北斗的“獨(dú)門秘籍”

陳冰

從深空到深海，從個(gè)人到萬物，北斗作為提供時(shí)空基準(zhǔn)信息的系統(tǒng)，不僅是我們的信息基礎(chǔ)設(shè)施，更是護(hù)衛(wèi)國門的一把金鑰匙。自主可控的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，對(duì)于國家的重要意義不言而喻?？墒?，北斗真的是“不明覺厲”嗎？跟我們普通人有什么關(guān)系呢？其實(shí)它遠(yuǎn)在天邊，卻近在眼前。截至2020年第一季度，在中國市場申請入網(wǎng)的智能手機(jī)里，有四分之三以上都支持北斗定位的。這一太空高科技，普遍關(guān)照著普羅大眾。

今天，我們先來揭秘一下北斗到底有哪些獨(dú)門秘籍。

“心臟”300萬年誤差一秒

在復(fù)雜的、代表現(xiàn)代高尖端科技前沿技術(shù)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中，其中能被稱之為“心臟”的部分，有著怎樣超然的能力呢？

由于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在空間高速運(yùn)轉(zhuǎn)，不同種類的接收機(jī)用戶，位置處于不斷變化的過程中，且地球自身也持續(xù)不斷地轉(zhuǎn)動(dòng)，其間微小的時(shí)間誤差，將導(dǎo)致光速運(yùn)行的無線電波產(chǎn)生巨大的測量誤差，因此時(shí)間系統(tǒng)的精確計(jì)量和同步具有極其重要的意義。

我們知道，天地間越同步，誤差越小，定位的精度就越高，大家得到的數(shù)據(jù)就越準(zhǔn)確。要修煉好這門技能，核心就是做好時(shí)間測量，也就是掌握好時(shí)間的精度。而要掌握好時(shí)間精度，就要靠原子鐘。

而北斗的心臟，就是一座原子鐘。它是目前人類最精確的時(shí)間測量儀器，也是導(dǎo)航衛(wèi)星最關(guān)鍵的核心設(shè)備。在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中，1納秒就是十億分之一秒的時(shí)間誤差，將導(dǎo)致0.3米的距離誤差。如果我們時(shí)間差出去一秒，那我們的距離就會(huì)差出去3后面8個(gè)零這么大的距離！人類要想實(shí)現(xiàn)這么精密的時(shí)間測量，一般的鐘可做不到，只有靠原子鐘的力量。

根據(jù)量子力學(xué)的原理，原子內(nèi)部有上下兩個(gè)能級(jí)結(jié)構(gòu)，當(dāng)原子從一個(gè)能級(jí)躍遷至另外一個(gè)能級(jí)時(shí)，吸收或者釋放出的電磁波頻率是固定的，這也就是我們所說的共振頻率。例如銫133的一個(gè)共振頻率為9192631770赫茲。用它制作的計(jì)時(shí)儀器就可以非常準(zhǔn)確了。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)使用的是由中國航天科工集團(tuán)所研制的星載銣原子鐘，這些原子鐘實(shí)現(xiàn)了元器件100%國產(chǎn)化，目前的精度可達(dá)到300萬年誤差僅為1秒。

“三”的奧秘

“道生一，一生二，二生三，三生萬物”。北斗系統(tǒng)的發(fā)展中也蘊(yùn)含了很多與“三”有關(guān)的奧秘，包括北斗系統(tǒng)發(fā)展戰(zhàn)略、系統(tǒng)架構(gòu)、星座配置、工作原理、信號(hào)體制、服務(wù)規(guī)劃、未來愿景等等諸多方面。

北斗系統(tǒng)由空間段、地面段和用戶段三部分組成。其中空間段由3顆GEO衛(wèi)星、3顆IGSO和24顆MEO衛(wèi)星等組成。地面段則包括主控站、時(shí)間同步/注入站和監(jiān)測站等若干地面站，以及星間鏈路運(yùn)行管理設(shè)施。北斗系統(tǒng)用戶段包括北斗及兼容其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的芯片、模塊、天線等基礎(chǔ)產(chǎn)品，以及終端設(shè)備、應(yīng)用系統(tǒng)與應(yīng)用服務(wù)等。

