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专家全面解读北斗三号:不仅服务全球 还能为空间站导航

2020-06-23 21:33 作者: 来源: 本站 浏览: 58次 字号:

摘要: 6月23日9点43分,北斗三号全球卫星导航系统最后一颗组网卫星,在西昌卫星发射中心发射成功。至此,历时2年半左右,中国北斗全球导航系统全面建成。此前,这条北斗之路已经走了26年。6月23日9点43分,北斗三号系统最后一颗组网卫星发射升空。航天科技集团一院供...

6月23日9点43分,北斗三号全球卫星导航系统最后一颗组网卫星,在西昌卫星发射中心发射成功。至此,历时2年半左右,中国北斗全球导航系统全面建成。此前,这条北斗之路已经走了26年。

6月23日9点43分,北斗三号系统最后一颗组网卫星发射升空。

航天科技集团一院供图

在全球四大导航系统(美国GPS、俄罗斯格洛纳斯、欧洲伽利略、中国北斗)中,中国北斗系统起步最晚,却“后来居上”超越俄欧,与GPS同为目前最先进、完备的导航系统。

中国卫星导航定位协会副秘书长王博认为,北斗三号系统短时间内建成,堪称世界航天壮举。未来不仅能为全球各个角落提供定位导航和授时服务,还能为临近空间航天器定位和导航。

当前,中美在高科技领域有一些摩擦,王博认为,北斗卫星核心器件全部实现国产化,不会受到“卡脖子”影响,而且北斗与GPS已经签署信号兼容和互操作的协议,通过合作为全球用户提供更好的服务。

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中国卫星导航定位协会副秘书长王博。摄影/新京报记者周博华

北斗对国计民生和国防安全有战略意义

新京报:

北斗三号全球卫星导航系统建成之后,会为日常生活带来什么样的变化?

王博:卫星导航系统可能是与日常生活结合得最紧密的航天工程。我们会经常用软件查询自己的位置和导航,叫外卖、网购等也离不开导航。正是因为有了卫星导航系统,我们才能够非常方便、低成本地获取精确的位置和时间信息,这对于人类生活的改变是非常深刻的。

为什么这么说?因为几乎所有人类活动都离不开两个最基本要素,一是时间,一是空间位置。卫星导航系统恰恰精准提供了这两个最基本的要素。利用卫星和地基增强基站,可以达到厘米级甚至毫米级的定位精度,以及纳秒级的授时精度。而这一切,只需要用一个非常低廉的终端,北斗或者GPS芯片不到10元人民币。

新京报:

美国GPS系统比较早就建成了,为什么我们已经用上了GPS,还要再建设中国自己的卫星导航系统?

王博:这个问题非常关键,不仅美国有GPS,俄罗斯也有格洛纳斯系统,这两套系统上世纪70年代就开始试验和建设, 90年代基本建成。为什么我们还要建设自己的导航系统?一个很重要的原因是,在国计民生很多重要行业里面,都要用到时空基准。

我们一直强调一个概念,叫做时空基准。举一个简单的例子,比如电网就需要非常精准的时间基准,交流电本身每一秒都在变换,我国用的是50赫兹交流电,每秒钟要变换50次。要让发出的电上到电网,就要求频率非常准,准确的频率需要精准的时间,时间不准,整个电网的调度将无从谈起。

再比如通信,尤其在5G时代,基站与卫星定位结合得比原来更加紧密。所有通信都有一个时间戳的概念,时间不准,我们发送和接收数据就没有基准了,通信系统也会瘫痪。还有金融系统,每一秒都有很多金融交易发生,每一笔交易到底在哪一个时间完成?要把一秒钟分成几百万份,不可能再用普通电子表计时,就需要卫星导航系统的精准授时功能。

所以,有了GPS、格洛纳斯以后,仍然要坚持做自己的北斗系统,这是北斗的战略意义。对于国防安全来说,北斗也尤为重要,在保卫国家安全的时候,很多武器装备的制导、导航都离不开卫星。

西昌卫星发射中心,北斗三号最后一颗组网卫星包裹在火箭整流罩中。航天科技集团一院供图

在城市环境、中低纬度地区北斗效果比GPS更好

新京报:

当我们想知道自己的位置时,北斗是怎样通过几颗卫星合作来提供定位的?

