北斗与智慧城市
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如何使得城市生活变得智能一些? 使得城市更智慧需要那些核心要素? 我们的观念需要哪些变化?
2
一、 智慧Leabharlann Baidu市概念与建设需求
智慧城市概念(续)
城市智慧如何体现
——全面、实时了解信息
——科学决策、果断处置
——精确管理、精密服务
——快捷保障、快捷处置 ——管理有序、实施高效 ——时空基准、信息获取、信息传输、信息加工、关联 挖掘…
3
一、 智慧城市概念与建设需求
智慧城市概念(续)
“智慧城市”来自于“智慧地球”概念 ( 2008 年 11 月
纽约召开的外国关系理事会上IBM公司提出的概念)
“智慧地球”通过“互联网”将“物联网”整合起来, 使人们能以精细和动态方式智慧化管理生产和生活 智慧城市可理解为:基于统一的时空基准,将传感器 装备到城市生活的各种物体上,通过超级计算机和云 计算实现物联网整合 智慧城市是数字城市与物联网相结合的产物,包含智 慧传感网、智慧控制网和智慧安全网(李德仁2011)
携带北斗接收机的高空探测气 球 电离层与水气探测 海洋风浪与波动检测 气象灾害预警信息及发送系统 未来的掩星大气探测
37
五 北斗在智慧城市中的可能应用
动态载体导航与管理需求
38
五 北斗在智慧城市中的可能应用
导航与地理信息用于车载导航
39
五 北斗在智慧城市中的可能应用
抢险救灾
BDS/GPS 短基线模糊度 固定率≈100%
BDS星座 现有性能
BD/GPS差分定位 H:0.81cm U:1.08cm
伪距导航定位 H: 6m U:10m
伪距差分定位 H: 1.5m U: 2.0m
相位差分定位 H: 1.3cm U: 2.0cm
36
五 北斗在智慧城市中的可能应用
气象应用
大气、海洋、空间天气监测预 警验证系统
区域导航系统卫星组网状态
共发射16颗卫星
最初的两颗卫星不能正常工作(对外:在轨试验)
基本 初始运 系统 营系统
最终运 营系统
2007
2009
2010
2011
2012
发射时间
26
三 北斗卫星导航系统发展
扩展的区域导航系统
服务区域:南北纬55度,东经55度至 180度(东至斐济群岛、西至阿联酋的迪拜、
15
二 智慧城市的时空观
智慧指挥的空间观
智慧指挥依赖可靠 的地理空间信息
及时处置险情需要 可靠的位置信息和 了解周围关联信息
16
二 智慧城市的时空观
突发事件处置的空间观
突发事件处置(洪灾、火 灾...)
反恐维稳快速反应 抗震救灾
和田恐怖事件
北京石景山商场火灾
宁波水灾
云南彝良地震
——虚拟空间信息
——需要位置服务
空 间 关 系 信 息
14
二、 智慧城市的时空观
从智慧城市看位置服务的主要形态
从单纯定位服务为主——与位置相关的信息服务为主
从专业位置服务为主——大众位置服务为主
从少数位置服务模式——多种按需求服务模式
被动服务为主——主动或预设服务为主——位置服务 基础设施 建设智慧城市的位置服务基础设施不是目的,让基础 设施服务于智慧生活才是目的
改进智慧城市服务观念,将提升智慧城市保障效能
41
六 结束语
卫星导航、地理信息是智慧城市建设的重要支撑
解决这些问题需要知道载体的位置 ( Position ) 、载体 的速度(Velocity) 和相应的时间 (Time)!—— PVT, 需要智慧服务、智慧管理系统
9
二、智慧城市的时空观
智慧城市的时间观
北京
Hi,午饭后我们好 好聊聊
纽约 什么时间?
下午1点如何?
好!——落空!
纽约:凌晨2点
北京:下午1点
17
二 智慧城市的时空观
非传统安全的空间观
交通安全
经济安全(金融、电力、能 源…)
18
二 智慧城市的时空观
空间基准不一致可能出现的问题, 魄力可能解决不了这类问题!
