北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)建設與發(fā)展

文|中國衛(wèi)星導航系統(tǒng)管理辦公室 楊軍

一、系統(tǒng)建設

7月31日，習近平總書記向世界宣布北斗三號全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)正式開通，標志著北斗“三步走”發(fā)展戰(zhàn)略圓滿完成，北斗邁進全球服務新時代。北斗三號2009年11月啟動建設。10 余年來，歷經(jīng)關鍵技術(shù)攻關、試驗衛(wèi)星工程、最簡系統(tǒng)、基本系統(tǒng)、完整系統(tǒng)五個階段，提前半年完成全球星座部署，開通全系統(tǒng)服務（圖1）。

目前，北斗系統(tǒng)已提供導航定位和通信數(shù)傳兩大類、七種服務。具體包括：面向全球范圍，提供定位導航授時（RNSS）、全球短報文通信（GSMC）和國際搜救（SAR） 三種服務；在中國及周邊地區(qū)，提供星基增強（SBAS）、地基增強（GAS）、精密單點定位（PPP）和區(qū)域短報文通信（RSMC）四種服務。

圖1 北斗三號全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)星座組網(wǎng)圖

——定位導航授時服務。北斗系統(tǒng)空間信號精度優(yōu)于0.5m；全球定位精度優(yōu)于10m，測速精度優(yōu)于0.2m/s，授時精度優(yōu)于20ns；亞太地區(qū)定位精度優(yōu)于5m，測速精度優(yōu)于0.1m/s，授時精度優(yōu)于10ns。

——國際搜救服務。按照國際搜救衛(wèi)星組織標準，與其他衛(wèi)星導航系統(tǒng)共同組成全球中軌搜救系統(tǒng)，同時提供北斗特色的返向鏈路服務，極大提升搜救效率和能力。

——全球短報文通信服務。系統(tǒng)通過14 顆中圓軌道（MEO）衛(wèi)星，可為全球用戶提供試用服務，單次通信能力40 個漢字。

——區(qū)域短報文通信服務。服務中國及周邊地區(qū)，容量提升至1000 萬次/小時、用戶機發(fā)射功率降到1-3W、單次報文長度1000 個漢字。目前基本完成區(qū)域短報文服務平臺建設，推動短報文與移動通信有機融合，進一步發(fā)揮北斗系統(tǒng)導通融合服務優(yōu)勢。

——星基增強服務。系統(tǒng)按照國際民航組織標準建設，服務中國及周邊地區(qū)用戶，支持單頻及雙頻多星座兩種增強服務模式，滿足國際民航組織相關性能要求。目前北斗星基增強系統(tǒng)服務平臺已基本建成，即將開展民航應用驗證評估工作。

——地基增強服務。已在中國范圍內(nèi)建設155個框架網(wǎng)基準站和2200 余個區(qū)域網(wǎng)基準站，提供實時米級、分米級、厘米級和后處理毫米級增強定位服務。

——精密單點定位服務。目前系統(tǒng)已通過3 顆地球靜止軌道（GEO）衛(wèi)星播發(fā)精密單點定位信號。定位精度實測值水平優(yōu)于15cm，高程優(yōu)于30cm，收斂時間優(yōu)于15min。

2035年前，我國還將建成更加泛在、更加融合、更加智能的國家綜合定位導航授時體系，為全球用戶提供基準統(tǒng)一、覆蓋無縫、安全可靠、便捷高效的PNT 服務，為未來智能化、無人化發(fā)展提供核心支撐。

二、應用推廣

目前已構(gòu)建起集芯片、模塊、板卡、終端和運營服務為一體的北斗完整產(chǎn)業(yè)鏈。10年來我國衛(wèi)星導航與位置服務產(chǎn)業(yè)總體產(chǎn)值年均增長20%以上，2019年達到3450 億元，今年有望超4000億元。

支持北斗三號新信號的22nm 工藝射頻基帶一體化芯片，已經(jīng)進入量產(chǎn)階段，性能再上新臺階。截至2019年底，國產(chǎn)北斗導航型芯片模塊出貨量已超億級規(guī)模。北斗基礎產(chǎn)品已輸出到120 多個國家和地區(qū)。

但是,實際鏈并不總是那么理想.如果鏈剛性較強,使得用于統(tǒng)計的連接單元的長度過長,或者盡管高分子鏈本質(zhì)是柔性的,但其分子量過低等,在這些情況下,分子鏈的統(tǒng)計單元數(shù)不能達到滿足統(tǒng)計意義的數(shù)值,上述模型就無法施展其功用,此時就要借助另一種模型——蠕蟲狀鏈(worm-like chain,WLC)來了解分子鏈的空間尺寸.

