北斗走向全球?qū)Ш轿枧_(tái)中央

9月19日，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)第37、38顆衛(wèi)星，暨北斗全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（北斗三號(hào)工程）第13、14顆衛(wèi)星順利發(fā)射升空。

今年是北斗衛(wèi)星高密度發(fā)射之年。與此同時(shí)，我國(guó)自主研制和建設(shè)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)也進(jìn)入了發(fā)展的新階段：系統(tǒng)性能、衛(wèi)星壽命、服務(wù)精度大幅提升，提供服務(wù)的地區(qū)范圍更廣，進(jìn)一步向全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)這個(gè)角色靠近。

上世紀(jì)80年代初，中國(guó)開(kāi)始積極探索適合本國(guó)國(guó)情的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。2000年，初步建成北斗衛(wèi)星導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)（“北斗一號(hào)”有源區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱(chēng)“北斗一號(hào)”系統(tǒng)，也有稱(chēng)為“北斗一代”系統(tǒng)的），這標(biāo)志著中國(guó)成為繼美國(guó)、俄羅斯之后世界上第三個(gè)擁有自主衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的國(guó)家。

2012年12月27日，中國(guó)宣布北斗衛(wèi)星導(dǎo)航區(qū)域系統(tǒng)（“北斗二號(hào)”無(wú)源區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱(chēng)“北斗二號(hào)”系統(tǒng)）從當(dāng)日起正式提供區(qū)域服務(wù)。

2017年11月5日19時(shí)45分，在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心，長(zhǎng)征三號(hào)乙運(yùn)載火箭以“一箭雙星”方式成功發(fā)射兩顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星。這兩顆衛(wèi)星屬于中圓地球軌道衛(wèi)星，是北斗三號(hào)第一、二顆組網(wǎng)衛(wèi)星。這兩顆衛(wèi)星的成功入軌，標(biāo)志著北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)全球組網(wǎng)開(kāi)始，其定位精度提升1～2倍，將為民用用戶免費(fèi)提供約10米精度的定位服務(wù)。北斗系統(tǒng)開(kāi)始以全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的姿態(tài)走向服務(wù)全球的道路。

▲ 北斗衛(wèi)星

▲ 北斗導(dǎo)航原理

北斗一號(hào)

北斗一號(hào)的2顆工作衛(wèi)星和1顆在軌備份衛(wèi)星分別于2000年10月31日、12月21日和2003年5月25日成功發(fā)射，這標(biāo)志著北斗一號(hào)系統(tǒng)正式建成。

北斗一號(hào)系統(tǒng)有三大功能：一是快速定位，精度為20米～100米；二是從開(kāi)機(jī)到定位只需要0.7秒～2秒，實(shí)現(xiàn)每次120個(gè)漢字以?xún)?nèi)的短消息通信；三是實(shí)現(xiàn)雙向20納秒、單向100納秒的高精度授時(shí)。

值得一提的是，北斗一號(hào)的短消息通訊系統(tǒng)是非常有特色的?！氨倍芬惶?hào)”用戶機(jī)之間的通信不需要借助其他系統(tǒng)，其通信是通過(guò)衛(wèi)星和中心站轉(zhuǎn)發(fā)的，可機(jī)密級(jí)加密，一戶一密，安全性高，而且不受用戶機(jī)之間的高山阻隔或距離的影響，通信速度快。這些是目前應(yīng)用最為成功的地方，也是優(yōu)于美國(guó)GPS的最重要功能。

GPS只解決了“我在哪里”的定位問(wèn)題，只具備接收功能，而北斗解決了“你在這里、他在哪里”的問(wèn)題，還具備了短訊功能。

北斗一號(hào)的局限性主要是受技術(shù)與規(guī)模的限制，服務(wù)區(qū)域和容量有限，定位精度有待提高，不具備測(cè)速功能，需要發(fā)射信號(hào)時(shí)只能為時(shí)速低于1000公里的用戶提供定位服務(wù)等。

北斗二號(hào)

北斗二號(hào)分為區(qū)域系統(tǒng)和全球系統(tǒng)。前者已于2012年全部建成，服務(wù)區(qū)內(nèi)的性能與美國(guó)GPS、俄羅斯GLONASS相當(dāng)，并獨(dú)具短消息通信功能。其核心地區(qū)為我國(guó)及周邊，經(jīng)緯度為東經(jīng)75°～135°，北緯10°～55°，定位精度為水平10米，測(cè)速精度為0.1米/秒～0.2米/秒，授時(shí)精度為單向50納秒，雙向10納秒。重點(diǎn)地區(qū)為東經(jīng)55°～180°，南北緯55°。

