杨元喜院士:北斗为何是国之重器?

选择字号:   本文共阅读 3242 次 更新时间:2022-07-19 16:43

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杨元喜  

2020年初,新冠肺炎疫情暴发。在危难时刻,北斗系统火线驰援武汉市火神山、雷神山两大医院建设,它用高精度技术优势,实现了多数测量工作的一次性完成,为医院建设节省了大量时间,保障了抗疫“主阵地”建设的迅速完成,显示出北斗的智慧和力量。目前,国产北斗基础产品已出口120多个国家和地区,基于北斗的土地确权、精准农业、数字施工、智慧港口等应用,已在东盟、南亚、东欧、西亚、非洲等地区成功落地。

前有美国的GPS,欧洲的伽利略,俄罗斯的格洛纳斯,我国为什么还要集结400多家单位、30余万名科研人员,几十年磨一剑,打造自己的全球卫星导航系统?

自主可控,再难也要上

上世纪90年代,美国GPS、俄罗斯格洛纳斯已完成全球组网,牢牢占据先发优势。掌握了时间和空间,就控制了一个国家最重要的基础信息。1993年7月,中国“银河号”货轮行驶至印度洋时,遭遇所在海域的GPS服务系统被故意关闭的状况,被迫在公海停滞了三周。复杂多变的国际局势,让我们愈发强烈地意识到,拥有自己的卫星导航系统对维护国家安全、保障经济社会发展是何等重要。1994年,中国独立运行、自主建设的卫星导航系统——北斗正式启动建设。但是由于起步较晚,北斗卫星导航系统面临着必须创新的巨大压力,没有新的设计、没有新的功能,北斗就没有应用市场。

北斗建设者想建成独立自主的卫星导航系统,必须标新和立异。标新是要追求性能的高效,立异是为了让功能更丰富、更有特色。对北斗建设者来说,无论是标新还是立异,都要求建设的这个系统有用、好用、管用。所以,北斗人在这样的挑战下,做了很多创新性的设计。

“北斗一号”解决了中国卫星导航系统从无到有的一次飞跃,实现了短报文通信,当时只是120个汉字,可是这120个汉字对很多用户来说是极其重要的。北斗系统的短报文服务,是其他全球卫星导航系统所不具备的。特别是在灾区通信中断、电力中断的紧急情况下,仍然可以使用卫星信号传输信息、发送短信,实现通信和定位。

2008年5月12日汶川大地震,灾区的手机通信基站被破坏,有线、无线通信全部中断,地震灾区瞬间成为信息孤岛,外界无法及时获得震区的受灾情况。配备了上千台北斗用户终端的救援队伍陆续进入灾区,打开了灾区与外界的通信通道。北斗短报文成为震区当时唯一的通讯方式,不仅将灾情信息传递出来,还对受灾状况进行定位,为救援和救灾物资的输送提供导航。在指挥部和救灾一线之间架起了有效的信息桥梁,大大提高了救援的效率。

2012年12月27日建成的“北斗二号”卫星导航系统,由14颗卫星组成,其中有5颗地球静止轨道卫星、5颗倾斜轨道卫星,另有4颗中圆轨道卫星,可以覆盖中国以及亚太地区。“北斗二号”解决了从境内到亚太、局部到区域的导航定位问题;从有源定位到无源定位的问题。不需要发射信号也能定位,这是“北斗二号”一个重要的突破。

2020年6月23日,“北斗三号”的最后一颗地球静止轨道卫星发射成功,标志着北斗全球卫星导航系统圆满完成了星座部署,成为迄今为止我国规模最大、覆盖范围最广、服务性能最高、与人民生活关联最紧密的巨型复杂航天系统,并跻身世界四大全球卫星导航系统行列,正式向全球用户提供全天候、全天时、高精度定位导航和授时服务。

功能之丰富,问鼎全球

北斗卫星导航系统是目前功能最丰富的系统,不是之一,而是之最。

为飞机保驾护航。北斗卫星导航系统,在提供导航定位授时的同时,提供了星基增强,为民航用户提供精密进近所需的所有要素,包括完好性信息,卫星的健康信息,所有信号的健康信息。国际上很多国家都有星基增强,美国叫WAAS(广域增强系统),欧盟叫EGNOS(欧洲地球静止导航重叠服务),它们都需要重新租用卫星来播发星基增强的信息,通过若干个地面跟踪站、地面监测站,来监测各个星座、卫星的健康状况。但是,我们就在北斗的同步卫星的星座上,把星基增强信息播发给民航用户,这样用户可以非常方便地在接收北斗信号的同时,把增强信号接收下来。目前可以提供北斗双频、GPS双频的增强服务。未来我们承诺可以为全球四大卫星导航系统提供双频多系统的增强服务。