北斗系統(tǒng)已全面服務交通運輸、公共安全、救災減災、農(nóng)林牧漁、城市治理等行業(yè)，融入電力、金融、通信等基礎設施，廣泛進入大眾消費、共享經(jīng)濟和民生領域，深刻改變著人們的生產(chǎn)生活方式，產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟和社會效益（圖2）。

圖2 北斗系統(tǒng)行業(yè)應用

交通運輸方面，北斗系統(tǒng)廣泛應用于重點運輸過程監(jiān)控、公路基礎設施安全監(jiān)控、港口高精度實時定位調(diào)度監(jiān)控等領域，使綜合交通管理效率和運輸安全水平顯著提升。截至2020年10月底，有近700 萬輛道路營運車輛已經(jīng)安裝使用北斗系統(tǒng)，占運營車輛的96%；3.14 萬輛郵政快遞車輛安裝使用北斗系統(tǒng)，占比88%；約1400 艘公務船舶安裝使用北斗系統(tǒng)，占比75%；約300 架通用飛行器安裝使用北斗系統(tǒng)，占比11%。特別是在運輸航空器上成功實現(xiàn)了北斗首次應用。

此外，北斗在中歐班列運輸、京張高鐵建設運營、浩吉和滬昆等鐵路測試監(jiān)測等方面也得到大量應用，為鐵路運輸高質(zhì)量發(fā)展賦能賦智。

農(nóng)業(yè)領域，基于北斗的農(nóng)機自動駕駛系統(tǒng)推廣應用近4.5 萬臺套，節(jié)約50%的用工成本；基于北斗的農(nóng)機作業(yè)監(jiān)管平臺和物聯(lián)網(wǎng)平臺為近40萬余臺套農(nóng)機設備提供服務，極大提高了作業(yè)管理效率。林業(yè)領域，北斗定位與短報文通信功能廣泛應用于森林防火、天然林保護、森林自然調(diào)查、病蟲害防治等。漁業(yè)領域，為漁業(yè)管理部門和漁船提供船位監(jiān)控、緊急救援、信息發(fā)布、漁船出入港管理等服務。

減災救災方面，基于北斗的導航、定位、短報文通信功能，提供實時救災指揮調(diào)度、應急通信、災情信息快速上報與共享等服務，顯著提高了災害應急救援的快速反應能力和決策能力。已建成部、省、市 （縣）三級平臺，實現(xiàn)六級業(yè)務應用，推廣北斗終端超過4.5 萬臺。湖南、江蘇、貴州、廣西、四川等地利用北斗/GNSS 高精度技術(shù)建立地質(zhì)災害監(jiān)測預警系統(tǒng)，在2020年抗擊南方洪災期間，多次成功預報山體滑坡等災害事件發(fā)生，保障了人民生命財產(chǎn)安全。

在2020年抗擊新冠肺炎疫情戰(zhàn)斗中，北斗也助力其中。為建設武漢火神山、雷神山醫(yī)院提供精確標繪；基于北斗的無人機、無人車紛紛應用到疫區(qū)醫(yī)療物資配送；基于北斗的車聯(lián)網(wǎng)推動疫情期間交通智能化、精準化。

公共安全方面，構(gòu)建了部、省、市（縣）三級北斗公安應用體系，全國部署北斗警用裝備40 余萬部；通過北斗警用授時，統(tǒng)一了公安信息網(wǎng)時間基準，北斗系統(tǒng)在指揮調(diào)度、反恐處突、禁毒鏟毒等公安工作中發(fā)揮了重要作用。

北斗的高精度服務正像水、電一樣，成為觸手可及、隨需而用的公共服務，保障著大眾的日常生活。國內(nèi)外主流芯片廠商均推出支持北斗的通導一體化芯片。首款支持北斗高精度定位的智能手機已經(jīng)發(fā)布，支持接收北斗地基增強服務信號，可為車輛導航等大眾消費提供高精度定位信息，目前已經(jīng)在國內(nèi)部分城市試用。據(jù)統(tǒng)計，2020年上半年申請入網(wǎng)支持北斗定位的智能手機達到80%，占據(jù)國內(nèi)絕大多數(shù)市場份額的華為、小米、VIVO、OPPO 等品牌大部分款型均支持北斗功能。

北斗為傳統(tǒng)行業(yè)注入新動能的同時，也正加速進入新基建。與新一代通信、區(qū)塊鏈、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等新技術(shù)深度融合，北斗應用新模式、新業(yè)態(tài)、新經(jīng)濟不斷涌現(xiàn)，正激發(fā)出層出不窮的創(chuàng)新和變革。

在政策環(huán)境保障方面，國家層面強化政策統(tǒng)籌設計，發(fā)布《中國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)》白皮書，系統(tǒng)詮釋了北斗系統(tǒng)的發(fā)展理念和政策主張。各行業(yè)部門和地方政府配套政策持續(xù)跟進，截至2020年9月，國務院30 多個部門相繼出臺了涉及北斗系統(tǒng)的政策文件180 余件，30 多個省市和地區(qū)出臺涉及北斗應用的指導性文件500 余件。

