北斗参与卫星导航系统竞赛 落后者将被边缘化

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北斗参与卫星导航系统竞赛 落后者将被边缘化

北斗系统已进入了卫星发射布网的高峰期。按计划,到2020年,北斗将与美国GPS一样,成为一个向全球提供服务的卫星导航系统


第7颗北斗导航卫星于2010年12月18日成功发射。这颗“北斗星”进入太空预定工作轨道,意味着中国北斗卫星导航系统组网建设正按计划顺利推进,今后几年将持续进行组网发射。


数十年来,中国一直致力于研制自主的卫星导航系统。北斗计划从最初的“最高机密”,到如今已逐步推广应用。不仅中国军队的导航和授时方式已经逐步由GPS向北斗转换,金融、电力、渔政和森林防火等民用领域也在逐步使用北斗系统。


但很多人并不熟悉的是,从上世纪80年代北斗计划起步开始,俗称为“五院”的中国航天科技集团下属中国空间技术研究院,就一直担负着北斗计划中卫星方面的设计制造工作。


在第7颗北斗导航卫星成功发射之后,《瞭望》新闻周刊来到这个中国空间航天器研制重镇,在北斗系统卫星总指挥李长江和总设计师谢军的带领下,近距离接触了在未来即将发射的北斗卫星,探悉有关北斗系统的方方面面。


进入承担北斗卫星研制工作的总体部大楼,大大小小标注着工作人员姓名的行李箱还摆放在走廊中,“这都是刚从发射基地拉回来的,事情太多,还没来得及收拾呢。”跟随李长江,本刊记者看到了即将在今明两年发射的多颗北斗导航卫星。


三间数十米高的巨大厂房从西至东排列,在前两间厂房中,多颗北斗导航卫星一字排开,正在进行总装集成。而总装集成完毕的卫星,将在最东侧的一间车间内,接受包括模拟空间环境、噪声干扰等方面的测试。


“北斗卫星的部件都是运往这里,进行总装集成并接受测试。现在7颗卫星上天以后,北斗系统可以说能用了。而那颗就是将在2011年4月发射的第三颗倾斜同步轨道(IGSO)卫星,它上天之后,北斗系统就可以形成全面的区域导航定位能力。”李长江指着一颗披着红色保护层的卫星说道。


北斗参与卫星导航系统竞赛 落后者将被边缘化

中国北斗定位导航系统示意图


从“灯塔”到“北斗一号”


“中国人关于利用人造卫星进行导航定位的设想其实并不比外国人晚,是与世界同步的。”李长江说:“美国的全球卫星定位系统(GPS)是在上世纪60年代开始起步的,而几乎在同一时段,中国空间技术研究院就开始了中国自己的卫星导航系统的设计,取名为‘灯塔’,但是由于文化大革命和国家财力等原因,工程下马。”


“卫星导航系统是国家安全和经济社会发展不可或缺的信息基础设施,是大国地位和综合国力的重要标志。”李长江说,“世界各大国都高度重视发展自主的卫星导航系统。例如,美国不断提高GPS的精度和抗干扰、抗攻击、反利用能力,极力保持其霸主地位;俄罗斯克服经济困难,坚持全面恢复和自主控制格罗纳斯(GLONASS)系统;欧盟一直致力于建设独立的伽利略(GALILEO)系统;此外,在中国周边,印度、日本也在积极谋求建设独立自主的卫星导航系统。大家都认识到,要有自主的系统,这是不容质疑的。”


在这场看不见硝烟的竞争中,中国人走出了一条自己的路。1983年,“两弹一星功勋奖章”获得者、中国科学院院士陈芳允创造性地提出了双星定位设计方案,即利用两颗地球静止轨道卫星,实现一个区域的导航定位。在这一设想的基础上,北斗一号双星定位系统开始了积极地立项论证。1994年,国务院和中央军委批准了这一双星定位系统立项报告,中国开始了自己的第一代卫星导航系统的研制建设。


“2000年10月31日北斗一号01星发射,12月21日北斗一号02星发射。2003年5月25日又发射了北斗一号03星,作为系统的备份星。经过近3年的调试、测试和试运行,2003年12月15日,中国第一代卫星导航系统——北斗一号系统正式开通运行。”李长江介绍说,利用两颗地球静止轨道卫星实现区域导航定位属于世界首创,具有鲜明的中国特色,而且投资很少。


“这一突破意义重大,这是继美国的GPS系统和俄罗斯的格罗纳斯系统之后,全球第三个建成并投入使用的卫星导航定位系统。正如北斗卫星导航系统工程总设计师孙家栋院士所说,我们实现了从无到有,解决了卫星导航系统的有无问题。”谢军说。