王博:原理上,卫星导航系统至少需要4颗卫星才能给出准确的位置和时间信息,不管用哪个系统的卫星。但有时,如果你在高大建筑物旁边,可能会遮挡若干颗卫星信号,性能就不够好,定位精度就不够高。所以大家发现,在某些高大建筑物旁边,或者在屋子里,定位误差会比较大。

但如果卫星数量特别多,这几颗星定位效果不好,还可以用其他卫星弥补。因为接收机在定位的时候,有一个工作是根据卫星几何分布的特点,选择最适合定位的卫星。所以卫星数目越多,定位的效果一定会更好。

新京报:

北斗建设晚于GPS,一般起步晚的反而起点更高,北斗有什么特色功能和优势?

王博:北斗的特色是非常明显的。第一个就是轨道设计。30颗卫星分成三个轨道面,其中两个是高轨,定位时比低轨卫星效果要好一些,尤其在中低纬度地区,北斗定位效果是优于GPS的。

城市环境由很多高大建筑物遮挡,卫星轨道越高受到遮挡的可能性就越小,所以北斗在城市环境中定位效果也会比GPS更好。

北斗信号方面也有优势,是目前唯一能使用三频型号的卫星导航系统,现在GPS也在进行三频的改造。信号频率数越多,误差就更小,定位精度会高。

北斗二号提供亚太地区服务至今近8年时间,北斗应用层出不穷,很多应用是原来GPS时代从来没有想到过的。中国庞大的市场,以及科技工作者和应用技术人员利用聪明和智慧,催生很多以前想象不到的应用,这其实也是北斗的一大特色。

GPS曾一家独大挤压北斗“存在感”

新京报:

北斗已经广泛应用在生活生产一些领域,但提到卫星导航,大家第一个还是想到GPS,怎么理解这个现象?为什么北斗的“存在感”还是挺弱的?

王博:这有一个惯性的原因,因为大家之前用GPS用惯了,GPS几乎成了卫星导航的代名词。

上世纪90年代,可能还有格洛纳斯与GPS形成竞争关系,但由于一些历史原因,格洛纳斯并不像GPS发展得这么好,几乎整个市场只有GPS一家独大。我们国家在那个阶段已经培养了很多GPS用户,当北斗发展到一定程度的时候,大部分市场已经被GPS占据。

最开始的时候,我们的智能手机是没有北斗芯片的。也就是近几年,北斗芯片才逐渐成为智能手机的标配,但是之前很多软件和硬件已经适应了GPS,比如地图软件会提示你“GPS信号弱”,而不是“卫星导航信号弱”,这是留存下来的惯性。而且GPS这个名称本来就是“全球定位系统”的缩写,所以我们讲全球定位系统的时候,自然而然就会说GPS。

所以说北斗在这些方面还是任重而道远,必须要让老百姓、用户知道,现在用到的定位导航不仅是GPS,还有很大一部分是我们的北斗。

新京报:

北斗和GPS这两个全球导航系统是现在最先进的,而且卫星数量越多的时候功能越好,如果这两个系统能合作,一定会有很好的效果。之前,北斗和GPS启动了信号兼容和互操作的工作,未来这两个系统是什么样的合作关系,会不会产生一定的竞争?

王博:实际使用时,并不会区分到底用的是GPS还是北斗,我们希望看到的是最终定位效果。所以,对于老百姓的日常使用而言,其实北斗和GPS完全是一个合作关系,共同来提升定位精度。但是我们还要注意一点,就是在某些领域,必须要使用我们自主可控的时空基准,比如说最开始提到的国计民生、国防安全这些领域。

新京报:

最近一两年,美国在一些高端前沿科技领域对中国有一些限制措施,会不会对北斗未来的国际化产生影响?

王博:对北斗的国际化我觉得可能会有一定的影响,但我们要看到积极的一点,就是北斗卫星的核心器件全部都是国产的。

对北斗卫星来说,不存在所谓的“卡脖子”。但是在具体应用时,我们可能要注意,比如手机,不单纯使用北斗芯片,还有其他很多功能,如果其他一些功能受到“卡脖子”压制,北斗在这些手机上进行推广肯定也会存在一定的难度。

我们还要看到,随着我国国际影响力不断扩大,尤其是加入“一带一路”倡议的国家越来越多,北斗在今后推广时也有优势,因为对于民用用户来说,多一个卫星系统就越精确,何乐而不为?随着“一带一路”建设,北斗在很多地方尤其是一些基础设施建设里,得到了广泛的应用。

北斗三号卫星在轨运行效果图。航天科技集团五院

供图

北斗芯片价格降低不再制约北斗系统推广

新京报:

在北斗发展之初,因为北斗芯片价格比较高,一定程度上制约了北斗的推广,现在芯片发展得怎么样?

