北斗“收網(wǎng)”：全球組建速度最快的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

2020年6月23日，西昌衛(wèi)星發(fā)射中心成為萬眾矚目的焦點(diǎn)。

上午9：42，長(zhǎng)征三號(hào)乙運(yùn)載火箭自主供電;9：43火箭正式升空，46分開始助推器分離……10：09星箭分離，10：15經(jīng)西昌衛(wèi)星發(fā)射中心主任張學(xué)宇確認(rèn)，第五十五顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)射圓滿成功。這成為中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的歷史性時(shí)刻。

伴隨這最后一顆靜止軌道衛(wèi)星(GEO)成功上天，北斗三號(hào)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)完成全球組網(wǎng)。自此，一群來自中國(guó)自主研發(fā)的衛(wèi)星得以覆蓋全球信號(hào)源，形成一片“星座”海。得到這個(gè)“果”，我們國(guó)家僅走了二十余年。

提到導(dǎo)航，距離大眾最近的可能就是手機(jī)了。一個(gè)耳熟能詳?shù)膱?chǎng)景是地圖軟件中提示“GPS信號(hào)弱”云云，雖然跟美國(guó)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)GPS撞了名，但實(shí)際上今天應(yīng)用到手機(jī)中的GPS已是“全球定位系統(tǒng)”的簡(jiǎn)稱，是已經(jīng)融合了全球四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)綜合性判斷的產(chǎn)物。

除中國(guó)北斗和美國(guó)GPS之外，全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)核心供應(yīng)商還有歐盟Galileo、俄羅斯GLONASS，基于各自發(fā)展進(jìn)程、部署技術(shù)落點(diǎn)、頻譜資源的差異，而在地球大氣層之外的高空聯(lián)合編制了多層大網(wǎng)，四大系統(tǒng)之間相互兼容，共同為人類提供高精度衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù)。

相比之下，中國(guó)的北斗系統(tǒng)雖然起步較晚，但具有獨(dú)創(chuàng)的中高軌混合星座架構(gòu)，在獲取位置信息外更有獨(dú)有的功能設(shè)置。2019年底的一次會(huì)議中，中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)管理辦公室主任、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)新聞發(fā)言人冉承其表示，“我們建設(shè)的北斗三號(hào)系統(tǒng)，完全是自主創(chuàng)新、自主設(shè)計(jì)、自主建造、自主可控，是響當(dāng)當(dāng)?shù)闹袊?guó)創(chuàng)造產(chǎn)品。”

但這遠(yuǎn)非終點(diǎn)，按照中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航定位協(xié)會(huì)首席科學(xué)家曹沖的總結(jié)，未來十年，衛(wèi)星導(dǎo)航在技術(shù)上依然有軟肋需要克服，而更廣闊的應(yīng)用市場(chǎng)尚被人類的想象力所限制。

全球四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)關(guān)于下一代技術(shù)和服務(wù)的部署早已開啟，并相繼選擇以2035年前后作為新的節(jié)點(diǎn)，期待著進(jìn)一步澤陂寰球。

1、二十六年三步走

早在上世紀(jì)七十年代，我國(guó)曾提出過建立自己的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)——燈塔系統(tǒng)。按照北斗二號(hào)衛(wèi)星系統(tǒng)總指揮李長(zhǎng)江的回憶，由于當(dāng)時(shí)的國(guó)民經(jīng)濟(jì)無力支撐，這一系統(tǒng)最終無奈退出了歷史舞臺(tái)。

在此后一段時(shí)間內(nèi)，中國(guó)在諸多應(yīng)用領(lǐng)域曾一度采用美國(guó)的GPS導(dǎo)航技術(shù)。但這些代表個(gè)人時(shí)間和空間精準(zhǔn)定位的信息管道被掌握在他人之手，并不讓人輕松。其不僅關(guān)乎對(duì)自主安全性的掌控力，也會(huì)在一定歷史階段后面臨可能“被卡脖子”的困境。

關(guān)鍵起點(diǎn)發(fā)生在1994年，主客觀條件相對(duì)成熟后，我國(guó)下定決心啟動(dòng)了北斗一號(hào)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)。

這是一個(gè)從無到有的過程，但訴求也愈發(fā)迫切。就在這一年，美國(guó)GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建成并開始投入應(yīng)用，從歷史節(jié)點(diǎn)來說，他們跑在了相對(duì)前面，也在后續(xù)很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，成為全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中發(fā)展最為成熟者。

