北斗走向全球导航舞台中央北斗应用:向更广阔领域深入拓展防灾减灾:十省市推广北斗示范中国“北斗”为世界导航

Space Exploration - - CONTENTS - 文/ 钱航 吴桐

9 月 19日,北斗卫星导航系统第37、38颗卫星,暨北斗全球卫星导航系统(北斗三号工程)第13、14 颗卫星顺利发射升空。

今年是北斗卫星高密度发射之年。与此同时,我国自主研制和建设的北斗卫星导航系统也进入了发展的新阶段:系统性能、卫星寿命、服务精度大幅提升,提供服务的地区范围更广,进一步向全球卫星导航系统这个角色靠近。

上世纪80年代初,中国开始积极探索适合本国国情的卫星导航系统。2000年,初步建成北斗卫星导航试验系统(“北斗一号”有源区域卫星导航系统,简称“北斗一号”系统,也有称为“北斗一代”系统的),这标志着中国成为继美国、俄罗斯之后世界上第三个拥有自主卫星导航系统的

国家。

2012 年 12 月 27日,中国宣布北斗卫星导航区域系统(“北斗二号”无源区域卫星导航系统,简称“北斗二号”系统)从当日起正式提供区域服务。

2017 年 11 月5日 19 时 45分,在西昌卫星发射中心,长征三号乙运载火箭以“一箭双星”方式成功发射两颗北斗导航卫星。这两颗卫星属于中圆地球轨道卫星,是北斗三号第一、二颗组网卫星。这两颗卫星的成功入轨,标志着北斗卫星导航系统全球组网开始,其定位精度提升 1 ~ 2倍,将为民用用户免费提供约10米精度的定位服务。北斗系统开始以全球卫星导航系统的姿态走向服务全球的道路。

北斗一号

北斗一号的2颗工作卫星和1颗在轨备份卫星分别于2000年10月31日、12月21日和2003年5月25日成功发射,这标志着北斗一号系统正式建成。

北斗一号系统有三大功能:一是快速定位,精度为20米~ 100米;二是从开机到定位只需要0.7 秒~ 2秒,实现每次120个汉字以内的短消息通信;三是实现双向20纳秒、单向100 纳秒的高精度授时。

值得一提的是,北斗一号的短消息通讯系统是非常有特色的。“北斗一号”用户机之间的通信不需要借助其他系统,其通信是通过卫星和中心站转发的,可机密级加密,一户一密,安全性高,而且不受用户机之间的高山阻隔或距离的影响,通信速度快。这些是目前应用最为成功的地方,也是优于美国GPS的最重要功能。

GPS只解决了“我在哪里”的定位问题,只具备接收功能,而北斗解决了“你在这里、他在哪里”的问题,还具备了短讯功能。

北斗一号的局限性主要是受技术与规模的限制,服务区域和容量有限,定 位精度有待提高,不具备测速功能,需要发射信号时只能为时速低于1000 公里的用户提供定位服务等。

北斗二号

北斗二号分为区域系统和全球系统。前者已于2012年全部建成,服务区内的性能与美国GPS、俄罗斯 GLONASS相当,并独具短消息通信功能。其核心地区为我国及周边,经纬度为东经75°~135°,北纬10°~ 55°,定位精度为水平10米,测速精度为0.1 米 /秒~ 0.2 米 /秒,授时精度为单向50纳秒,双向10纳秒。重点地区为东经55°~ 180°,南北纬55°。

北斗二号区域系统的地面运行控制系统是由1个主控站、2个时间同步/注入站和近30个监测站组成,其用户在服务区内任何地方、任何时间都可观测到4颗以上的卫星,保留了“北斗一号”系统的报文通信功能。

北斗二号区域系统的特点有3个:一是采取与GPS相同的单程无源测距,用户设备可无源工作,没有用户容量的限制;二是在高动态应用方面与GPS完全一致;三是兼容保留北斗一号所有功 能并提升其系统抗干扰性能。

北斗三号

北斗三号系统建设是我国北斗系统“三步走”发展战略的第三步。相比北斗二号系统,北斗三号系统不仅是卫星组网从区域走向全球,同时技术更先进、建设规模更大、系统性更强。

北斗三号卫星将增加性能更优的互操作信号,在进一步提高基本导航服务能力的基础上,按照国际标准提供星基增强服务及搜索救援服务。此外,北斗三号还采用了星载氢原子钟,其精度将比北斗二号的星载铷原子钟提高一个数量级。

如同停水停电会影响城市居民的生活一样,卫星导航服务一旦失效,不仅国家的经济运行要受到极大的影响,人们的生活也会有很大的不便,这给卫星导航系统的可靠性提出了苛刻的要求。总体而言,北斗三号具备高精度、高可靠、高保险、多功能等特点。

——高精度。在北斗二号性能的基础上,北斗三号在设计之初,就把目标放在尚未发射的第三代GPS导航卫星以及欧洲伽利略导航系统的设计指标上。

北斗三号全球导航系统的定位精度将大幅提升,能达到2.5 米~ 5米的水平,建成后的北斗全球导航系统将为民用用户免费提供约10米精度的定位服务和0.2米/秒的测速服务,并且将为付费用户提供更高精度等级的服务,卫星设计寿命达10年以上。

随着北斗地基增强系统提供初始服务,北斗三号可提供米级、亚米级、分米级,甚至厘米级的服务。届时,中国北斗的精度将与美国GPS相媲美。

——高可靠。北斗是一个系统工程,用户每一次享受到北斗系统的服务,都必须保证有至少4颗卫星提供服务。与此同时,北斗又是一个全球覆盖的系统,至少需要有20余颗卫星同时提供稳定服务,这一特点决定了北斗系统对质量可靠性要求比单星更高,对产品可靠性的要求更苛刻。

