域已全面應用北斗授時信號。在北斗授頻方面，頻率同步骨干網(wǎng)已全部接收北斗授頻。在北斗導航及定位方面，試點建設了基于北斗的輸電線路地質(zhì)災害監(jiān)測評估預警體系，切實提升輸電線路抵御自然災害的能力，主動應對暴雨洪澇誘發(fā)地質(zhì)災害對輸電線路的威脅。另外，國家電網(wǎng)和南方電網(wǎng)大力開展電力北斗地基增強系統(tǒng)建設用于高精度服務，截至2020年底，已建設完成了約1 700座電力北斗地基增強系統(tǒng)。在短報文方面，北斗系統(tǒng)在浙江、寧夏、甘肅及陜西等地進行了用電信息采集的試點應用，解決了偏遠無公網(wǎng)覆蓋區(qū)域通信手段匱乏及用電信息采集難問題，在河北秦皇島開展了北斗系統(tǒng)支撐配網(wǎng)自動化試點應用，讓“被動報修”變?yōu)椤爸鲃訐屝蕖?，試點區(qū)域故障發(fā)現(xiàn)時間同比縮短8 min，到達現(xiàn)場時間同比縮短10 min，搶修效率得到有效提升。

北斗系統(tǒng)用于電力領域，解決了部分省市無通信信號覆蓋區(qū)域電力信息采集難的問題，有效解決了自然災害可能導致公網(wǎng)通信癱瘓的難題；降低了供電故障率，電網(wǎng)運行更加安全；提高了電網(wǎng)系統(tǒng)的服務效率，縮短事故發(fā)生后的應急響應時間；提高了管理水平，降低了供電成本。

5 北斗物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)與發(fā)展建議

北斗系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的結(jié)合形成了一個應用生態(tài)，總體呈現(xiàn)蓬勃發(fā)展的態(tài)勢，但也應看到，要真正發(fā)揮好北斗系統(tǒng)的作用，釋放技術(shù)進步帶來的創(chuàng)新動力，仍然面臨諸多挑戰(zhàn)，主要在于：（1）很多行業(yè)的北斗物聯(lián)網(wǎng)應用僅僅是利用了北斗系統(tǒng)的PNT服務，并未廣泛應用北斗系統(tǒng)特有的信息傳輸服務能力，如果把其替換為GPS，無本質(zhì)上的不同；（2）北斗物聯(lián)網(wǎng)應用的開發(fā)各自為戰(zhàn)，缺乏標準體系的規(guī)范，同時造成一些重復開發(fā)和資源浪費；（3）北斗系統(tǒng)已經(jīng)建成，但物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)仍在不斷演進發(fā)展，例如與5G通信和人工智能技術(shù)的銜接，北斗系統(tǒng)面臨地面應用與其他熱點技術(shù)融合、在軌運維升級和下一代北斗建設規(guī)劃的壓力。對于上述挑戰(zhàn)，本文給出了一些發(fā)展建議。

對于第1個問題，應認識到北斗系統(tǒng)具有物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)特征的重要因素是其具有信息傳輸服務的能力，尤其是北斗三號系統(tǒng)擁有全球短報文通信及高速骨干網(wǎng)星間星地鏈路，其信息傳輸能力比北斗二號系統(tǒng)大大提升，滿足物聯(lián)網(wǎng)用戶低速和中高速信息傳輸?shù)母黝愋枨螅浞掷眯畔鬏敺湛梢载S富中國物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)內(nèi)涵，并促使新的應用模式的不斷涌現(xiàn)。由于北斗三號系統(tǒng)的這些新的服務對于社會行業(yè)用戶來說還不夠熟悉和了解，如何有效地推動北斗系統(tǒng)信息傳輸服務的應用，提升用戶使用北斗系統(tǒng)信息傳輸服務的體驗，是一個值得研究的問題。

對于第2個問題，應該進一步加強北斗物聯(lián)網(wǎng)應用技術(shù)的標準化工作。北斗系統(tǒng)通過公開一系列服務的標準，自身已經(jīng)形成了一套完備的技術(shù)規(guī)范，并且通過行業(yè)標準化逐步被民航、鐵路、航海等行業(yè)接納。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也形成了一套標準體系，例如RFID、M 2M、云計算等技術(shù)標準均被納入，促進了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展。因此，一方面應該推動北斗物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的標準化建設，通過總結(jié)和歸納成熟應用模式的經(jīng)驗和成果，讓北斗物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的生態(tài)環(huán)境擺脫低水平重復，健康有序發(fā)展。另一方面，應該推動北斗物聯(lián)網(wǎng)應用中間件的開發(fā)，把基本的應用模式通過封裝，接入云計算平臺，使各行業(yè)用戶能夠直接調(diào)用相應接口，獲得標準化的服務；推動建立北斗物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開源社區(qū)，積聚開發(fā)者，使北斗物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的開發(fā)趨于標準化。

對于第3個問題，應該準確把握物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)演進的脈搏，結(jié)合北斗物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在地面應用中面臨的實際問題，通過融合各類熱點技術(shù)（如大數(shù)據(jù)、機器學習、人工智能等）提升北斗物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應用的水平，并進一步形成北斗物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)融合創(chuàng)新、持續(xù)發(fā)展的態(tài)勢。

中國下一代北斗系統(tǒng)建設已提上日程，將包括高中低3種類型軌道，尤其是低軌導航增強星座的規(guī)劃，將以智能駕駛等物聯(lián)網(wǎng)應用的商業(yè)價值為導向，發(fā)展高精度定位和信息傳輸技術(shù)，為車聯(lián)網(wǎng)、智慧城市等物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)提供更有力的技術(shù)支撐。

6 結(jié) 論

本文結(jié)合中國北斗三號系統(tǒng)的基本服務，分析了基于北斗系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，提出了“物聯(lián)網(wǎng)+北斗”的應用模式，并總結(jié)了各行業(yè)的典型應用?？梢灶A期，“物聯(lián)網(wǎng)+北斗”是對位置和時間信息的深度整合和利用，將促進各行各業(yè)加速產(chǎn)業(yè)升級，發(fā)揮巨大作用。

2035年前，中國將建成“更加泛在、更加融合、更加智能”的國家綜合定位導航授時體系，為全球用戶提供基準統(tǒng)一、覆蓋無縫、安全可靠、便捷高效的PNT服務，也為未來智能化、無人化的萬物互聯(lián)提供核心支撐。在不遠的將來，隨著北斗系統(tǒng)定位精度提升，北斗終端小型化和電池續(xù)航能力提高，以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)商業(yè)模式日臻成熟，北斗系統(tǒng)將融入更為廣泛的應用場景?；诒倍废到y(tǒng)PNT服務和信息傳輸服務的“物聯(lián)網(wǎng)+北斗”應用模式，將幫助更多行業(yè)實現(xiàn)跨越式發(fā)展，也必將為大眾生活和社會生產(chǎn)活動帶來深刻變革。