19
二、智慧城市对卫星导航系统的需求
智慧城市时空信息总体描述
位置
智 慧 城 市 智慧物联 智慧互联 智能决策 智慧服务
“智慧”来自于信息 ——信息获取、信息处理、信 息的综合利用、智慧决策、管理、服务——基于时 空基准
8
一、 智慧城市概念与建设需求
导航的实际需求(车辆导航)
全国有数十万辆重要物资车辆需要精细管理
重要物资运输监控
重要物资运输的路径选择
特殊时期交通运输调度与指挥 重要交通载体事故如何快速处置
基于位置服务的综合服务、智能服务系统将是多 部门协同管理决策的核心关键基础
7
一、 智慧城市概念与建设需求
智慧城市发展需求
智慧城市将大大缩短机构与机构,公众与政府之间 的距离——基于网络服务+位置服务的政府服务 扩展公众信息资源的利用与获取,提高信息流通的 时效性,信息资源的可靠性和现势性——高精度时 间同步 “智慧”一般强调:科学、智能、机敏、快捷
22
三 北斗卫星导航系统发展
北斗试验系统的特点
北斗实验系统服务区域为东经70-140度, 北纬5-55度,定位精度优于20米
23
三 北斗卫星导航系统发展
北斗试验系统的特点(续)
“北斗一号”集定位、授时和报文通信为一体,解 决了“ Who , When ,Where”的相关问题。实现 了位置报告、态势共享。 GPS 和 GLONASS 系统只 解决何时、何地的定位和授时问题 授时精度高。北斗一号”系统的单向授时精度达 100纳秒,双向定时精度达到20纳秒
第三,想象也是智慧城市的重要因素,对智慧经济、 智慧管理、智慧环境、智慧生活的未来憧憬
5
一、 智慧城市概念与建设需求
智慧城市
物联网 + 互联网+ 智慧管理+ 智慧服务
城 市 概 况 人 口 人 文 市 民 分 布 江 河 湖 泊 环 境 资 源 交 通 设 施
气 象 信 息
灾 害 信 息
服 务 设 施
南至新西兰的奥克兰群岛、北至俄罗斯的腾 达)
55° N
55° E
55° S
180° E
27
三 北斗卫星导航系统发展
现阶段北斗运控系统
1 个主控站
7 个A类监测站——测定卫星轨道、电离层延迟等
22个B类监测站 ——完好性增强服务
2 个时间同步上行注入站
未来运控系统可能会改善
28
34
四 北斗卫星导航系统基本性能
定位测速精度——静态
综合国内多个站点的定位结果,得到B1I频点静态单点 定位精度 水平优于6m
高程优于10m
三维优于11.2m (95%)
35
四 北斗卫星导航系统基本性能
亚太可用率 ≈100% 测距码精度 B1: 11cm B2: 5cm 相位精度 B1: 0.5mm B2: 0.3mm
智慧城市与 北斗卫星导航系统
杨元喜
1
一、 智慧城市概念与建设需求
智慧城市概念
全球50%以上的人口居住在城市 (Dirks et al 2009,
2010)
世界上 10% 的人口生活在 30 个大都市 ( Dobbs et al
2011)
如此多的人口聚集现代大都市——居住拥挤、交通 拥堵、管理困难,甚至导致生活秩序混乱
BDS 运控系统
电离层监测、处 理与预报
完好性监测与预 警
导航电文的上行 注入与发播
32
四 北斗卫星导航系统基本性能
运控系统主要性能目标
轨道精度2m URE 0.2m GEO预报 URE: 1m/2h
M/I 轨道预报 URE: 1m/6h 5m/16h
卫星钟预报 1.4ns/2h 12ns/10h
智慧城市的空间观
Hi,6点在北京见面吧?
在哪儿?—北京?
北纬 39°54’ xx” 东经116°23’ xx”
北三环中路,远望楼西边, 北影南边
这是哪里?—晕!
需要位置、需要引导、 需要参照,需要测绘地 理信息! 导航与测绘密不可分!