王博:芯片到了比较成熟的阶段,北斗刚起步时芯片很贵,一个可能要几百甚至上千,极大地阻碍了北斗的推广。但现在北斗芯片和北斗、GPS双模芯片,与普通芯片成本是一样的。基本上所有导航芯片都支持GPS和北斗双模定位,有的甚至是多模,还兼容格洛纳斯、伽利略。我们自然会选择采用双模定位的芯片,可以得到更好的精度和更高的可靠性。

新京报:

就是说除了前端的卫星发射,其实在北斗系统后端的应用和产业也已经很成熟了?

王博:北斗非常得益于中国的庞大市场,各个应用遍地开花。刚才介绍的这些应用,可能概念并不是中国提出的,但做得最好的一定是在中国,因为中国用户量很大,而且中国有很多电子元器件、电子产品设计和开发厂家,能够最快速地将这些方案落地,形成产品。

两年半迅速完成组网堪称世界航天壮举

新京报:

北斗三号第一颗卫星是2017年11月初发射的,两年半多就能建成这么大规模的星座网络,是怎么做到的?

王博:这是我国航天史上的一个壮举,在如此短时间内密集发射,成功率百分之百,在国际上也可以称之为壮举。我觉得原因有多方面,比如卫星制造,我们有前期很多颗卫星的技术积累,可以非常快速高效地制造卫星。还有发射北斗卫星的长三甲系列火箭,已经经历了100多次发射,也是能够支撑如此高密度、高成功率发射的重要基础。

新京报:

30颗卫星如何分布在地球轨道上?相互之间通过怎样的合作准确进行定位和授时?

王博:北斗三号的轨道设计也是独创,GPS、格洛纳斯和欧盟正在建设的伽利略卫星导航系统,轨道都不如北斗复杂。北斗三号分布在三个轨道面,第一个轨道面是与GPS和格洛纳斯相同的MEO轨道,也就是地球中圆轨道,离地面比较近,一共24颗卫星;第二个轨道面是倾斜地球同步轨道IGSO,有3颗卫星;第三个轨道面是地球静止轨道GEO,也有三颗卫星。

每个轨道面的卫星都有得天独厚的优势,比较特别的是,IGSO和GEO卫星除了提供定位、导航和授时服务,还有一个非常重要和独特的功能,就是短报文通信。

短报文通信是北斗系统的重要优势,这是GPS、格洛纳斯都不具备的。日常应用中,导航和通信很多时候同时需要,比如如果知道自己的位置,又想告诉别人我在哪里,或者希望看一看别人在哪里,没有通信功能就无从谈起。在有手机信号覆盖的环境里好办,可以利用移动通信网络,但在大量没有手机信号的地区,就必须要依靠卫星通信。一般卫星通信比较昂贵,北斗短报文则成本低廉,消息简短,在很多应急救援、远洋渔业等应用中,利用北斗短报文就非常方便。

新京报:

可以设想一个场景,渔船在海上遇到风暴之后失去联系了,就可以通过北斗终端发送短信,告诉别人现在是什么状况。

王博:对,北斗三号建成以后,原来的区域短报文扩展到全球短报文,在全球任何地方都可以利用北斗来通信。

北斗三号可以覆盖临近空间为空间站定位导航

新京报:

北斗三号称为全球导航系统,是不是意味着以后全球各个角落都可以用上北斗系统?

王博:不仅仅是全球各个角落,包括临近空间、地球静止轨道空间,都可以接收北斗信号。现在很多航天器也都装有卫星定位接收机,可以接收GPS和北斗信号,航天器就可以知道自己的位置在哪里,姿态如何等。所以北斗系统不仅是覆盖我们的地球,也覆盖了地球之外的这些空间。

新京报:

甚至以后也可能会为空间站导航?

王博:是的。

新京报:

到今天,北斗三号星座建设全面完成,但全面提供更优质的服务可能还需要一段时间,还有哪些具体工作?

王博:对于卫星导航系统而言,对精度和可靠性的追求一直存在。现在北斗系统能够定位5-10米精度,后续还希望精度更高一些。其实地基增强系统在全国已经非常普遍,能够使定位精度达到厘米级甚至毫米级。

以后还会建设一些星基增强系统,通过低轨卫星对卫星导航系统进行增强。而且我们也希望在各个空间,包括海陆空和水下,都能够用到更精准的导航定位,可以以北斗为核心带动传感器的发展,来实现这样的效果。