北斗二號(hào)區(qū)域系統(tǒng)的地面運(yùn)行控制系統(tǒng)是由1個(gè)主控站、2個(gè)時(shí)間同步/注入站和近30個(gè)監(jiān)測(cè)站組成，其用戶在服務(wù)區(qū)內(nèi)任何地方、任何時(shí)間都可觀測(cè)到4顆以上的衛(wèi)星，保留了“北斗一號(hào)”系統(tǒng)的報(bào)文通信功能。

北斗二號(hào)區(qū)域系統(tǒng)的特點(diǎn)有3個(gè)：一是采取與GPS相同的單程無(wú)源測(cè)距，用戶設(shè)備可無(wú)源工作，沒(méi)有用戶容量的限制；二是在高動(dòng)態(tài)應(yīng)用方面與GPS完全一致；三是兼容保留北斗一號(hào)所有功能并提升其系統(tǒng)抗干擾性能。

北斗三號(hào)

北斗三號(hào)系統(tǒng)建設(shè)是我國(guó)北斗系統(tǒng)“三步走”發(fā)展戰(zhàn)略的第三步。相比北斗二號(hào)系統(tǒng)，北斗三號(hào)系統(tǒng)不僅是衛(wèi)星組網(wǎng)從區(qū)域走向全球，同時(shí)技術(shù)更先進(jìn)、建設(shè)規(guī)模更大、系統(tǒng)性更強(qiáng)。

北斗三號(hào)衛(wèi)星將增加性能更優(yōu)的互操作信號(hào)，在進(jìn)一步提高基本導(dǎo)航服務(wù)能力的基礎(chǔ)上，按照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)提供星基增強(qiáng)服務(wù)及搜索救援服務(wù)。此外，北斗三號(hào)還采用了星載氫原子鐘，其精度將比北斗二號(hào)的星載銣原子鐘提高一個(gè)數(shù)量級(jí)。

如同停水停電會(huì)影響城市居民的生活一樣，衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù)一旦失效，不僅國(guó)家的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行要受到極大的影響，人們的生活也會(huì)有很大的不便，這給衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的可靠性提出了苛刻的要求?？傮w而言，北斗三號(hào)具備高精度、高可靠、高保險(xiǎn)、多功能等特點(diǎn)。

——高精度。在北斗二號(hào)性能的基礎(chǔ)上，北斗三號(hào)在設(shè)計(jì)之初，就把目標(biāo)放在尚未發(fā)射的第三代GPS導(dǎo)航衛(wèi)星以及歐洲伽利略導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指標(biāo)上。北斗三號(hào)全球?qū)Ш较到y(tǒng)的定位精度將大幅提升，能達(dá)到2.5米～5米的水平，建成后的北斗全球?qū)Ш较到y(tǒng)將為民用用戶免費(fèi)提供約10米精度的定位服務(wù)和0.2米／秒的測(cè)速服務(wù)，并且將為付費(fèi)用戶提供更高精度等級(jí)的服務(wù)，衛(wèi)星設(shè)計(jì)壽命達(dá)10年以上。

隨著北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)提供初始服務(wù)，北斗三號(hào)可提供米級(jí)、亞米級(jí)、分米級(jí)，甚至厘米級(jí)的服務(wù)。屆時(shí)，中國(guó)北斗的精度將與美國(guó)GPS相媲美。

——高可靠。北斗是一個(gè)系統(tǒng)工程，用戶每一次享受到北斗系統(tǒng)的服務(wù)，都必須保證有至少4顆衛(wèi)星提供服務(wù)。與此同時(shí)，北斗又是一個(gè)全球覆蓋的系統(tǒng)，至少需要有20余顆衛(wèi)星同時(shí)提供穩(wěn)定服務(wù)，這一特點(diǎn)決定了北斗系統(tǒng)對(duì)質(zhì)量可靠性要求比單星更高，對(duì)產(chǎn)品可靠性的要求更苛刻。

此外，北斗還是一個(gè)固有屬性要求必須連續(xù)運(yùn)行的系統(tǒng)，信號(hào)不能中斷，系統(tǒng)必須連續(xù)、穩(wěn)定、完好、可靠。