13
二、 智慧城市的时空观
物联网需要时空信息
“智慧城市”首先需要“物联网”,然后需要“互 联网”,否则无信息可互换 物联网需要那些核心信息? ——位置、速度、时间 ——周围环境(影像信息) ——地理空间信息 时空信息
40
六 结束语
北斗卫星导航与智慧城市有效集成,将提高建设规划 水平和资源监测、环境监测水平
加强卫星导航、地理信息与智能交通的集成,将提高 城市智能交通管理效率 加大导航、地理信息与其它电子信息系统的集成与融 合,将扩大位置服务领域,带动智慧城市智慧物联网 的应用 统筹导航地理产品集成应用,将提高智慧城市安全运 行(行业融合、信息融合)水平 完善各类导航、地理标准,将提高智慧城市建设规范
执 法 机 构
空 间 数 据 基 础 设 施(测绘与导航)
一、 智慧城市概念与建设需求
政府宏观管理和辅助决策中的位置服务
科学决策和决策科学是政 府执政能力和执政水平的 重要体现 信息化时代,多部门协同 管理和决策是必然趋势 跨部门信息错综复杂,而 时空信息是核心共性要素
南水北调工程
实现分类保障。可划分使用等级范围,具有优先权 调配和能力集成功能
24
三 北斗卫星导航系统发展
第二步:扩展的区域导航系统
由14颗卫星组成,体制采取有源 无源相结合,兼容北斗试验系统 的全部功能
5颗GEO,5颗IGSO,4颗MEO 2012年12月27日宣布正式启用
25
三 北斗卫星导航系统发展
北斗运控性能 OCS
电离层改正率 >75%
星历更新 2h
RDSS 反应速度 <1s 120字节
BDC: 1cm BDT: 10E-14
33
四 北斗卫星导航系统基本性能
主要服务性能 北 斗 区 域 导 航 基 本 性 能
定位精度:平面10米,高程10米
测速精度:0.2米/秒
授时精度:单向50纳秒 短报文通信服务 广域差分服务
4
一、 智慧城市概念与建设需求
智慧城市概念(续)
智慧城市的三大要素(Nam & Pardo 2011稍作修改)
第一,时空基础设施是智慧城市核心要素之一,各系 统通过时空基础设施互连互通、集成、优化,是使 城市变得智能的基础,而不是分散的基础设施 第二,服务观念是提升城市智慧的核心要素之一,智 慧城市的关键之一是转换和改进服务职能,实现智 慧管理和智慧服务,包括位置服务
(甚至是在复杂条
件下)
短报文通信服务
30
三 北斗卫星导航系统发展
系统组成
空间段 地面控制 段
5 颗GEO卫星 30颗Non-GEO卫星 主控站(MCS)
注入站(US)
监测站(MS) 北斗用户终端 兼容终端
31
用户段
四 北斗卫星导航系统基本性能
运控系统主要功能
坐标基准测定与 维持 卫星轨道测定与 预报 增强信息处理 时间基准测定 与维持 卫星及地面时间 同步测定系统 卫星种差测定与 预报 RDSS 信息处理
二 智慧城市的时空观
智慧城市的时间观
独立的时间系统对城市管理非常重要
时间是追究责任的重要指标
时间是犯罪案件侦查和分析的核心要素之一 时间也是安全的重要指标之一,各电网并网发电的 时间同步,电网故障的排查等 智慧的城市应该是基于高度时间统一的信息获取与 管理
12
二、 智慧城市的时空观
三 北斗卫星导航系统发展
第三步:北斗全球卫星导航系统
GEO 卫星
2020年左右 2012年
MEO/IGSO卫星
29
三 北斗卫星导航系统发展
服务和性能(两种全球服务) 免费开放服务 定位精度: 10 m 测速精度: 0.2 m/s 授时精度: 20 ns 广域差分服务,定位 精度: 1 m 授权服务 确保高可靠应用
时间基准不一致可能造成的麻烦!