此外,北斗还是一个固有属性要求必须连续运行的系统,信号不能中断,系统必须连续、稳定、完好、可靠。

——高保险。北斗卫星全球导航系统作为一个大型系统工程,采用多重可靠性“加固”措施,可最大限度地增强系统的保险系数。比如,系统建成后运行卫星数量大于服务必需卫星数。

同时,北斗三号卫星还采用了软件冗余、故障自我诊断、故障自我修复等多项措施,保证系统可靠性,大大提升用户的体验。

北斗未来

北斗的未来势必要走一条融合式发展的道路,实现“北斗地基增强网+高 精度位置服务网+宽带移动互联网”。

随着北斗三号的全球组网建设加速,乃至最后完成全球组网,会有更多国家、更多用户使用北斗系统,这将进一步拉动北斗应用推广与产业化进程,带动北斗走出国门,走向世界。

目前,北斗导航型芯片模块销量已突破 3000万片,高精度板卡和天线销量已占据国内市场30%和90%的市场份额,并输出到70余个国家和地区,其中“一带一路”沿线国家和地区30余个。而应用于智能手机和其他消费类产品的国产芯片或IP核数量接近2200万。

同时,北斗系统还在和互联网、大数据、云计算等技术融合发展,实现“北斗地基增强网+高精度位置服务网+宽带移动互联网”互联互通、“北斗系统+高精度遥感数字地图+导航网格码+云计算平台”融合发展,以及“北斗导航+无线局域网+移动通信+卫星通信”等一体化芯片研发。

北斗星座

北斗高精度服务方面也是可圈可点,在国家北斗地基增强系统基础上,面向大众、触手可及、随需而用的公共服务正在不断开发和提供。北斗系统增强系统包括地基增强系统与星基增强系统。

北斗地基增强系统是北斗卫星导航系统的重要组成部分,按照“统一规划、统一标准、共建共享”的原则,整合国内地基增强资源,建立以北斗为主、兼容其他卫星导航系统的高精度卫星导航服务体系。

利用北斗/GNSS(全球导航卫星系统)高精度接收机,通过地面基准站网,利用卫星、移动通信、数字广播等播发手段,可在服务区域内提供1米~ 2米、分米级和厘米级实时高精度导航定位服务。

全球导航卫星系统建设分两个阶段实施:一期为2014 年- 2016年年底,主要完成框架网基准站、区域加强密度网基准站、国家数据综合处理系统,以及国土资源、交通运输、中科院、地震、气象、测绘地理信息等6个行业数据处理中心等建设任务,建成基本系统,在全国范围提供基本服务;二期为2017年- 2018年年底,主要完成区域加强密度网基准站的补充建设,进一步提升系统服务性能和运行连续性、稳定性、可靠性,具备全面服务能力。

北斗星基增强系统是北斗卫星导航系统的重要组成部分,它通过地球静止轨道卫星搭载卫星导航增强信号转发器,可以向用户播发星历误差、卫星钟差、电离层延迟等多种修正信息,实现对于原有卫星导航系统定位精度的改进。按照国际民航标准,开展北斗星基增强系统设计、试验与建设,目前已完成系统实施方案论证,固化了系统在下一代双频多星座(DFMC)SBAS标准中的技术状态,进一步巩固了BDSBAS(北斗星基增强系统)作为星基增强服务供应商的地位。

通过北斗高精度,手机定位可以实现1米的定位精度,特别是在卫星信号观测环境较差、短时间完全遮挡的情况下,手机终端通过高精度定位解决方案中的增强定位服务,可解决手机用户在高架下、隧道、车库等情况下无法定位的问题。

在共享单车的应用方面,北斗高精度定位可以实现共享单车1米精度的定位,大大减少定位误差,方便用户找车。

此外,北斗高精度还能提供电子围栏,利用厘米级精度定位进行测量划定,支持后台对高精度定位的共享单车是否停放到规定区域做出判断,方便引导规范停车,减少城市管理成本。

北斗卫星导航系统总设计师、中国宇航学会副理事长杨长风今年5月 27日透露,为配合建设以北斗为核心、基准统一、覆盖无缝、安全可信、高效便捷的国家综合PNT(定位、导航、授时)体系,到2035年,中国将完成下一代北斗系统星座组网,提供体系化的PNT服务。中国国家综合PNT体系建设重点可概括为“5+1+N”,“5”是指 5 大基础设施,包括重点推进下一代北斗卫星导航系统、积极发展低轨导航增强系统、按需发展水下导航系统、大力发展 惯性导航系统、积极探索脉冲星导航系统;“1”是实现1个融合发展,即加快推进北斗与以5G移动通信为代表的网络信息体系的深度融合;“N”主要是突破一系列新兴技术,包括超稳芯片级原子钟、仿生导航技术等。到2035年,完成下一代北斗系统星座组网,建成时空信息服务的备份增强系统,部署多源融合高可信的PNT终端,完成室内、水下、太空等特殊区域的PNT技术试验应用,完成国家综合PNT体系建设,提供体系化的PNT服务。

日益走近全球导航舞台中央,北斗将成为像水、电、气一样触手可及、随需而用的公共服务产品。北斗为我们生活带来便利的同时,也在推动科技发展;在服务中国的同时,也在服务“一带一路”沿线乃至全球国家和地区,是“中国方案”的最佳践行者。

北斗导航原理

北斗星座

Newspapers in Chinese (Simplified)

Newspapers from China

© PressReader. All rights reserved.