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“北斗三号”收官,正式服务全球

经济日报 2020-06-24

  自上世纪90年代启动研制以来,北斗系统发展经历了从有源到无源,从区域到全球的跨越,服务定位精度、系统稳定性、功能全面性不断提升,已成为国家重要的空间基础设施,全面支撑了国家安全和经济社会发展的需要。北斗三号作为我国卫星导航系统建设“三步走”战略的最后一步,与北斗二号相比不是简单迭代更新,而是巨大的历史性跨越。

  6月23日,我国在西昌卫星发射中心用长征三号乙运载火箭将最后一颗北斗三号组网卫星成功送入预定轨道。至此,北斗三号全球卫星导航系统星座部署全面完成。这意味着,中国北斗正式走出中国,走向世界,将可以为全球用户提供基本导航(定位、测速、授时)、全球短报文通信、国际搜救等服务。

  未来应用空间无限

  导航的核心功能其实就是定位和授时,试想一下,如果一个国家的时间和空间基准信息全部由他人来提供,那么无论是军事、通信还是金融等都将面临巨大安全隐患。

  北斗在军事上的应用是最为迫切的。导航主要用于部队机动、武器发射、边防巡逻和生命救援等,这就要求导航的过程中必须能够实时提供载体的位置、速度、姿态等状态信息,如果这些信息发生偏差,就相当于武器装备没有了眼睛、部队失去了方向。

  在交通运输上,北斗也在为更多车辆的安全行驶护航。北斗系统可以为车辆提供实时的位置和速度信息,在车辆行驶过程中,车内的北斗终端设备可以记录行车信息,得出车辆行驶的里程、速度、行车时间、路线等信息,防止出现超速或疲劳驾驶等危害安全的违规驾驶情况发生。数据显示,截至2019年12月,国内已有超过650万辆营运车辆、4万辆邮政和快递车辆,36个中心城市约8万辆公交车、3200余座内河导航设施、2900余座海上导航设施应用北斗系统。

  随着人类活动的发展,对导航的要求也越来越高。在北斗系统等科技力量的支持下,我们可以构建智慧森林防扑火基础设施,基于北斗系统高精度定位导航服务,大型重载、长航时、远距离、智慧化、全系统的消防无人直升机可以快速准确抵达火灾现场,充分利用北斗系统及其短报文通信功能为救火队员提供位置共享等重要信息。业内专家表示,北斗导航系统是“新基建”的基建,是基础的基础。

  当前,国内不少汽车厂已经在广泛就汽车的智能网联技术展开研发,目的是让人、车、路能够“说上话”。以时空智能基础设施公司千寻位置网络有限公司为例,今年内,该公司就将有多达6个不同品牌的车型搭载千寻位置基于北斗高精度的导航定位能力并正式上市。

  中国卫星导航系统管理办公室主任冉承其说,北斗的应用只受想象力的限制。近年来,一大批从事北斗应用的企业致力于打造数字时代北斗应用的最佳实践方案,已经在自动驾驶、行业升级、测量测绘、智能城市、公共服务等领域有了诸多应用落地。随着5G商用时代的到来,北斗正在与新一代通信、区块链、人工智能等新技术加速融合,北斗应用新模式、新业态、新经济还将不断涌现。

  创新实现历史性跨越

  自上世纪90年代启动研制以来,北斗系统发展经历了从有源到无源,从区域到全球的跨越,服务定位精度、系统稳定性、功能全面性不断提升,已成为国家重要的空间基础设施,全面支撑了国家安全和经济社会发展的需要。北斗三号作为我国卫星导航系统建设“三步走”战略的最后一步,与北斗二号相比不是简单迭代更新,而是巨大的历史性跨越。不仅导航服务扩展到全球,短报文通信等北斗特色服务进一步强大,定位精度也将赶超GPS。

  短报文通信可谓是北斗系统的“独门绝技”,就是指北斗的用户与用户、用户与中心控制系统间可实现双向简短数字报文通信。在北斗三号系统中,短报文通信的能力显著提升,从最初一次发送120个汉字提升到一次发送1200个汉字。用户遇到突发情况时无需字斟句酌,足以将情节一次性说清楚,还可发送图片等信息,应用场景更为丰富。

