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中国的北斗 世界的北斗

《北京周报》记者 唐元恺  ·   2016-04-27  ·   来源:北京周报网
标签:北斗系统;中国航天;科技
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  2016年3月30日北京时间4点11分,中国在西昌卫星发射中心用“长征三号甲”运载火箭,成功发射第22颗北斗导航卫星。这是中国“区域”卫星导航系统成功组网运行后发射的第一颗在轨“备份”卫星。

  北斗导航区域系统于2011年12月27日开始试运行,一年后正式提供区域服务——2012年12月27日,北斗卫星导航系统新闻发言人、中国卫星导航系统管理办公室主任冉承其在国务院新闻办公室发布会上宣布:中国自主研发的北斗卫星导航系统即日起向亚太大部分地区正式提供区域服务,可覆盖地区西起伊朗、东达中途岛、南含新西兰、北至俄罗斯。

  作为世界上第3个成熟的卫星导航系统,“中国北斗”(2012年12月27日正式发布英文名称为Bei Dou Navigation Satellite System,缩写BDS)与美国GPS、俄罗斯GLONASS系统 (格洛纳斯)和欧盟Galileo(伽利略)定位系统形成了全球卫星导航系统(GNSS)。

  “中国的北斗是世界的北斗,它不仅为中国人民,同样也要为世界人民做出贡献。”中国科学院院士、时任2011中国卫星导航学术年会(CSNC)科学委员会3位执行主席之一的杨元喜表示,增加了北斗系统之后,便增加了覆盖广度、密度以及可视数量,同时也更增加了安全保障;与其它卫星导航系统配合使用,还增加了容错能力、系统误差的补偿能力、异常误差的探测能力。“所以,北斗对全世界导航的精度、稳定性、可靠性都是有帮助的。”

  1994年,研制发展中国独立自主的北斗卫星导航系统,成为这一年做出的国家重大战略决策。它是按照“三步走”的总体规划分步实施的:第一步,1994年启动北斗卫星导航试验系统建设,2000年形成区域有源服务能力;第二步,2004年启动北斗卫星导航系统建设,2012年形成区域无源服务能力;第三步:2020年北斗卫星导航系统形成全球覆盖与全球无源服务能力。那时,世界各地的手机、导航仪等终端,都可以收到来自中国北斗的问候了。

  而2000年,中国早于欧洲人,成为继美国、俄罗斯之后全球第3个拥有自主卫星导航系统的国家。同时,北斗又具备与GPS兼容的能力,也就是说,用一台用户机,既可以接收北斗信号也可以接收GPS信号,还能实现GPS互操作,定位精度与之相当。

  自中国2012年宣布北斗导航系统开始向亚太地区提供服务以来,该系统已被泰国、马来西亚、印度尼西亚等多个亚洲国家使用,其中泰国科技部就与中国相关企业达成首期30亿元人民币的项目合作。如今,“一带一路”(丝绸之路经济带和21世纪海上丝绸之路)沿线很多国家和地区正在主动同中国接触,寻求北斗导航系统的产业化合作,并已经开枝散叶。

  “我们国家提出‘一带一路’的战略构想,致力于成为经济上的影响者,北斗对外提供服务的承诺是一定要兑现的。”中国航天科技集团五院北斗导航系统卫星总设计师杨慧表示,现在,在国际导航领域,几乎没有人会否认中国北斗是个强有力的供应商。

 

  维持稳定

  从2012年12月正式向亚太地区提供服务,到2020年形成全球覆盖能力,在此期间,中国航天人不断和将不断为北斗卫星区域导航系统“维稳”。目前,北斗团队已完成60%的发射数量,同时也并行研制着数颗卫星,它们将使太空中那张早已织就的大网性能更优越,使系统输出的服务更完善。