對(duì)于建設(shè)初期的中國(guó)北斗來說，從技術(shù)條件到財(cái)力支持，很多都是未知的，但中國(guó)的衛(wèi)星技術(shù)系統(tǒng)已經(jīng)涌現(xiàn)出人才，為接下來北斗系統(tǒng)的獨(dú)特性奠定了基礎(chǔ)。

1985年，中國(guó)科學(xué)院院士、“863計(jì)劃”的倡導(dǎo)者陳芳允剛剛被選為國(guó)際宇航科學(xué)院院士，并提出利用地球同步衛(wèi)星進(jìn)行定位和通信的設(shè)想，也即雙星定位原理系統(tǒng)，又稱“有源定位服務(wù)”的技術(shù)體制，后來成為北斗計(jì)劃的最初理論來源。

這一技術(shù)路線可以讓北斗系統(tǒng)在初期僅用兩顆同步定點(diǎn)衛(wèi)星和地面高程數(shù)據(jù)庫(kù)，就能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)目標(biāo)范圍內(nèi)的定位;除此之外，用戶還能結(jié)合位置發(fā)送短信，并有位置報(bào)告等功能，至今這都是北斗系統(tǒng)獨(dú)有的功能。

不過也有短板，通過有源服務(wù)要實(shí)現(xiàn)定位，需要由終端機(jī)通過衛(wèi)星與地面控制站實(shí)現(xiàn)交互，同時(shí)要地面控制站解決中間算法的問題，這導(dǎo)致接入北斗一號(hào)系統(tǒng)的用戶數(shù)有一定限制。

2000年，我國(guó)首次發(fā)射了屬于自己的2顆地球靜止軌道衛(wèi)星并旋即投入使用，北斗一號(hào)正式開啟部署。也是從那時(shí)起，中國(guó)成為繼美國(guó)、俄羅斯之后，全球第三個(gè)擁有獨(dú)立衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的國(guó)家。

北斗一號(hào)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了主要面向中國(guó)用戶，提供定位、授時(shí)、廣域差分和短報(bào)文通信等服務(wù)，踏穩(wěn)了第一步。

為走向更廣闊的空間、發(fā)揮更大效用，迭代很快來臨。2007年至2012年間，北斗二號(hào)系統(tǒng)先后發(fā)射了16顆衛(wèi)星，形成中國(guó)獨(dú)有的“地球靜止軌道衛(wèi)星(GEO)+傾斜地球軌道衛(wèi)星(IGSO)+中圓地球軌道衛(wèi)星(MEO)”中高軌混合星座架構(gòu)，從精密度、抗遮擋能力、覆蓋范圍等方面為后續(xù)發(fā)展奠定了扎實(shí)基礎(chǔ)。

此外，保留了北斗一號(hào)的技術(shù)體制，增加“無源定位服務(wù)”技術(shù)，開始面向亞太地區(qū)提供相應(yīng)服務(wù)。相比“有源服務(wù)”，“無源”這一技術(shù)體制對(duì)于用戶數(shù)量不再有限制，也是與美國(guó)GPS系統(tǒng)一致的路線。

“北斗二號(hào)的定位就是要跟GPS差不多，要做全球的定位系統(tǒng)。但那時(shí)候一些技術(shù)條件國(guó)內(nèi)還沒有達(dá)到全球最領(lǐng)先的水平，比如原子鐘、全球測(cè)控點(diǎn)等方面，所以北斗二號(hào)的衛(wèi)星軌道定位能力和精度會(huì)面臨挑戰(zhàn)。”在接受21世紀(jì)經(jīng)濟(jì)報(bào)道記者專訪時(shí)，中海達(dá)董事長(zhǎng)廖定海如此總結(jié)道。

自2020年開始，完成30顆衛(wèi)星發(fā)射組網(wǎng)后，北斗三號(hào)系統(tǒng)已全面建成。延續(xù)多年來的技術(shù)路線之外，中國(guó)采用Ka星間鏈路的頻段，這能夠得到更高保密性和通信速率，中國(guó)正式開啟了完善的全球范圍衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用服務(wù)。

北斗星，中國(guó)傳統(tǒng)上用來指引方向的星座矩陣，正以另一種經(jīng)過精密測(cè)算的協(xié)作方式，走進(jìn)萬家燈火，輔助保衛(wèi)家國(guó)。

2、兼容并蓄的全球四大系統(tǒng)

從衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的部署和演進(jìn)速度來看，中國(guó)無疑是最快的，也因部署路線的不同，獨(dú)特性明顯。