  有源定位也是北斗三号的一大创举。其原理就是利用无线电测定技术,通过两颗地球静止轨道卫星(GEO)联手,不仅能回答用户“我在哪”,还能告诉关注着用户行踪的相关方“你在哪”,这项技术在搜救、渔业等领域被广泛使用,是保障民生安全的“千里眼”。

  由于北斗系统不能像美国GPS那样,在全球建立地面站,为设置境外卫星的数据传输通道,北斗三号研制团队攻克了星座星间链路技术,采取星间、星地传输功能一体化设计,实现了卫星与卫星、卫星与地面站的链路互通。这就是说,虽然“看不见”在地球另一面的北斗卫星,但用星间链路同样能与其他卫星取得联系。星间链路技术不仅能实现太空间的通信和数据传输,还能相互测距,自动“保持队形”,可以减轻地面管理维护压力。星间链路技术解决了我国不能全球布站进行卫星境外监测的难题,也是北斗全球导航系统建设的一大特色。

  为了提高服务的精度,北斗三号系统还配置了新一代原子钟。原子钟是利用原子跃迁频率稳定的特性保证产生时间的精准性,目前国际上主要有铷原子钟、氢原子钟、铯原子钟等。我国北斗卫星采用的是铷原子钟,同时还配置了性能更高的新研国产氢原子钟。氢原子钟虽然质量和功耗比铷原子钟大,但稳定性和漂移率等指标更优。星载氢原子钟的在轨应用,对于实现北斗导航定位“分秒不差”发挥了重要作用。

  为了提高卫星在轨服务的可靠性,北斗三号卫星还采取了多项可靠性措施,使卫星的设计寿命达到12年,达到国际导航卫星的先进水平,为北斗系统服务的连续、稳定提供了基础保证。

  专家表示,未来,北斗系统将利用在轨卫星、地面、用户评估等海量数据,设计“天、地、用”一体化智能管理的卫星在轨技术支持平台,具备多源接收、自主监视、智能诊断、过程可视等能力。

  协作推动高效率组网

  “近两年时间,我们以平均每月发射1.2颗北斗卫星的高密度,刷新了全球卫星导航系统组网速度世界纪录。”北斗卫星导航系统总设计师杨长风说,北斗三号高效率组网离不开系统内团结协作。

  北斗三号工程是一个空前复杂的航天系统工程,包含空间段、地面段、用户段三个组成部分。空间段包含不同轨道高度的30颗组网卫星,地面段包含40多个不同类型、功能的地面站,这样一个庞大的系统要进行天地组网协同运行,将涉及几十个系统、几万台套设备,环环相扣,任何一环都不可或缺。

  “北斗三号管理控制中心就像是卫星导航系统的‘大脑’,可以指挥空间段和地面段协同运行、地面天线和各类观测设备统筹调度、传输数据,以及卫星导航电文的编辑、上注和播发等,解决了几十个系统、几万台套设备的集中监视和控制难题。”据中国电科技术人员介绍,该中心实现了卫星导航系统的星地一体化管理与控制,统筹协调空间平台与地面管控资源,是充分发挥北斗三号系统运行效能的核心环节。

  护送北斗卫星升空的长征三号甲系列火箭被称为北斗组网工程的“专属列车”。自2000年10月31日我国发射第一颗北斗导航试验卫星至今,共进行了44次发射,将59颗北斗导航卫星成功护送升空,发射成功率100%。

  为了保证导航卫星时空信息的精确性和稳定性,上海天文台科研人员依托于在天体测量与天体力学、精密时间频率标准等优势学科数十年的科研积累,从“零”到“有”,最终解决了大运算量数据整理、编辑、计算、存储、发送的计算机软硬件集成,统一调度稳定运行及信息处理构架等关键技术难题。为了实现北斗三号精密定位,上海天文台信息处理团队首次提出并实现了区域监测网+星间链路的星地星间联合精密定轨技术,就像是北斗的“最强大脑”,能实时修正误差,多备份,以保持北斗系统空间信号精度与GPS相当。

  北斗的发展也离不开“芯”的支持。从北斗试验卫星第一颗星开始,龙芯中科抗辐照处理器分别在北斗试验卫星工程、北斗三号卫星工程等型号任务中得到应用。龙芯中科抗辐照处理器的应用,解决了国外对我国高性能航天元器件禁运的卡脖子问题,实现了处理器系统方案整体部件的全国产化,助力了航天器国产化的跨越式发展。(记者 姜天骄)

责任编辑:王超

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