《中華人民共和國衛(wèi)星導航條例》按照國務院立法工作計劃有關要求，已完成征求意見工作，正在修改完善，準備上報。

目前，北斗系統(tǒng)已在全球超過一半的國家和地區(qū)得到應用，向億級以上用戶提供服務?；诒倍返耐恋卮_權(quán)、精準農(nóng)業(yè)、數(shù)字施工、車輛船舶監(jiān)管、智慧港口解決方案在東盟、南亞、東歐、西亞、非洲等得到成功應用。

三、國際合作

北斗系統(tǒng)作為全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)四大核心供應商之一，堅持開放合作、資源共享的發(fā)展思路，積極務實開展國際交流與合作，促進全球衛(wèi)星導航事業(yè)發(fā)展。

——中俄合作。雙方在系統(tǒng)兼容與互操作、增強系統(tǒng)與建站、監(jiān)測評估、聯(lián)合應用等領域持續(xù)開展廣泛深入的合作。中俄衛(wèi)星導航政府間合作協(xié)定簽署并生效，為中俄衛(wèi)星導航合作提供法律和組織保障。2019年和2020年分別成功舉行中俄衛(wèi)星導航重大戰(zhàn)略合作項目委員會第六次和七次會議。雙方克服疫情影響，切實落實中俄衛(wèi)星導航政府間合作協(xié)定，推動簽署北斗和格洛納斯系統(tǒng)間時間互操作協(xié)議，實施中俄聯(lián)合建站、跨境運輸、精準農(nóng)業(yè)等合作項目，啟動《2021 至2025年中俄衛(wèi)星導航合作路線圖》聯(lián)合擬制工作。

——中美合作。協(xié)調(diào)完成北斗星基增強系統(tǒng)PRN 編號十年延續(xù)申請。并就簽署北斗B2a 和GPS L5 信號互操作聯(lián)合聲明達成共識。

——多邊合作。中國積極參加聯(lián)合國等國際組織和相關多邊機制框架下的國際活動。持續(xù)參加全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)國際委員會第14屆大會系列活動，在衛(wèi)星導航法治建設、GNSS 時差監(jiān)測方法、低軌導航增強等領域提出中國方案，積極為世界衛(wèi)星導航事業(yè)發(fā)展貢獻中國智慧。

在第62 屆聯(lián)合國外空委大會期間，舉行了以“從指南針到北斗”為主題的中國古代導航展，展示了我國悠久的導航文化與現(xiàn)代先進的導航技術(shù)，并積極推動與聯(lián)合國外空司開展全面合作。

在中阿合作論壇框架下持續(xù)開展中阿衛(wèi)星導航合作，多項北斗合作內(nèi)容寫入《中阿合作論壇2020年至2022年行動執(zhí)行計劃》。

成功舉辦首屆中國-中亞北斗合作論壇，組織北斗“一帶一路”技術(shù)與國際應用國際培訓班，促進北斗在“一帶一路”國家落地應用。

——北斗國際標準推進。持續(xù)推進北斗系統(tǒng)進入民航、海事、搜救衛(wèi)星、移動通信、電工委員會等國際組織標準。

在2020年11月2-13日舉行的國際民航組織導航系統(tǒng)專家組第六次全體會上，北斗三號全球系統(tǒng)189 項性能指標技術(shù)驗證全部通過，標志著北斗三號全球系統(tǒng)進入國際民航組織標準工作的最核心和最主要任務圓滿完成，表明北斗三號全球系統(tǒng)為全球民航提供服務的能力得到國際認可，為全面推進北斗航空應用奠定堅實基礎。

2020年，國際電工委員會發(fā)布首個北斗船載接收設備檢測國際標準，國際移動通信組織發(fā)布首批支持北斗三號B1C 信號的5G 標準。2021年初，國際海事無線電技術(shù)委員會也將發(fā)布完全支持北斗三號所有公開信號的RTCM 標準協(xié)議。

——中國衛(wèi)星導航年會。已連續(xù)舉辦十一屆，年度參會人數(shù)逾3000 人，已成為一個高水平、國際化的衛(wèi)星導航領域綜合性交流平臺，正在為世界衛(wèi)星導航技術(shù)與應用發(fā)展發(fā)揮積極作用。

四、結(jié)束語

仰望星空，北斗璀璨；腳踏實地，行穩(wěn)致遠。北斗系統(tǒng)已正式邁入全球服務新時代，以嶄新的姿態(tài)走向世界。未來，北斗發(fā)展的腳步不會停歇。我們將秉承 “自主創(chuàng)新、開放融合、萬眾一心、追求卓越”的新時代北斗精神，為服務人類社會發(fā)展、構(gòu)建人類命運共同體，做出新的更大的貢獻。