北斗特色。制圖/ 劉綺黎

北斗獨(dú)創(chuàng)了“三種軌道”混合星座。它是由GEO衛(wèi)星、IGSO衛(wèi)星和MEO衛(wèi)星三種軌道衛(wèi)星組成的混合導(dǎo)航星座。中國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)管理辦公室主任冉承其指出，世界上其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)都是單一軌道的部署，北斗是三個(gè)軌道的衛(wèi)星組成的星座系統(tǒng)。除了MEO軌道之外，還有同步軌道的，一個(gè)是靜止的GEO衛(wèi)星，一個(gè)是傾斜同步軌道的IGSO衛(wèi)星，由于它們的存在，在亞太大部分地區(qū)，用戶搜到的衛(wèi)星就會(huì)比其他系統(tǒng)多。因?yàn)檫@兩個(gè)軌道的衛(wèi)星高度更高，可見性更好?！俺颂斓仉p向通信，北斗還具有短報(bào)文系統(tǒng)，而短報(bào)文通信功能是其他國家的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)都不具備的功能。在海上，沒有手機(jī)信號(hào)，或者災(zāi)害發(fā)生時(shí)通信受阻，這時(shí)候，如果你有北斗終端，就可以通過衛(wèi)星發(fā)送短報(bào)文來與外界聯(lián)系。如果你在中國及周邊地區(qū)，一次可以發(fā)一千個(gè)漢字呢。不過它跟發(fā)手機(jī)短信又不太一樣。現(xiàn)在的普通手機(jī)還發(fā)不了短報(bào)文，必須用北斗專門的通信終端才能發(fā)。中國的漁民和海洋執(zhí)法船都有這樣的裝備?！?/p>

與此同時(shí)，北斗系統(tǒng)是全球第一個(gè)提供三頻信號(hào)服務(wù)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。GPS使用的是雙頻信號(hào)，使用雙頻信號(hào)可以減弱電離層延遲的影響，而使用三頻信號(hào)可以構(gòu)建更復(fù)雜模型消除電離層延遲的高階誤差。同時(shí)，使用三頻信號(hào)可提高載波相位模糊度的解算效率，理論上還可以提高載波收斂速度，這就是北斗的后發(fā)優(yōu)勢。

此外，位置信息（Position）、速度信息（Velocity）和時(shí)間信息（Time）是構(gòu)成北斗信息服務(wù)的“三要素”。

北斗系統(tǒng)可向全球提供優(yōu)于10米的定位服務(wù)，亞太地區(qū)定位精度達(dá)到5米。北斗系統(tǒng)提供的位置信息服務(wù)，輸出結(jié)果為“經(jīng)度、緯度、高程”或者“x，y，z”，不管哪種輸出形式，恰好都是“三個(gè)參量”，一個(gè)不多，一個(gè)不少。同時(shí)，通過精密單點(diǎn)定位、星基增強(qiáng)、地基增強(qiáng)等方式，可將定位精度提高到米級(jí)、分米級(jí)乃至厘米級(jí)。北斗系統(tǒng)提供的測速精度能力優(yōu)于0.2米/秒。北斗系統(tǒng)可為用戶提供優(yōu)于20ns的授時(shí)服務(wù)，在此基礎(chǔ)上利用差分授時(shí)、雙向比對(duì)等技術(shù)手段，可進(jìn)一步提升授時(shí)精度。

實(shí)際上，無論你在哪里，北斗都在你身邊。在全國30多個(gè)城市650多萬輛汽車上都裝有北斗芯片;國際上主流的智能手機(jī)都用到了北斗。手機(jī)導(dǎo)航有兩部分組成。一部分是收衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)的芯片，這個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航是以芯片的模式體現(xiàn)在手機(jī)的硬件里面，另外一部分是基于芯片收星以后提供服務(wù)的導(dǎo)航軟件 ，比方說大家熟悉的百度、高德地圖，把北斗發(fā)送的位置信息展示在一張地圖上，讓人們方便地去找路。手機(jī)終端是否用到北斗系統(tǒng)，是體現(xiàn)在芯片里面的。