“美國(guó)、歐盟和俄羅斯的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)都是以動(dòng)態(tài)衛(wèi)星為主，策略是讓最少數(shù)量的衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)起來，每個(gè)地方保證3顆以上衛(wèi)星。而我們的北斗系統(tǒng)采用了靜止軌道衛(wèi)星+非靜止軌道衛(wèi)星組合的方式，其原理叫做‘后方交匯’。”廖定海分析道，衛(wèi)星分布越分散，衛(wèi)星構(gòu)成的空間立方體體積就越大，對(duì)用戶的定位精度也會(huì)更高。

非靜止軌道衛(wèi)星又分為中圓軌道衛(wèi)星和傾斜地球同步軌道衛(wèi)星，廖定海認(rèn)為，中圓軌道衛(wèi)星的軌道高度一般在2萬千米左右，距離地面較遠(yuǎn)會(huì)導(dǎo)致定位精度表現(xiàn)不甚好，而北斗系統(tǒng)由于有同步軌道衛(wèi)星跟隨，結(jié)合起來相比單純依靠某一類衛(wèi)星的定位精度會(huì)表現(xiàn)更優(yōu)，也即幾何分布因子更好。“所以北斗系統(tǒng)的定位會(huì)比GPS表現(xiàn)更精準(zhǔn)。”他指出。

因此綜合來看，廖定海表示，北斗三號(hào)從高精度定位、頻率和通道數(shù)等各方面性能來說，已經(jīng)不亞于美國(guó)GPS系統(tǒng)，相關(guān)系統(tǒng)的部署和建設(shè)速度也十分迅速。當(dāng)然在北斗系統(tǒng)不斷追趕的這些年，GPS系統(tǒng)也在不斷更新，增加了不少新的衛(wèi)星通道。

國(guó)金證券也在研報(bào)中指出，相比前代，北斗三號(hào)應(yīng)用了更為先進(jìn)的新一代銣原子鐘與全球領(lǐng)先的“星間鏈路”模式，這令北斗三號(hào)將定位精度提升2-3倍，達(dá)到優(yōu)于4米左右的服務(wù)精度;頻率穩(wěn)定度較之前提高了10倍，直接推動(dòng)精度、測(cè)速與授時(shí)提升一個(gè)量級(jí);實(shí)現(xiàn)可靠的自主導(dǎo)航，即使地面站全部失效，北斗系統(tǒng)仍能通過星間鏈路為用戶提供精準(zhǔn)定位與授時(shí)。

該機(jī)構(gòu)認(rèn)為，北斗系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)天地一體化布局，構(gòu)筑起網(wǎng)絡(luò)狀的精準(zhǔn)時(shí)空體系。組網(wǎng)完成后將與國(guó)外導(dǎo)航系統(tǒng)不分伯仲，并具獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

不過，全球四大衛(wèi)星通信系統(tǒng)絕非完全對(duì)立或獨(dú)立的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，這些大國(guó)重器型的技術(shù)實(shí)際上一直屬于競(jìng)合關(guān)系，看起來“割據(jù)一方”的四大系統(tǒng)反而是兼容并蓄的。

這是源于，通信世界的頻譜資源不會(huì)取之不盡，占得時(shí)間先機(jī)者更有優(yōu)勢(shì)。全球四大系統(tǒng)之間掌握的頻譜資源不同，共享是必由之路。

“以前有說法認(rèn)為，將來北斗系統(tǒng)會(huì)替代、打敗GPS系統(tǒng)，全球幾大系統(tǒng)孤立來看是不對(duì)的。”廖定海指出，實(shí)際上對(duì)民用體驗(yàn)來說，全球四大衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)一起使用效果會(huì)最好。

對(duì)于產(chǎn)業(yè)界的公司來說，則是在芯片設(shè)計(jì)層面開放兼容更多功能，包括射頻、基帶、信號(hào)處理和算法等方面，從而可以接收來自四大全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的信息。

“通過這四個(gè)系統(tǒng)可以獲取到來自幾十顆衛(wèi)星的信息，可靠性會(huì)好很多。這也是建立GNSS全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的意義所在。”廖定海續(xù)稱。

3、下一步挑戰(zhàn)

兼容并蓄是一方面，從自身發(fā)展來說，四大系統(tǒng)已經(jīng)“劃定”了接下來的“競(jìng)賽”跑道。

中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航定位協(xié)會(huì)首席科學(xué)家曹沖就指出，“未來十年，衛(wèi)星導(dǎo)航還有什么要做的?簡(jiǎn)單地說，就是要用好、用足北斗，并且將其升級(jí)換代實(shí)現(xiàn)新時(shí)空體系的跨越發(fā)展。”