10
二 智慧城市的时空观
智慧城市的时间观
时间就是金钱,贷款与还贷的时间系统应该统一
智慧城市各银行之间时间相同应该统一
如果时间系统不统一,则存在安全隐患(美国欠中国的 债务每天需还中国利息 7400 万美元, 833 美元 / 秒)
(参考消息2010)
11
速度 时间 通信 监测
20
二、智慧城市对卫星导航系统的需求 北斗定位
智 慧 城 市 80% 以上的信息 与时间和空 间有关,需 要位置、速 度、时间及 地理信息
北斗测速
北斗授时
北斗短报文通信
北斗位置跟踪
北斗卫星导航系统是智慧城市的重要基础设施
21
三 北斗卫星导航系统发展
我国卫星导航的起步 中国自80年代决策,建设独立 自主的卫星导航系统(北斗) 2003年北斗卫星导航试验系统 建成 集导航、定位、授时与短报文 通信于一体 使中国成为全球GNSS核心供应 商之一
2
一、 智慧Leabharlann Baidu市概念与建设需求
智慧城市概念(续)
城市智慧如何体现
——全面、实时了解信息
——科学决策、果断处置
——精确管理、精密服务
——快捷保障、快捷处置 ——管理有序、实施高效 ——时空基准、信息获取、信息传输、信息加工、关联 挖掘…
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一、 智慧城市概念与建设需求
智慧城市概念(续)
“智慧城市”来自于“智慧地球”概念 ( 2008 年 11 月
纽约召开的外国关系理事会上IBM公司提出的概念)
“智慧地球”通过“互联网”将“物联网”整合起来, 使人们能以精细和动态方式智慧化管理生产和生活 智慧城市可理解为:基于统一的时空基准,将传感器 装备到城市生活的各种物体上,通过超级计算机和云 计算实现物联网整合 智慧城市是数字城市与物联网相结合的产物,包含智 慧传感网、智慧控制网和智慧安全网(李德仁2011)
携带北斗接收机的高空探测气 球 电离层与水气探测 海洋风浪与波动检测 气象灾害预警信息及发送系统 未来的掩星大气探测
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五 北斗在智慧城市中的可能应用
动态载体导航与管理需求
38
五 北斗在智慧城市中的可能应用
导航与地理信息用于车载导航
39
五 北斗在智慧城市中的可能应用
抢险救灾
BDS/GPS 短基线模糊度 固定率≈100%
BDS星座 现有性能
BD/GPS差分定位 H:0.81cm U:1.08cm
伪距导航定位 H: 6m U:10m
伪距差分定位 H: 1.5m U: 2.0m
相位差分定位 H: 1.3cm U: 2.0cm
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五 北斗在智慧城市中的可能应用
气象应用
大气、海洋、空间天气监测预 警验证系统
区域导航系统卫星组网状态
共发射16颗卫星
最初的两颗卫星不能正常工作(对外:在轨试验)
基本 初始运 系统 营系统
最终运 营系统
2007
2009
2010
2011
2012
发射时间
26
三 北斗卫星导航系统发展
扩展的区域导航系统
服务区域:南北纬55度,东经55度至 180度(东至斐济群岛、西至阿联酋的迪拜、
15
二 智慧城市的时空观
智慧指挥的空间观
智慧指挥依赖可靠 的地理空间信息
及时处置险情需要 可靠的位置信息和 了解周围关联信息
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二 智慧城市的时空观
突发事件处置的空间观
突发事件处置(洪灾、火 灾...)
反恐维稳快速反应 抗震救灾
和田恐怖事件
北京石景山商场火灾
宁波水灾
云南彝良地震
——虚拟空间信息
——需要位置服务
空 间 关 系 信 息
14
二、 智慧城市的时空观
从智慧城市看位置服务的主要形态
从单纯定位服务为主——与位置相关的信息服务为主
从专业位置服务为主——大众位置服务为主
从少数位置服务模式——多种按需求服务模式
被动服务为主——主动或预设服务为主——位置服务 基础设施 建设智慧城市的位置服务基础设施不是目的,让基础 设施服务于智慧生活才是目的
改进智慧城市服务观念,将提升智慧城市保障效能
41
六 结束语
卫星导航、地理信息是智慧城市建设的重要支撑
解决这些问题需要知道载体的位置 ( Position ) 、载体 的速度(Velocity) 和相应的时间 (Time)!—— PVT, 需要智慧服务、智慧管理系统
9
二、智慧城市的时空观
智慧城市的时间观
北京
Hi,午饭后我们好 好聊聊
纽约 什么时间?
下午1点如何?
好!——落空!
纽约:凌晨2点
北京:下午1点
17
二 智慧城市的时空观
非传统安全的空间观
交通安全
经济安全(金融、电力、能 源…)
18
二 智慧城市的时空观
空间基准不一致可能出现的问题, 魄力可能解决不了这类问题!