  “稳”,始终是驻在杨慧总设计师心头的一个关键词。从1995年开始参加北斗项目论证到现在,21年来,她一直在为维持北斗的稳定而努力着。

  “够稳,才可以。一旦我们的导航系统对用户宣布提供服务了,就必须保证服务的稳定性与连续性。只要用户对我们失望一次,即便将来我们的全球导航系统建设得再成功,没有用户信任也会后继乏力。”杨总设计师说,在北斗全球卫星导航系统的建设过程中,他们没有单纯考虑技术进步而忘记了对用户的承诺,“中国北斗走的不是抛弃型的发展道路。我们守住承诺,就是守住了用户。”

  留住用户,也意味着才有可能获知用户在使用过程中对产品提出的更高要求。保证技术的稳定性是第一位的,但在求稳的同时,还必须针对用户的需求做出改进。“而继续扩大用户,则意味着通过满足用户更高的需求,技术实现了创新。”《中国航天报》孙喆指出,航天系统是一个不可修复的系统,罔顾稳定性的创新不仅没有生命力,甚至还可能产生摧毁力,“任何技术上的进步都是在继承中创新,都要做到稳扎稳打;同时,由于用户对导航系统更优性能的需求是无止境的,在‘维稳’的同时,团队还必须注重创新,这样才能留住并扩大用户。”

  3月30日发射的北斗卫星在系统指标和研制要求上是完全维持“原来状态”的,但同时创新的力度也很大,它是对北斗导航区域系统的有力补充,可以进一步提高系统的可靠性和“健壮性”,进一步改善北斗导航区域系统的服务性能,加强北斗区域导航系统连续稳定提供服务的能力。虽然只是“替补队员”,却依旧不乏自身“绝活”。杨慧总设计师介绍说,这颗北斗卫星并非简单复制,而是在继承经验的基础上进行了技术升级,“与新一代北斗导航卫星的设计导向相同,这颗区域组网北斗卫星实现了最大程度的国产化。”上面共有278台设备,7个分系统,其中未做改进和小改进的产品占82%,新增技术和做了较大改进的产品占18%,核心单机皆属国产,部件级国产化率达到91%,相比在轨区域组网中71%的同类卫星有了大幅提升,表明中国卫星技术自主实力正进一步增强。 此外,该卫星在姿态控制方式上得到一系列优化,增加了灵活、稳定控制模式,可以自由切换,操控自如。这颗卫星本是针对北斗导航区域系统中某一颗卫星的备份,但用户希望这颗星具有更强的兼容性,能够具备卫星编号在轨重构等功能,于是研制团队便针对这一需求做出了技术改进,提供更好的用户体验。孙喆指出,“就这样,稳定与创新互相制衡和促进,使北斗系统在国际导航市场上的品牌影响力越来越大。”

 

  世界共识

  今年74岁的北斗系统副总设计师谭述森院士是52岁时与北斗结下不解之缘的。那一年,即1994年,中国做出独立自主研发北斗卫星导航系统的战略决策,随之,谭述森离开了自己奋斗29年的测绘战线,出任北斗一代地面应用系统副总师,全身心地投入到重要性不亚于“两弹一星”(核弹、导弹和人造地球卫星)的国家战略工程。此时,美国全球覆盖率高达98%的24颗GPS系统卫星星座己布设完成,开始向全球提供服务;俄罗斯的Glonass导航系统也在建设当中。

  在其院士评选联络推荐人之一的杨元喜院士眼里,谭述森为北斗卫星导航系统做出了3大贡献,其中一项,是为这一导航系统争取到了宝贵的频率资源。

  频率资源是不可再生的空间战略资源,没有频率,建设卫星导航系统就如同水无源、树无根。而北斗一开始就面临无频可用的严峻局面,卫星导航大国已占据优质导航频率资源。身为北斗导航频率设计和国际协调首席专家,谭述森创造性地提出的卫星导航信号兼容性评估准则,证明了北斗与其它卫星导航系统频率可以重叠,赢得了频率共用的“世界共识”。

