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專家全面解讀北斗三號:不僅服務全球 還能為空間站導航
華夏經緯網   2020-06-24 09:21:08   
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  新京報訊(記者 倪偉)6月23日9點43分,北斗三號全球衛星導航系統最後一顆組網衛星,在西昌衛星發射中心發射成功。至此,歷時2年半左右,中國北斗全球導航系統全面建成。此前,這條北斗之路已經走了26年。

  6月23日9點43分,北斗三號系統最後一顆組網衛星發射升空。航太科技集團一院供圖

  在全球四大導航系統(美國GPS、俄羅斯格洛納斯、歐洲伽利略、中國北斗)中,中國北斗系統起步最晚,卻“後來居上”超越俄歐,與GPS同為目前最先進、完備的導航系統。

  中國衛星導航定位協會副秘書長王博認為,北斗三號系統短時間內建成,堪稱世界航太壯舉。未來不僅能為全球各個角落提供定位導航和授時服務,還能為臨近空間航太器定位和導航。

  當前,中美在高科技領域有一些摩擦,王博認為,北斗衛星核心器件全部實現國產化,不會受到“卡脖子”影響,而且北斗與GPS已經簽署信號相容和互操作的協議,通過合作為全球用戶提供更好的服務。

  完美收官!北斗三號全球衛星導航系統星座部署完成

  北斗是個啥?七個問題看懂北斗全球導航系統

  北斗對國計民生和國防安全有戰略意義

  新京報:北斗三號全球衛星導航系統建成之後,會為日常生活帶來什麼樣的變化?

  王博:衛星導航系統可能是與日常生活結合得最緊密的航太工程。我們會經常用軟體查詢自己的位置和導航,叫外賣、網購等也離不開導航。正是因為有了衛星導航系統,我們才能夠非常方便、低成本地獲取精確的位置和時間資訊,這對於人類生活的改變是非常深刻的。

  為什麼這麼說?因為幾乎所有人類活動都離不開兩個最基本要素,一是時間,一是空間位置。衛星導航系統恰恰精準提供了這兩個最基本的要素。利用衛星和地基增強基站,可以達到釐米級甚至毫米級的定位精度,以及納秒級的授時精度。而這一切,只需要用一個非常低廉的終端,北斗或者GPS晶片不到10元人民幣。

  新京報:美國GPS系統比較早就建成了,為什麼我們已經用上了GPS,還要再建設中國自己的衛星導航系統?

  王博:這個問題非常關鍵,不僅美國有GPS,俄羅斯也有格洛納斯系統,這兩套系統上世紀70年代就開始試驗和建設, 90年代基本建成。為什麼我們還要建設自己的導航系統?一個很重要的原因是,在國計民生很多重要行業堶情A都要用到時空基準。

  我們一直強調一個概念,叫做時空基準。舉一個簡單的例子,比如電網就需要非常精準的時間基準,交流電本身每一秒都在變換,我國用的是50赫茲交流電,每秒鐘要變換50次。要讓發出的電上到電網,就要求頻率非常準,準確的頻率需要精準的時間,時間不準,整個電網的調度將無從談起。

  再比如通信,尤其在5G時代,基站與衛星定位結合得比原來更加緊密。所有通信都有一個時間戳的概念,時間不準,我們發送和接收數據就沒有基準了,通信系統也會癱瘓。還有金融系統,每一秒都有很多金融交易發生,每一筆交易到底在哪一個時間完成?要把一秒鐘分成幾百萬份,不可能再用普通電子錶計時,就需要衛星導航系統的精準授時功能。

  所以,有了GPS、格洛納斯以後,仍然要堅持做自己的北斗系統,這是北斗的戰略意義。對於國防安全來說,北斗也尤為重要,在保衛國家安全的時候,很多武器裝備的制導、導航都離不開衛星。

  西昌衛星發射中心,北斗三號最後一顆組網衛星包裹在火箭整流罩中。航太科技集團一院供圖

  在城市環境、中低緯度地區 北斗效果比GPS更好

  新京報:當我們想知道自己的位置時,北斗是怎樣通過幾顆衛星合作來提供定位的?

  王博:原理上,衛星導航系統至少需要4顆衛星才能給出準確的位置和時間資訊,不管用哪個系統的衛星。但有時,如果你在高大建築物旁邊,可能會遮擋若干顆衛星信號,性能就不夠好,定位精度就不夠高。所以大家發現,在某些高大建築物旁邊,或者在屋子堙A定位誤差會比較大。

  但如果衛星數量特別多,這幾顆星定位效果不好,還可以用其他衛星彌補。因為接收機在定位的時候,有一個工作是根據衛星幾何分佈的特點,選擇最適合定位的衛星。所以衛星數目越多,定位的效果一定會更好。

  新京報:北斗建設晚于GPS,一般起步晚的反而起點更高,北斗有什麼特色功能和優勢?