19
二、智慧城市对卫星导航系统的需求
智慧城市时空信息总体描述
位置
智 慧 城 市 智慧物联 智慧互联 智能决策 智慧服务
“智慧”来自于信息 ——信息获取、信息处理、信 息的综合利用、智慧决策、管理、服务——基于时 空基准
8
一、 智慧城市概念与建设需求
导航的实际需求(车辆导航)
全国有数十万辆重要物资车辆需要精细管理
重要物资运输监控
重要物资运输的路径选择
特殊时期交通运输调度与指挥 重要交通载体事故如何快速处置
基于位置服务的综合服务、智能服务系统将是多 部门协同管理决策的核心关键基础
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一、 智慧城市概念与建设需求
智慧城市发展需求
智慧城市将大大缩短机构与机构,公众与政府之间 的距离——基于网络服务+位置服务的政府服务 扩展公众信息资源的利用与获取,提高信息流通的 时效性,信息资源的可靠性和现势性——高精度时 间同步 “智慧”一般强调:科学、智能、机敏、快捷
22
三 北斗卫星导航系统发展
北斗试验系统的特点
北斗实验系统服务区域为东经70-140度, 北纬5-55度,定位精度优于20米
23
三 北斗卫星导航系统发展
北斗试验系统的特点(续)
“北斗一号”集定位、授时和报文通信为一体,解 决了“ Who , When ,Where”的相关问题。实现 了位置报告、态势共享。 GPS 和 GLONASS 系统只 解决何时、何地的定位和授时问题 授时精度高。北斗一号”系统的单向授时精度达 100纳秒,双向定时精度达到20纳秒
第三,想象也是智慧城市的重要因素,对智慧经济、 智慧管理、智慧环境、智慧生活的未来憧憬
5
一、 智慧城市概念与建设需求
智慧城市
物联网 + 互联网+ 智慧管理+ 智慧服务
城 市 概 况 人 口 人 文 市 民 分 布 江 河 湖 泊 环 境 资 源 交 通 设 施
气 象 信 息
灾 害 信 息
服 务 设 施
南至新西兰的奥克兰群岛、北至俄罗斯的腾 达)
55° N
55° E
55° S
180° E
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三 北斗卫星导航系统发展
现阶段北斗运控系统
1 个主控站
7 个A类监测站——测定卫星轨道、电离层延迟等
22个B类监测站 ——完好性增强服务
2 个时间同步上行注入站
未来运控系统可能会改善
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34
四 北斗卫星导航系统基本性能
定位测速精度——静态
综合国内多个站点的定位结果,得到B1I频点静态单点 定位精度 水平优于6m
高程优于10m
三维优于11.2m (95%)
35
四 北斗卫星导航系统基本性能
亚太可用率 ≈100% 测距码精度 B1: 11cm B2: 5cm 相位精度 B1: 0.5mm B2: 0.3mm
智慧城市与 北斗卫星导航系统
杨元喜
1
一、 智慧城市概念与建设需求
智慧城市概念
全球50%以上的人口居住在城市 (Dirks et al 2009,
2010)
世界上 10% 的人口生活在 30 个大都市 ( Dobbs et al
2011)
如此多的人口聚集现代大都市——居住拥挤、交通 拥堵、管理困难,甚至导致生活秩序混乱
BDS 运控系统
电离层监测、处 理与预报
完好性监测与预 警
导航电文的上行 注入与发播
32
四 北斗卫星导航系统基本性能
运控系统主要性能目标
轨道精度2m URE 0.2m GEO预报 URE: 1m/2h
M/I 轨道预报 URE: 1m/6h 5m/16h
卫星钟预报 1.4ns/2h 12ns/10h
智慧城市的空间观
Hi,6点在北京见面吧?
在哪儿?—北京?
北纬 39°54’ xx” 东经116°23’ xx”
北三环中路,远望楼西边, 北影南边
这是哪里?—晕!
需要位置、需要引导、 需要参照,需要测绘地 理信息! 导航与测绘密不可分!