現(xiàn)實(shí)生活中，一到立交橋、高架上，導(dǎo)航顯示的信息就讓人犯暈。這是因?yàn)樾l(wèi)星提供給手機(jī)的是一個(gè)空間位置，包括經(jīng)度、緯度和高度的三維位置信息，而導(dǎo)航軟件提供的地圖是二維的，沒有體現(xiàn)定位高度，所以就會(huì)出現(xiàn)導(dǎo)航誤差。

更令人疑惑的還有，當(dāng)遇到導(dǎo)航信號(hào)弱時(shí)，手機(jī)卻顯示的是GPS信號(hào)弱。對(duì)此冉承其表示，其實(shí)這里面有一個(gè)小小的誤解?！癎PS其實(shí)是全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的一個(gè)英文縮寫，因?yàn)閯傞_始用衛(wèi)星導(dǎo)航時(shí)，全世界用得最多的就是美國的GPS系統(tǒng)，日久習(xí)慣了大家一說衛(wèi)星導(dǎo)航就容易想到GPS。手機(jī)廠商、地圖軟件的制造商也往往用GPS來代替所有衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。其實(shí)走到今天，衛(wèi)星導(dǎo)航已經(jīng)是多系統(tǒng)兼容共用，包括美國的GPS、俄羅斯的格洛納斯、歐洲的伽利略，當(dāng)然更包括中國的北斗?！比匠衅浜粲跤嘘P(guān)手機(jī)廠商、地圖軟件制造商，能夠根據(jù)我們衛(wèi)星導(dǎo)航的情況做適應(yīng)性調(diào)整?！氨热?，我建議把‘GPS信號(hào)改成‘衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)?！?h3>協(xié)同5G打開新世界

從2017年11月以來，北斗近兩年連續(xù)18次組網(wǎng)發(fā)射，將28顆北斗三號(hào)組網(wǎng)衛(wèi)星，2顆北斗二號(hào)的備份衛(wèi)星，順利送入軌道。平均每個(gè)月發(fā)射1.2顆衛(wèi)星，刷新全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)組網(wǎng)速度世界紀(jì)錄。

冉承其表示，2035年，我國將建成以北斗系統(tǒng)為核心，更融合、更智能的國家綜合定位導(dǎo)航授時(shí)體系，進(jìn)一步提升時(shí)空信息服務(wù)能力，實(shí)現(xiàn)由深空到深海的立體服務(wù)覆蓋，要讓多種應(yīng)用模式更加融合，具備由公里級(jí)定位精度到分米、厘米級(jí)定位精度的多樣化服務(wù)能力。

“這個(gè)體系已經(jīng)完成了初步論證，也開展了關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和研究工作。我們也非常有信心，能夠在2035年之前建設(shè)一個(gè)更好的綜合時(shí)空服務(wù)體系，為中國、為全世界提供更好的服務(wù)。”他說。

隨著北斗構(gòu)建了更加高精度、高可靠、高安全的新一代信息時(shí)空技術(shù)體系，北斗在應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化方面也在不斷邁上新臺(tái)階。北斗和5G的融合更是將在智慧城市、智慧制造、智慧家庭、智慧農(nóng)業(yè)等未來的新技術(shù)方面發(fā)揮出巨大作用。

在我國遠(yuǎn)洋捕撈的漁船上，搭載著2萬多臺(tái)套北斗導(dǎo)航系統(tǒng)終端，每年服務(wù)3億人次以上。每年有上百名海上遇險(xiǎn)的漁民利用北斗導(dǎo)航的精確定位得到了救援。

在東北和新疆廣袤的農(nóng)場里，2000多套無人耕種機(jī)械，接收著來自北斗衛(wèi)星的定位信號(hào)，在大田里循著既定路線自助耕作，提高作業(yè)效率30%以上……

北斗智能公交系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了公交車輛的精確到站預(yù)報(bào)和智能化管理，平均到站時(shí)間預(yù)報(bào)誤差小于1分鐘，每天惠及數(shù)百萬市民出行。

曾經(jīng)，我國95%的民用導(dǎo)航市場被美國主導(dǎo)的GPS全球定位系統(tǒng)所壟斷;如今，大部分市場份額已被我國自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的北斗導(dǎo)航系統(tǒng)所取代。