  王博:北斗的特色是非常明顯的。第一個就是軌道設計。30顆衛星分成三個軌道面,其中兩個是高軌,定位時比低軌衛星效果要好一些,尤其在中低緯度地區,北斗定位效果是優於GPS的。

  城市環境由很多高大建築物遮擋,衛星軌道越高受到遮擋的可能性就越小,所以北斗在城市環境中定位效果也會比GPS更好。

  北斗信號方面也有優勢,是目前唯一能使用三頻型號的衛星導航系統,現在GPS也在進行三頻的改造。信號頻率數越多,誤差就更小,定位精度會高。

  北斗二號提供亞太地區服務至今近8年時間,北斗應用層出不窮,很多應用是原來GPS時代從來沒有想到過的。中國龐大的市場,以及科技工作者和應用技術人員利用聰明和智慧,催生很多以前想像不到的應用,這其實也是北斗的一大特色。

  GPS曾一家獨大 擠壓北斗“存在感”

  新京報:北斗已經廣泛應用在生活生產一些領域,但提到衛星導航,大家第一個還是想到GPS,怎麼理解這個現象?為什麼北斗的“存在感”還是挺弱的?

  王博:這有一個慣性的原因,因為大家之前用GPS用慣了,GPS幾乎成了衛星導航的代名詞。

  上世紀90年代,可能還有格洛納斯與GPS形成競爭關係,但由於一些歷史原因,格洛納斯並不像GPS發展得這麼好,幾乎整個市場只有GPS一家獨大。我們國家在那個階段已經培養了很多GPS用戶,當北斗發展到一定程度的時候,大部分市場已經被GPS佔據。

  最開始的時候,我們的智慧手機是沒有北斗晶片的。也就是近幾年,北斗晶片才逐漸成為智慧手機的標配,但是之前很多軟體和硬體已經適應了GPS,比如地圖軟體會提示你“GPS信號弱”,而不是“衛星導航信號弱”,這是留存下來的慣性。而且GPS這個名稱本來就是“全球定位系統”的縮寫,所以我們講全球定位系統的時候,自然而然就會說GPS。

  所以說北斗在這些方面還是任重而道遠,必須要讓老百姓、用戶知道,現在用到的定位導航不僅是GPS,還有很大一部分是我們的北斗。

  新京報:北斗和GPS這兩個全球導航系統是現在最先進的,而且衛星數量越多的時候功能越好,如果這兩個系統能合作,一定會有很好的效果。之前,北斗和GPS啟動了信號相容和互操作的工作,未來這兩個系統是什麼樣的合作關係,會不會產生一定的競爭?

  王博:實際使用時,並不會區分到底用的是GPS還是北斗,我們希望看到的是最終定位效果。所以,對於老百姓的日常使用而言,其實北斗和GPS完全是一個合作關係,共同來提升定位精度。但是我們還要注意一點,就是在某些領域,必須要使用我們自主可控的時空基準,比如說最開始提到的國計民生、國防安全這些領域。

  新京報:最近一兩年,美國在一些高端前沿科技領域對中國有一些限制措施,會不會對北斗未來的國際化產生影響?

  王博:對北斗的國際化我覺得可能會有一定的影響,但我們要看到積極的一點,就是北斗衛星的核心器件全部都是國產的。

  對北斗衛星來說,不存在所謂的“卡脖子”。但是在具體應用時,我們可能要注意,比如手機,不單純使用北斗晶片,還有其他很多功能,如果其他一些功能受到“卡脖子”壓制,北斗在這些手機上進行推廣肯定也會存在一定的難度。

  我們還要看到,隨著我國國際影響力不斷擴大,尤其是加入“一帶一路”倡議的國家越來越多,北斗在今後推廣時也有優勢,因為對於民用用戶來說,多一個衛星系統就越精確,何樂而不為?隨著“一帶一路”建設,北斗在很多地方尤其是一些基礎設施建設堙A得到了廣泛的應用。

  北斗三號衛星在軌運行效果圖。航太科技集團五院供圖

  北斗晶片價格降低 不再制約北斗系統推廣

  新京報:在北斗發展之初,因為北斗晶片價格比較高,一定程度上制約了北斗的推廣,現在晶片發展得怎麼樣?