  多年来,他带领频率协调团队与几十个国家数百次协调会谈,使北斗导航频率占有量实现了从无到有,并跃居世界前列。有同行评价,谭述森“扫除了北斗建设的第一道障碍。”

  而北斗走的是一条与GPS或GLONASS系统不同的技术发展道路。谭院士曾在中国科学技术协会(CAST)科普部举办的“科学家与媒体面对面”活动中解释说,国际上4颗卫星同时定位这个原理当然是正确的,“但我们觉得,应该更大地减轻我们系统的负担,要探索更少的卫星数,用3颗卫星……这也带来了一系列需要解决的科技难题。”

  1983年,“863计划”(国家高技术研究发展计划)创始人之一、著名航天测量控制专家陈芳允院士对同事说,“用两颗地球静止轨道卫星定位,以已知的地球半径数据和高程测量两颗卫星与目标间的距离进行定位,再传到指挥部,这在原理上是可行的。”在这一区域导航定位设想与理论的基础上,1994年,中国开始了自己的第一代卫星导航系统的研制建设。

  “首先,中国有5000公里×5000公里大区域覆盖,当时卫星没有大口径多波束天线技术,用户发射功率需要40瓦以上,无法工程化和实用化,也没有地面数字高程图的技术储备,在无线电技术方面也缺乏技术储备,在中国赤道上空看到有90颗卫星可选,但是我们找不到可放两颗卫星的轨位,同时也没有频率可供我们使用。”谭述森回忆道,同时,面对双星测量经历4个不同的使用频率、6种不同的设备,没有一种精确传播时延校正理论,更没有成熟的技术可借鉴。“但是我们克服了困难,终于达到了可喜目标,满足了中国5000公里×5000公里区域连续、实时定位要求,满足了20米定位精度,与2000年当时的GPS民码相当,满足了既定位又位置报告,并且响应时间为1秒的要求,这成为优于GPS的一大亮点,世界上还没有超越我们这个响应时间为1秒的系统。”

  2000年10月,北斗的第一颗卫星终于被送入轨道,标志着中国成为全球第3个建成并投入使用卫星导航定位系统的国家。

  在北斗一代系统建设阶段,谭述森创造性地提出了集定位、通信和授时3大功能于一体的工程建设方案,被认为“丰富拓展了世界卫星导航理论实践”,使中国仅用两颗卫星和地面高程数据库就实现了国土及周边地区的定位服务,使国家安全和发展的命脉牢牢掌握在了自己手里,凭借自己的实力开辟了卫星导航新的纪元。

  2004年8月31日,北斗二代系统正式立项,谭述森带领团队提出的集“定位报告”与“连续导航”两种技术体制于一体的总体架构,相比一般卫星导航“接收型”定位系统(只转播信号,用户接收而定位)不同,北斗是双向的,不光定位“我在哪儿”,还能让人知道“你在哪儿”,其短信功能,也超越了常规卫星导航的发展思路。与美国GPS和俄罗斯GLONASS 都是“无源定位”不同,北斗采用的是独有的“有源定位”,对所有用户位置的计算不是在卫星上进行的,而是在地面中心站完成;也不直接从卫星上接收信号,而需要地面中心站把卫星信号“转送”给终端用户,因此,地面中心站可以保留全部北斗用户的位置及时间信息,并负责整个系统的监控管理。

  2008年5月12日14时28分,8.0级地震把中国四川省汶川的通讯设施全部摧毁,这座县城一时间“音信皆无”。这样,1000多台“北斗一号”民用手持级终端机派上用场,并立了大功。当晚,靠着紧急配备的这些“北斗”,救援官兵突破救灾盲点,全面进入灾区,陆续向后方救灾指挥部发出实时灾况。位于北京的卫星导航定位指挥控制中心也监测到,配备了“北斗”的部队正徒步急进。由于这些救灾官兵大都没有装备海事卫星电话,加上地处山区,无线电台联络不畅,有的侦察分队向前突进后,“北斗一号”终端机成了唯一的联络工具。高效快捷的“我”和“你”之间的信息传递……这一切都无疑会给灾区争分夺秒打通生命线创造条件。