北斗一号双星定位系统的突出特点是,构成系统的空间卫星数目少、用户终端设备简单、一切复杂性均集中于地面中心处理站,其主要功能包括:


定位——快速确定用户所在地的地理位置,向用户及主管部门提供导航信息。


通信——用户与用户、用户与中心控制系统间均可实现双向简短数字报文通信,就如同使用手机发短信一样,这是北斗一号系统独有的一项功能。目前,这项功能特别得到渔政、水文监测和森林防火部门的青睐,在抢险救灾中也发挥了巨大作用。事实上,普通百姓第一次听说“北斗”,大多是在2008年汶川抗震救灾期间。当时,在基础设备损坏,通信中断的情况下,救援部队紧急配备了1000多台“北斗一号”终端机,实现了各点位之间、点位与指挥部之间的直线联络,为抗震救灾发挥了重要作用。


授时——中心控制系统定时播发授时信息,为定时用户提供延时修正值。这也是一项非常重要的功能。在军事领域,联合攻击之所以能够精确打击目标,是因为通过卫星定位和高精度授时对目标进行了多维锁定。在民用领域,例如电力部门,电力传输设备运行时间如果不同步,轻则运行设备失控,重则造成整个地区电网瘫痪。


李长江告诉《瞭望》新闻周刊,目前,北斗一号系统已经得到成功运用。但北斗一号也有其缺陷:双星定位,只能为终端用户提供经度和纬度,无法提供高度数据;只能覆盖中国及其周边地区,不能覆盖两极地区,赤道附近定位精度差;无法在高速移动的平台上使用,用户无法保持无线电静默,因而不能满足高动态和保密的军事用户要求;用户数量受一定限制。而且北斗一号卫星寿命为8年,其中北斗01星、北斗02星寿命即将到期,因此发射新一代北斗卫星势在必行。


北斗参与卫星导航系统竞赛 落后者将被边缘化

中国“北斗”导航卫星示意图


北斗升级覆盖全球


“第一代卫星导航系统在我国卫星导航系统建设中是一个起步阶段,可以说是用很少的资金投入,打破了国外卫星导航领域的垄断,填补了我国卫星导航领域的空白。但是由于本身原理上的限制,只能是一个区域卫星导航定位系统,无法发展成像GPS那样的全球卫星系统。所以在第一代导航系统建设的同时,中国也同时开始了第二代卫星导航系统的建设论证。”李长江介绍道:“从1997年底开始起步,经过充分、周密的论证,2004年9月,第二代导航系统——北斗卫星导航系统建设被批准实施。”


“我们的策略是‘解决急需,兼顾长远;先区域,后全球’”。谢军说,因此,第二代系统的建设分为几步走:首先,完成一期工程,建成区域卫星导航系统。在我国重点地区提供基本的导航、定位、授时服务,满足急需。同时为应用开发全球系统建设奠定基础。


“这一阶段,对于我们搞卫星系统的来说,就是要在2012年把区域系统的卫星全部发射上天,其中包括地球静止轨道(GEO)卫星、倾斜同步轨道(IGSO)卫星、中圆轨道(MEO)卫星。到目前为止,我们已经发射了7颗北斗导航卫星。2011年将发射4颗,2012年发射5颗。按照规划,当2011年4月第三颗倾斜同步轨道(IGSO)卫星发射后,北斗系统就已经可以形成区域导航定位能力。当2012年完成所有区域系统卫星发射后,一是我们的区域导航将更加稳固,可靠性稳健性将更强。卫星更多,自然可提供更快更准的服务。二是在全球轨道上部署了我们的导航卫星,占有全球卫星导航频率资源。”


对于这一点,谢军解释说:“首先,卫星上天需要轨道位置,就好比停车要有个停车位;其次,系统运行需要频率资源。而这两样,现在都是资源紧张,争夺激烈。比如说,导航卫星的频率资源大部分被美国的GPS占有,俄罗斯的格罗纳斯也占了一部分,中国和欧盟就只能见缝插针,因此北斗系统和伽利略系统计划使用的频率互有重叠。在这种情况下,谁先使用这个频率谁就占据了这个频率资源。”


其次,在2015年前,完成全球系统建设的在轨飞行技术试验工作,全面解决二期工程的关键技术。


之后,2020年前,完成二期工程,建成与国外先进卫星导航系统技术服务相当的全球卫星导航系统。到时,北斗系统的空间段将由30多颗不同轨道类型的卫星组成。据了解,目前二期工程的建设工作已经启动。


对于北斗系统具有的特点和优势,李长江分析说,在一期工程完成之后,第一,北斗导航系统可以提供导航定位服务,其精度可以达到重点地区水平10米,高程10米,其他大部分地区水平20米,高程20米;测速精度优于0.2米/秒。这和美国GPS的水平是差不多的。