  王博:晶片到了比較成熟的階段,北斗剛起步時晶片很貴,一個可能要幾百甚至上千,極大地阻礙了北斗的推廣。但現在北斗晶片和北斗、GPS雙模晶片,與普通晶片成本是一樣的。基本上所有導航晶片都支援GPS和北斗雙模定位,有的甚至是多模,還相容格洛納斯、伽利略。我們自然會選擇採用雙模定位的晶片,可以得到更好的精度和更高的可靠性。

  新京報:就是說除了前端的衛星發射,其實在北斗系統後端的應用和產業也已經很成熟了?

  王博:北斗非常得益於中國的龐大市場,各個應用遍地開花。剛才介紹的這些應用,可能概念並不是中國提出的,但做得最好的一定是在中國,因為中國用戶量很大,而且中國有很多電子元器件、電子產品設計和開發廠家,能夠最快速地將這些方案落地,形成產品。

  兩年半迅速完成組網 堪稱世界航太壯舉

  新京報:北斗三號第一顆衛星是2017年11月初發射的,兩年半多就能建成這麼大規模的星座網路,是怎麼做到的?

  王博:這是我國航太史上的一個壯舉,在如此短時間內密集發射,成功率百分之百,在國際上也可以稱之為壯舉。我覺得原因有多方面,比如衛星製造,我們有前期很多顆衛星的技術積累,可以非常快速高效地製造衛星。還有發射北斗衛星的長三甲系列火箭,已經經歷了100多次發射,也是能夠支撐如此高密度、高成功率發射的重要基礎。

  新京報:30顆衛星如何分佈在地球軌道上?相互之間通過怎樣的合作準確進行定位和授時?

  王博:北斗三號的軌道設計也是獨創,GPS、格洛納斯和歐盟正在建設的伽利略衛星導航系統,軌道都不如北斗複雜。北斗三號分佈在三個軌道面,第一個軌道面是與GPS和格洛納斯相同的MEO軌道,也就是地球中圓軌道,離地面比較近,一共24顆衛星;第二個軌道面是傾斜地球同步軌道IGSO,有3顆衛星;第三個軌道面是地球靜止軌道GEO,也有三顆衛星。

  每個軌道面的衛星都有得天獨厚的優勢,比較特別的是,IGSO和GEO衛星除了提供定位、導航和授時服務,還有一個非常重要和獨特的功能,就是短報文通信。

  短報文通信是北斗系統的重要優勢,這是GPS、格洛納斯都不具備的。日常應用中,導航和通信很多時候同時需要,比如如果知道自己的位置,又想告訴別人我在哪,或者希望看一看別人在哪,沒有通信功能就無從談起。在有手機信號覆蓋的環境埵n辦,可以利用行動通訊網路,但在大量沒有手機信號的地區,就必須要依靠衛星通信。一般衛星通信比較昂貴,北斗短報文則成本低廉,消息簡短,在很多應急救援、遠洋漁業等應用中,利用北斗短報文就非常方便。

  新京報:可以設想一個場景,漁船在海上遇到風暴之後失去聯繫了,就可以通過北斗終端發送短信,告訴別人現在是什麼狀況。

  王博:對,北斗三號建成以後,原來的區域短報文擴展到全球短報文,在全球任何地方都可以利用北斗來通信。

  北斗三號可以覆蓋臨近空間 為空間站定位導航

  新京報:北斗三號稱為全球導航系統,是不是意味著以後全球各個角落都可以用上北斗系統?

  王博:不僅僅是全球各個角落,包括臨近空間、地球靜止軌道空間,都可以接收北斗信號。現在很多航太器也都裝有衛星定位接收機,可以接收GPS和北斗信號,航太器就可以知道自己的位置在哪,姿態如何等。所以北斗系統不僅是覆蓋我們的地球,也覆蓋了地球之外的這些空間。

  新京報:甚至以後也可能會為空間站導航?

  王博:是的。

  新京報:到今天,北斗三號星座建設全面完成,但全面提供更優質的服務可能還需要一段時間,還有哪些具體工作?

  王博:對於衛星導航系統而言,對精度和可靠性的追求一直存在。現在北斗系統能夠定位5-10米精度,後續還希望精度更高一些。其實地基增強系統在全國已經非常普遍,能夠使定位精度達到釐米級甚至毫米級。

  以後還會建設一些星基增強系統,通過低軌衛星對衛星導航系統進行增強。而且我們也希望在各個空間,包括海陸空和水下,都能夠用到更精準的導航定位,可以以北斗為核心帶動感測器的發展,來實現這樣的效果。

  新京報記者 倪偉

  編輯 張暢 校對 楊許麗

  來源:新京報(http://www.bjnews.com.cn/

 

責任編輯:唐詩絮

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