 

  地上应用

  山西以“出煤”闻名,“运煤”自然成为重要一环。仅晋煤外运一项,如2011年时,公路运输便占整个运力的20%以上,由此,全省实现煤等大宗物品运输智能化管理日益迫在眉睫。其解决招数之一便是在车辆上安装卫星定位装置。

  于是,2012年,山西企业北斗位汛电子技术有限公司便围绕合作公司研发的一种卫星定位导航芯片,开始研制解决核心技术问题、基于中国北斗全球卫星定位系统并兼容美国GPS系统的车载定位导航智能终端,以规模化应用为目标,实现北斗导航应用的产业化。

  同年,国家交通运输部规定,从2012 年起,“两客一危”(长途客车、客运包车和危险货物运输车)车辆必须安装卫星定位装置。此前的2010 年,中国的公路危化品车辆、大型客车和其它类型的专用货车、普通货车、中小型客车,规模已达 1133 万辆。交通部组织在天津、河北、江苏、安徽、山东、湖南、宁夏、陕西、贵州9省区市部署105万辆运营车辆进行安装示范。这给“北斗”的应用带来巨大的商业契机,产生巨大的社会和经济效益。

  早在2008年,北斗卫星导航系统实时交通导航仪便服务于了北京奥运会期间的地面交通。京城堵车的状况不是短期内能够解决的问题,因此,实时交通导航成为缓解交通拥堵的方法之一,这也是导航产业争夺最激烈的领域之一。

  随着中国汽车市场高速发展与汽车销售不断提升,中国汽车产业的另一端——车载卫星定位导航市场也随之跟进。早在2010年,中国卫星定位产品市场在市场推进、技术发展、应用创新的推动下飞速发展,全年市场容量达到908.3万套,同比增长117.8%。

  事实也表明,北斗位汛公司研制的产品在基于北斗系统的民用终端产品研发与产业化方面起着示范作用。“北斗导航终端是卫星导航应用产业的首要阵地。”公司研发中心张胜勇工程师提供的材料指出,北斗卫星导航系统是一种利用空间卫星在任何时间向全球任何地方提供三维位置、速度和时间信息的系统,可广泛应用于军事和国民经济及社会生活各个方面,对保证国家安全、促进经济和社会发展具有重要意义。“面对全球信息化的趋势,以卫星导航为基础的定位、通信和授时系统已成为了一个国家关键的基础设施之一,其应用涉及到国民经济的各个领域。”

  目前,北斗位汛公司这样的中国北斗产业链企事业单位数量已超过1.3万家,从业人员近40万。在资本市场助力下,行业内上市的公司已有20多家。随着北斗导航系统进入全球组网阶段,巨大的市场前景吸引着众多企业进到北斗产业中来,产业新增投资和新增企业数量保持高速增长。

  北斗导航系统不仅仅是天上的卫星,它正逐步而迅猛地深入到地球上人们的生活和生产,带来很多很大的变革。“北斗导航系统不仅要在天上发挥作用,还要在地面上开发衍生出更多的应用。”长期担任北斗卫星导航系统总设计师、被誉为“中国卫星之父”的“两弹一星”元勋孙家栋院士曾经表示,“军队和国防应用的数量相对于系统的民用数量来讲,简直是‘小巫见大巫’,北斗全球系统建成之后,民用将占据北斗用户总量的95%以上。”

  近期中国卫星导航定位协会的产业发展报告表明,在卫星导航应用领域中,军工应用领域占比较小,只有约4.08%,而民用市场空间巨大,主要分为行业(领域)应用市场和大众(个人)应用市场。

  2004年左右,北斗系统开始在中国军事、国防部门推广,但在此后,金融、测绘、电力、水利、渔政、公共安全、减灾救灾、森林防火、气象水文测报、交通运输监控等民用领域以及与之相关产业和信息服务业也在逐步使用(用户以集团为主)。除了平稳增长的行业应用,北斗也走进了大众生活。