第二,授时服务。授时精度可达到单向优于50纳秒,双向优于10纳秒。


第三,短报文通信服务。这一功能能够保证在我国及周边地区具备每次120个汉字的短信息交换能力。“一代系统的用户不少,用得也很好,我们不能建设了二代系统,一代就废了。所以,我们要做到二代兼有一代的功能,也有短报文通信能力。”


第四,具备一定的保密、抗干扰和抗摧毁能力;系统的导航定位用户容量不再受到限制,并且保证用户设备的体积小、质量轻、功耗低,满足手持、机载、星载、弹载等各种载体需要。


在二期工程完成之后,北斗导航系统服务范围将由我国及周边地区向全球扩展,导航定位精度将提高,全球区域达到水平5米,高程8米。此外,系统安全性能将进一步提高,短报文通信性能也将得到进一步改善。


李长江说:“系统建成后,最重要的当然是应用了。在民用领域,我估计2012年完成区域系统的卫星发射后,到2013年,老百姓就可以开始使用北斗系统。目前,在建的北斗卫星导航系统除空间段卫星系统、地面运控系统外,用户应用系统也在大力建设之中。我国已经把北斗系统用户终端机的开发作为推广应用的重要内容,不少国内厂商都在积极研制基于北斗系统的轻便、实用的用户终端设备。”


孙家栋院士撰文指出,在与国外导航系统竞争的情况下,在较短时间内完成北斗在国家经济安全领域的推广应用和在大众市场的迅速扩展,还面临不少挑战:


首先就是必须拥有核心自主知识产权的接收机芯片——自主知识产权的挑战是不言而喻的。目前,在卫星导航芯片这一核心技术领域,我国的专利还寥寥无几,而国外厂商仅基带芯片已拥有2000多项专利。我们完全有理由担忧,在不远的将来,会不会出现又一个“有机无芯”的产业。解决这一问题,十分紧迫,需要创造更好的机制,鼓励在基础研究、产品开发等方面自主创新,掌握核心技术,保护自主知识产权,提高核心竞争力。


其次,必须提出有竞争力的应用解决方案和规模推广策略——目前,GPS已占据我国卫星导航应用绝大部分市场,在这种情况下,北斗系统产业化面临巨大挑战。我国拥有全球卫星导航应用的最大市场,紧紧抓住应用的基础市场,充分发挥北斗服务特色,创造性地提出应用解决方案和规模化推广策略,是北斗系统应用推广和产业化的关键。


北斗参与卫星导航系统竞赛 落后者将被边缘化

图为:解放军使用的北斗卫星导航定位系统


关键技术多项突破


多个卫星导航系统的竞争,将是一场世界大赛,领先者将占据主导,落后者将被边缘化。这并非危言耸听,而是卫星导航系统全球化竞争下的残酷现实。孙家栋院士指出,各卫星导航系统间的竞争,其实质还是技术上的角力,系统性能是竞争的核心。


北斗系统的卫星研制工作,便实现了多项关键技术突破。


李长江说:“首先,也是最基本的,就是实现了卫星在轨稳定运行。如果卫星运行不稳定,那就什么也干不了了。”


其次,自主研制了高精度星载原子钟。“卫星导航要想达到定位准、精度高,最关键的就是时间必须精确、必须稳定,要有高精度星地时间比对。这就需要依靠核心的设备原子频标,也就是俗称的原子钟。目前,我们自主研制的星载铷钟已经在轨运行了3年,它的稳定度、准确度已经接近国际先进水平。”谢军说:“最初,我们还是想从国外引进原子钟,但是后来发现,人家对我们还是存有戒心,是不会把最好的东西给咱们的,还得靠自己。这项技术突破是集全国之力实现的,参与的单位包括北京大学、中科院、中国航天科技集团等多个部门,参与的人包括空间物理、空间无线电等多个领域的专家,大家共同把原子钟做了出来。但我们也得看到,与国外系统的高精度星载原子钟相比,国产铷钟在可靠性、长寿命等指标上还有差距,星载氢钟和铯钟还是空白,这需要我们继续努力。”


再有,导航信号体制是卫星导航系统最重要的技术体制,直接影响系统精度、抗干扰能力和兼容互操作,并最终影响到用户使用。北斗系统在信号设计上立足于“用户好用”,解决了多项关键技术,实现了为用户提供良好服务的导航信号的集成、处理、传输的要求。


同时,卫星高效率、短时间组批生产能力取得了很大突破。“一个国家在一年内打一颗卫星很容易,在短期内打很多颗卫星,要做很多基础性的工作,突破一些设计上、生产上的难点。”谢军坦言:“就是在上述四方面,导航卫星取得了一些进步,突破了一些技术难题。”


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