——高保險(xiǎn)。北斗衛(wèi)星全球?qū)Ш较到y(tǒng)作為一個(gè)大型系統(tǒng)工程，采用多重可靠性“加固”措施，可最大限度地增強(qiáng)系統(tǒng)的保險(xiǎn)系數(shù)。比如，系統(tǒng)建成后運(yùn)行衛(wèi)星數(shù)量大于服務(wù)必需衛(wèi)星數(shù)。

同時(shí)，北斗三號(hào)衛(wèi)星還采用了軟件冗余、故障自我診斷、故障自我修復(fù)等多項(xiàng)措施，保證系統(tǒng)可靠性，大大提升用戶的體驗(yàn)。

▲ 北斗三號(hào)計(jì)劃

北斗未來(lái)

北斗的未來(lái)勢(shì)必要走一條融合式發(fā)展的道路，實(shí)現(xiàn)“北斗地基增強(qiáng)網(wǎng)+高精度位置服務(wù)網(wǎng)+寬帶移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)”。

隨著北斗三號(hào)的全球組網(wǎng)建設(shè)加速，乃至最后完成全球組網(wǎng)，會(huì)有更多國(guó)家、更多用戶使用北斗系統(tǒng)，這將進(jìn)一步拉動(dòng)北斗應(yīng)用推廣與產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，帶動(dòng)北斗走出國(guó)門(mén)，走向世界。

目前，北斗導(dǎo)航型芯片模塊銷(xiāo)量已突破3000萬(wàn)片，高精度板卡和天線銷(xiāo)量已占據(jù)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)30%和90%的市場(chǎng)份額，并輸出到70余個(gè)國(guó)家和地區(qū)，其中“一帶一路”沿線國(guó)家和地區(qū)30余個(gè)。而應(yīng)用于智能手機(jī)和其他消費(fèi)類(lèi)產(chǎn)品的國(guó)產(chǎn)芯片或IP核數(shù)量接近2200萬(wàn)。

同時(shí)，北斗系統(tǒng)還在和互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等技術(shù)融合發(fā)展，實(shí)現(xiàn)“北斗地基增強(qiáng)網(wǎng)+高精度位置服務(wù)網(wǎng)+寬帶移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)”互聯(lián)互通、“北斗系統(tǒng)+高精度遙感數(shù)字地圖+導(dǎo)航網(wǎng)格碼+云計(jì)算平臺(tái)”融合發(fā)展，以及“北斗導(dǎo)航+無(wú)線局域網(wǎng)+移動(dòng)通信+衛(wèi)星通信”等一體化芯片研發(fā)。

北斗星座

北斗高精度服務(wù)方面也是可圈可點(diǎn)，在國(guó)家北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)基礎(chǔ)上，面向大眾、觸手可及、隨需而用的公共服務(wù)正在不斷開(kāi)發(fā)和提供。北斗系統(tǒng)增強(qiáng)系統(tǒng)包括地基增強(qiáng)系統(tǒng)與星基增強(qiáng)系統(tǒng)。

北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)是北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的重要組成部分，按照“統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、共建共享”的原則，整合國(guó)內(nèi)地基增強(qiáng)資源，建立以北斗為主、兼容其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的高精度衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù)體系。

利用北斗/GNSS（全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)）高精度接收機(jī)，通過(guò)地面基準(zhǔn)站網(wǎng)，利用衛(wèi)星、移動(dòng)通信、數(shù)字廣播等播發(fā)手段，可在服務(wù)區(qū)域內(nèi)提供1米～2米、分米級(jí)和厘米級(jí)實(shí)時(shí)高精度導(dǎo)航定位服務(wù)。

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)建設(shè)分兩個(gè)階段實(shí)施：一期為2014年- 2016年年底，主要完成框架網(wǎng)基準(zhǔn)站、區(qū)域加強(qiáng)密度網(wǎng)基準(zhǔn)站、國(guó)家數(shù)據(jù)綜合處理系統(tǒng)，以及國(guó)土資源、交通運(yùn)輸、中科院、地震、氣象、測(cè)繪地理信息等6個(gè)行業(yè)數(shù)據(jù)處理中心等建設(shè)任務(wù)，建成基本系統(tǒng)，在全國(guó)范圍提供基本服務(wù)；二期為2017年- 2018年年底，主要完成區(qū)域加強(qiáng)密度網(wǎng)基準(zhǔn)站的補(bǔ)充建設(shè)，進(jìn)一步提升系統(tǒng)服務(wù)性能和運(yùn)行連續(xù)性、穩(wěn)定性、可靠性，具備全面服務(wù)能力。