13
二、 智慧城市的时空观
物联网需要时空信息
“智慧城市”首先需要“物联网”,然后需要“互 联网”,否则无信息可互换 物联网需要那些核心信息? ——位置、速度、时间 ——周围环境(影像信息) ——地理空间信息 时空信息
40
六 结束语
北斗卫星导航与智慧城市有效集成,将提高建设规划 水平和资源监测、环境监测水平
加强卫星导航、地理信息与智能交通的集成,将提高 城市智能交通管理效率 加大导航、地理信息与其它电子信息系统的集成与融 合,将扩大位置服务领域,带动智慧城市智慧物联网 的应用 统筹导航地理产品集成应用,将提高智慧城市安全运 行(行业融合、信息融合)水平 完善各类导航、地理标准,将提高智慧城市建设规范
执 法 机 构
空 间 数 据 基 础 设 施(测绘与导航)
一、 智慧城市概念与建设需求
政府宏观管理和辅助决策中的位置服务
科学决策和决策科学是政 府执政能力和执政水平的 重要体现 信息化时代,多部门协同 管理和决策是必然趋势 跨部门信息错综复杂,而 时空信息是核心共性要素
南水北调工程
实现分类保障。可划分使用等级范围,具有优先权 调配和能力集成功能
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三 北斗卫星导航系统发展
第二步:扩展的区域导航系统
由14颗卫星组成,体制采取有源 无源相结合,兼容北斗试验系统 的全部功能
5颗GEO,5颗IGSO,4颗MEO 2012年12月27日宣布正式启用
25
三 北斗卫星导航系统发展
北斗运控性能 OCS
电离层改正率 >75%
星历更新 2h
RDSS 反应速度 <1s 120字节
BDC: 1cm BDT: 10E-14
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四 北斗卫星导航系统基本性能
主要服务性能 北 斗 区 域 导 航 基 本 性 能
定位精度:平面10米,高程10米
测速精度:0.2米/秒
授时精度:单向50纳秒 短报文通信服务 广域差分服务
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一、 智慧城市概念与建设需求
智慧城市概念(续)
智慧城市的三大要素(Nam & Pardo 2011稍作修改)
第一,时空基础设施是智慧城市核心要素之一,各系 统通过时空基础设施互连互通、集成、优化,是使 城市变得智能的基础,而不是分散的基础设施 第二,服务观念是提升城市智慧的核心要素之一,智 慧城市的关键之一是转换和改进服务职能,实现智 慧管理和智慧服务,包括位置服务
(甚至是在复杂条
件下)
短报文通信服务
30
三 北斗卫星导航系统发展
系统组成
空间段 地面控制 段
5 颗GEO卫星 30颗Non-GEO卫星 主控站(MCS)
注入站(US)
监测站(MS) 北斗用户终端 兼容终端
31
用户段
四 北斗卫星导航系统基本性能
运控系统主要功能
坐标基准测定与 维持 卫星轨道测定与 预报 增强信息处理 时间基准测定 与维持 卫星及地面时间 同步测定系统 卫星种差测定与 预报 RDSS 信息处理
二 智慧城市的时空观
智慧城市的时间观
独立的时间系统对城市管理非常重要
时间是追究责任的重要指标
时间是犯罪案件侦查和分析的核心要素之一 时间也是安全的重要指标之一,各电网并网发电的 时间同步,电网故障的排查等 智慧的城市应该是基于高度时间统一的信息获取与 管理
12
二、 智慧城市的时空观
三 北斗卫星导航系统发展
第三步:北斗全球卫星导航系统
GEO 卫星
2020年左右 2012年
MEO/IGSO卫星
29
三 北斗卫星导航系统发展
服务和性能(两种全球服务) 免费开放服务 定位精度: 10 m 测速精度: 0.2 m/s 授时精度: 20 ns 广域差分服务,定位 精度: 1 m 授权服务 确保高可靠应用
时间基准不一致可能造成的麻烦!
10
二 智慧城市的时空观
智慧城市的时间观
时间就是金钱,贷款与还贷的时间系统应该统一
智慧城市各银行之间时间相同应该统一
如果时间系统不统一,则存在安全隐患(美国欠中国的 债务每天需还中国利息 7400 万美元, 833 美元 / 秒)
(参考消息2010)
11
速度 时间 通信 监测
20
二、智慧城市对卫星导航系统的需求 北斗定位
智 慧 城 市 80% 以上的信息 与时间和空 间有关,需 要位置、速 度、时间及 地理信息
北斗测速
北斗授时
北斗短报文通信
北斗位置跟踪
北斗卫星导航系统是智慧城市的重要基础设施
21
三 北斗卫星导航系统发展
我国卫星导航的起步 中国自80年代决策,建设独立 自主的卫星导航系统(北斗) 2003年北斗卫星导航试验系统 建成 集导航、定位、授时与短报文 通信于一体 使中国成为全球GNSS核心供应 商之一