  “在推动北斗民用上,一定要有政府的‘影子’。”孙家栋院士曾经表示,北京、上海、广州等地,地方管理部门做了很多工作,用了很好的形式,“他们把有关的企业联合起来,从芯片开始,一直到最终的产品,互通有无,重复的地方不搞无序竞争,不让企业投入很大的代价做自己不擅长的环节。”

  第12个“五年规划”纲要时期(2011—2015年),中国政府在产业政策、示范项目、产业化项目上给予卫星导航产业更大支持。中国卫星导航定位协会常务副会长兼秘书长苗前军博士介绍说,“中国卫星导航产业规模增速快,年均增长达到30%。”。

  在政府层面的支持下(补贴等)、甚至“宁可亏损几百万,也要坚决找到北斗民用市场切口”的不少“前瞻”企业的努力下,北斗终端早已向全国1.8万公里海岸线铺陈开来,其市场模式也逐渐构建:如海洋渔业安全生产应用模式,适合行业应用的产品模式,各网点24小时运营服务模式。

  有报道称,GPS只能告诉所在位置的经纬度,可在海洋里,“因为周围都是海”,光知道经纬度意义不大。“危机时分,携带北斗的渔民只需按下‘一键报警’(发短信求助),1秒钟内,设在渔业管理部门主控中心平台上的装置便会鸣起警报,遇险船只的航速、航向、所在坐标位置及精确的经纬度可以迅速被锁定,船上的人知道‘自己在哪儿’……”据专家介绍,援助队与其家人也能够通过渔业部门的信号得知“遇险船只在哪儿”,营救工作得以第一时间展开。在此期间,船上人员还可以通过北斗随时互发短信通报情况,并被告之离自己最近的渔船在什么地方、最快的救援需要多长时间,或由专业人员指导下进行自救。而如果有台风,渔政部门会立即通知到所有使用北斗的渔民。

  “北斗的实时精密定位还可以应用于土地和农田管理,使农业机械能够以0.1米的定位精度实现对农田的精密耕作。”曾任武汉大学校长的中国卫星导航学术年会科学委员会另一位执行主席刘经南院士举例说,在航天方面,北斗将可以为各类遥感卫星提供精密轨道位置;“也能够对一些桥梁、大坝等工程的微小变形进行监测……”

  好例子不断涌现。新疆生产建设兵团的农业机械采用北斗,土地使用率提高了5%,复播准确率由50%提高到100%;天津港集装箱作业,箱位准确率实现100%,作业成本降低两成。北斗导航系统服务国计民生的范围越来越广、能力越来越强。

  目前,北斗卫星导航与位置服务技术与地理信息、物联网、大数据、移动通信等多种技术融合集成,能提供更丰富的综合性服务,被看作未来产业发展的主要方向。据《经济日报》报道,目前北斗产业链上游的芯片、天线、GIS(地理信息系统)、板卡、地图、模拟源等已实现全面配套,国内自主研发的北斗芯片等基础产品已进入规模应用阶段;中游的手持型、车载型、船载型、指挥型等各类应用终端已广泛使用在各个行业,品类已初具规模;下游的运营服务和系统集成业已在各领域进行了探索应用。

  普通消费者看到,北斗相关公司生产的北斗手机,北斗电动自行车安全综合治理、居家养老北斗解决方案、北斗学生卡等“百城百联百用”的许多项目已经落地。

  2015年中国卫星导航与位置服务产业总产值达到2000亿元。2013年9月发布的《国家卫星导航产业中长期发展规划》提出,到2020年北斗产业规模将超过4000亿元。这一规划的出台,被专家认为是“让北斗产业搭上了快速发展的列车”。在第13个“五年规划”(2016—2020年)纲要中所提出重点发展的100个大项目中,第36项是加速北斗、遥感卫星的商业化应用。

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