其中涉及兩個(gè)方面，其一是技術(shù)迭代的深化，其二則是應(yīng)用落地?cái)U(kuò)圍。這成為產(chǎn)業(yè)鏈探索的趨勢(shì)所在。

曹沖解釋道，實(shí)際上衛(wèi)星導(dǎo)航的軟肋依然明顯：日地空間的太陽(yáng)黑子與地磁等地球物理異常擾動(dòng)變化，物理遮擋、屏蔽與多徑和反射，以及有意無意的干擾威脅和擾亂欺騙攻擊，都將會(huì)導(dǎo)致GNSS信號(hào)接收的異常中斷和操縱失敗。

為此，我們國(guó)家已經(jīng)在推動(dòng)大范圍的地基增強(qiáng)系統(tǒng)落地，在此基礎(chǔ)上對(duì)星基增強(qiáng)系統(tǒng)的加速部署也在計(jì)劃表中。

簡(jiǎn)言之，這兩類技術(shù)分別從地面基準(zhǔn)站信號(hào)增強(qiáng)和空中衛(wèi)星間信號(hào)增強(qiáng)著手，全球四大系統(tǒng)其實(shí)都在堅(jiān)定執(zhí)行中。

廖定海告訴21世紀(jì)經(jīng)濟(jì)報(bào)道記者，“除了區(qū)域性增強(qiáng)系統(tǒng)，發(fā)展組合導(dǎo)航技術(shù)將成為衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的又一重要方向。”

具體來說，一方面衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)自身會(huì)不斷發(fā)展，通過升級(jí)核心元件，從而減少功耗、降低成本。中海達(dá)在已推出射頻芯片的基礎(chǔ)上，目前在著手基帶芯片研發(fā)。

另一方面，衛(wèi)星導(dǎo)航和慣性導(dǎo)航技術(shù)可以更深入地結(jié)合。由于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)要接收來自天空的信號(hào)，在信號(hào)中斷的地方無法定位;而慣性導(dǎo)航技術(shù)不受外界影響，可以自主定位;但隨著時(shí)間增長(zhǎng)，慣性導(dǎo)航定位的誤差會(huì)逐漸變大，這又需要衛(wèi)星導(dǎo)航的實(shí)時(shí)定位來消除誤差積累。因此二者的有效融合能解決實(shí)際應(yīng)用中的關(guān)鍵問題。

技術(shù)和應(yīng)用從來相輔相成。正撲面而來的“新基建”浪潮，顯然已對(duì)“北斗+”和“+北斗”打開巨大想象空間。

廖定海就認(rèn)為，5G為北斗系統(tǒng)打開了產(chǎn)業(yè)新生態(tài)，隨著逐步把北斗精準(zhǔn)位置服務(wù)加載上去，前景將非常廣闊。

最近一次北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)大放異彩是在國(guó)家對(duì)珠穆朗瑪峰的第三次登頂測(cè)量工作期間，這是首次用上北斗系統(tǒng)，對(duì)產(chǎn)業(yè)界意義非凡。

而基于北斗三號(hào)的獨(dú)特能力，尤其在突發(fā)災(zāi)害過程中，其重要性尤為凸顯。據(jù)李長(zhǎng)江介紹，2008年汶川地震期間，在網(wǎng)絡(luò)、通訊全斷的情況下，各方力量得以通過北斗的用戶機(jī)來準(zhǔn)確定位，第一時(shí)間反饋災(zāi)區(qū)實(shí)地信息，幫助災(zāi)民脫離危險(xiǎn)。

還有迅速發(fā)展的自動(dòng)駕駛、機(jī)器人、物聯(lián)網(wǎng)等，龐大的應(yīng)用場(chǎng)景在陸續(xù)召喚著“國(guó)之重器”走向我們身邊。

正如曹沖形容，衛(wèi)星導(dǎo)航的應(yīng)用“如此廣泛，乃至無限，其服務(wù)只受到人們想象力的限制，只有想不到，沒有做不到的。”

在不遠(yuǎn)的將來，再提到衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、提到“北斗”，“手機(jī)”不再是唯一代名詞，我們的觸角將可以延伸到無限遠(yuǎn)。【責(zé)任編輯/古飛燕】

來源：21世紀(jì)經(jīng)濟(jì)報(bào)道

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