北斗星基增強(qiáng)系統(tǒng)是北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的重要組成部分，它通過(guò)地球靜止軌道衛(wèi)星搭載衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)器，可以向用戶播發(fā)星歷誤差、衛(wèi)星鐘差、電離層延遲等多種修正信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)于原有衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)定位精度的改進(jìn)。按照國(guó)際民航標(biāo)準(zhǔn)，開(kāi)展北斗星基增強(qiáng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、試驗(yàn)與建設(shè)，目前已完成系統(tǒng)實(shí)施方案論證，固化了系統(tǒng)在下一代雙頻多星座（DFMC）SBAS標(biāo)準(zhǔn)中的技術(shù)狀態(tài)，進(jìn)一步鞏固了BDSBAS（北斗星基增強(qiáng)系統(tǒng)）作為星基增強(qiáng)服務(wù)供應(yīng)商的地位。

通過(guò)北斗高精度，手機(jī)定位可以實(shí)現(xiàn)1米的定位精度，特別是在衛(wèi)星信號(hào)觀測(cè)環(huán)境較差、短時(shí)間完全遮擋的情況下，手機(jī)終端通過(guò)高精度定位解決方案中的增強(qiáng)定位服務(wù)，可解決手機(jī)用戶在高架下、隧道、車(chē)庫(kù)等情況下無(wú)法定位的問(wèn)題。

▲ 北斗星座

在共享單車(chē)的應(yīng)用方面，北斗高精度定位可以實(shí)現(xiàn)共享單車(chē)1米精度的定位，大大減少定位誤差，方便用戶找車(chē)。

此外，北斗高精度還能提供電子圍欄，利用厘米級(jí)精度定位進(jìn)行測(cè)量劃定，支持后臺(tái)對(duì)高精度定位的共享單車(chē)是否停放到規(guī)定區(qū)域做出判斷，方便引導(dǎo)規(guī)范停車(chē)，減少城市管理成本。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)總設(shè)計(jì)師、中國(guó)宇航學(xué)會(huì)副理事長(zhǎng)楊長(zhǎng)風(fēng)今年5月27日透露，為配合建設(shè)以北斗為核心、基準(zhǔn)統(tǒng)一、覆蓋無(wú)縫、安全可信、高效便捷的國(guó)家綜合PNT（定位、導(dǎo)航、授時(shí)）體系，到2035年，中國(guó)將完成下一代北斗系統(tǒng)星座組網(wǎng)，提供體系化的PNT服務(wù)。中國(guó)國(guó)家綜合PNT體系建設(shè)重點(diǎn)可概括為“5+1+N”，“5”是指5大基礎(chǔ)設(shè)施，包括重點(diǎn)推進(jìn)下一代北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、積極發(fā)展低軌導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)、按需發(fā)展水下導(dǎo)航系統(tǒng)、大力發(fā)展慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、積極探索脈沖星導(dǎo)航系統(tǒng)；“1”是實(shí)現(xiàn)1個(gè)融合發(fā)展，即加快推進(jìn)北斗與以5G移動(dòng)通信為代表的網(wǎng)絡(luò)信息體系的深度融合；“N”主要是突破一系列新興技術(shù)，包括超穩(wěn)芯片級(jí)原子鐘、仿生導(dǎo)航技術(shù)等。到2035年，完成下一代北斗系統(tǒng)星座組網(wǎng)，建成時(shí)空信息服務(wù)的備份增強(qiáng)系統(tǒng)，部署多源融合高可信的PNT終端，完成室內(nèi)、水下、太空等特殊區(qū)域的PNT技術(shù)試驗(yàn)應(yīng)用，完成國(guó)家綜合PNT體系建設(shè)，提供體系化的PNT服務(wù)。

日益走近全球?qū)Ш轿枧_(tái)中央，北斗將成為像水、電、氣一樣觸手可及、隨需而用的公共服務(wù)產(chǎn)品。北斗為我們生活帶來(lái)便利的同時(shí)，也在推動(dòng)科技發(fā)展；在服務(wù)中國(guó)的同時(shí)，也在服務(wù)“一帶一路”沿線乃至全球國(guó)家和地區(qū)，是“中國(guó)方案”的最佳踐行者。