无网定位照样精准。“北斗三号”提供的精密单点定位,不需要通过网络。这个精密单点定位说起来并不新鲜,因为国际GNSS全球卫星导航系统服务组织,已经在全球构建了若干个监测站,它把精密轨道和各个卫星的精密钟差放到网上,用户想得到高精度定位、高精度授时,可以从互联网上下载高精度的轨道和高精度的卫星钟差。但北斗可以利用同步卫星,把精密轨道、精密钟差直接免费播发给用户,不需要互联网,目前可以在中国的周边地区、中国境内提供精密单点定位服务。

几米之内精准搜救。北斗卫星导航系统是按照国际海事组织的相关标准进行建设的,可以提供全球国际搜救服务,其中6个卫星有搜救载荷,还加了一个返向链路功能。这个返向链路就是一旦用户遇到紧急情况需要搜救,只要地面搜救中心收到信息,会马上告诉求助人收到他的信息,甚至会告知最近的搜救队距离大概多远,多长时间能够搜救到他。这对被搜救的人来说,是个极大的心理安慰。

破解地面布站难题。卫星导航系统实现对地面用户的服务,不仅要依靠天上的卫星,还要依靠地面的运行控制系统,也就是通常所说的地面站,地面站要不断对天上的卫星进行轨道测量,对轨道位置进行确定,才能将精确的导航数据投入实际应用。中国无法像美国那样在全球建立地面站,“北斗三号”的另外一个创新设计,就是在卫星和卫星之间设计了星间链路。北斗系统不仅攻克了星间链路等160余项关键核心技术,还突破500余种器部件的国产化研制,实现了“北斗三号”卫星核心器部件百分百国产化。

“北斗+”全面开启

“北斗三号”全球卫星导航系统一系列的创新设计,让北斗成为世界上功能最丰富的卫星导航系统,如今它已全面服务交通运输、公共安全、减灾救灾、农林牧渔、城市治理等各行各业。未来,北斗将与新一代通信、物联网、人工智能等新技术深度融合。大多数国产手机现在都已经用上北斗卫星导航系统。把北斗芯片嵌入到汽车里,可以为未来的智能驾驶提供强有力的支持;嵌入到高铁,可以为高铁的稳定运行提高效率;嵌入到农业机械,可以提升农业机械的运作水平、精细水平;嵌入到电力系统,可以让电力系统时间同步更靠谱;嵌入到整个交通管理,可以为一个城市交通管理的实时监控、疏导提供支撑。北斗能为各行各业提供强有力的支持。

2019年底北斗国产的兼容芯片、模块销量已经突破了1亿片,卫星导航定位终端总销量已经突破了4.6亿台套,具有北斗兼容芯片的终端产品包含手机已经超过了7亿台套,北斗卫星导航系统为之服务的企业单位数量,目前已经有14000多家,从业人员已经超过50万了。

建成了北斗全球卫星导航系统,只是中国定位导航授时系统建设的一个逗号。下一步我们还要建设一个更加泛在、更加融合、更加智能的综合时空体系,为国家经济社会的稳定运行、长足发展,提供更加坚韧、更加连续、更加可靠、更加稳健的定位导航授时体系。


杨元喜,中国科学院院士,北斗卫星导航系统副总设计师。

杨元喜1956年7月出生于江苏泰县,先后主持完成“2000国家GPS大地控制网数据处理工程”和“全国天文大地网与空间网联合平差工程”。杨元喜的2项成果获国家科技进步二等奖;2011年获“何梁何利基金科学与技术进步奖——地球科学奖”。

他所从事的研究工作,大幅提高了航天器、舰船和车辆导航定位的速度和精度,为我国建立从深空到深海的全域定位导航授时服务体系奠定了理论基础。


本文根据中国经济大讲堂节目素材整理;来源:《学习时报》2022年1月5日第6版。


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