上海市歷來高度重視北斗衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)發(fā)展，它已經(jīng)成為響當(dāng)當(dāng)?shù)目苿?chuàng)“明星”。目前，上海北斗衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)規(guī)模逐年上升，擁有相關(guān)企業(yè)約百家，產(chǎn)品覆蓋了導(dǎo)航衛(wèi)星、星地增強(qiáng)系統(tǒng)、芯片、板卡、終端、導(dǎo)航數(shù)據(jù)采集和處理、系統(tǒng)集成、運(yùn)營服務(wù)等各個(gè)領(lǐng)域。

2016年由上海交通大學(xué)領(lǐng)銜、8家產(chǎn)學(xué)研單位合作的“北斗導(dǎo)航與位置服務(wù)關(guān)鍵技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)化”獲得2016年度上海市科技進(jìn)步獎(jiǎng)唯一的特等獎(jiǎng)。項(xiàng)目帶頭人、上海交通大學(xué)郁文賢教授團(tuán)隊(duì)潛心30年科研攻關(guān)，在核心算法、基礎(chǔ)產(chǎn)品和特色應(yīng)用三個(gè)技術(shù)層面取得重要突破，直接催生和持續(xù)帶動(dòng)了上海西虹橋北斗產(chǎn)業(yè)園的快速崛起，在北斗導(dǎo)航領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了全產(chǎn)業(yè)鏈創(chuàng)新，提升了上海在衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域的創(chuàng)新競爭力與國際影響力，推動(dòng)上海北斗導(dǎo)航領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)集聚，為上海建設(shè)具有全球影響力的高精度導(dǎo)航位置服務(wù)技術(shù)創(chuàng)新中心和新興產(chǎn)業(yè)策源地奠定了重要基礎(chǔ)?！拔磥硎袌鲆欢ㄊ潜倍坊?，而非GPS化?！庇粑馁t教授自信地說。

2019年年底，上海市北斗導(dǎo)航研發(fā)與轉(zhuǎn)化功能型平臺(tái)正式啟動(dòng)，這個(gè)平臺(tái)是上海科創(chuàng)中心建設(shè)的“四梁八柱”的重要組成部分。上海西虹橋?qū)Ш郊夹g(shù)有限公司作為北斗功能型平臺(tái)的主要承建單位，將圍繞復(fù)雜場景、高可用、高精度融合導(dǎo)航技術(shù)提供研發(fā)、標(biāo)準(zhǔn)、測試服務(wù)和整體解決方案等技術(shù)共性服務(wù)，建成場景適應(yīng)性導(dǎo)航技術(shù)研發(fā)支撐體系，加速北斗導(dǎo)航領(lǐng)域創(chuàng)新成果轉(zhuǎn)化，推動(dòng)具有全球影響力的導(dǎo)航科創(chuàng)中心建設(shè)，服務(wù)國家北斗戰(zhàn)略和上海乃至長三角導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)技術(shù)集群創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)集聚發(fā)展。

北斗為道路上行駛的車輛提供高精度定位系統(tǒng)。

業(yè)內(nèi)專家一致認(rèn)為，2020年是北斗實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)折發(fā)展的關(guān)鍵年，將從系統(tǒng)建設(shè)轉(zhuǎn)向產(chǎn)業(yè)發(fā)展，從研發(fā)轉(zhuǎn)向產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，從單一技術(shù)產(chǎn)業(yè)向多技術(shù)多產(chǎn)業(yè)深化融合轉(zhuǎn)折。

作為北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的垂直應(yīng)用之一，車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高速發(fā)展無疑將全方位受益于北斗的全面布局和高精度定位。郁文賢在接受記者采訪時(shí)說，全球定位系統(tǒng)GPS的定位能夠“精確”到幾米，對(duì)于民用GPS而言，最好的定位精度也不過3-5米。而我們的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)呢，不僅實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜環(huán)境下單點(diǎn)定位精度優(yōu)于0.8米，動(dòng)態(tài)RTK定位精度優(yōu)于5厘米，還可實(shí)現(xiàn)室內(nèi)定位精度優(yōu)于1米的高超技術(shù)。室內(nèi)外的“最后一米”問題解決了，“這意味著，如果在路上開車，可以精確到你在哪一根車道;即使在室內(nèi)，通過多種傳感器技術(shù)的融合，也可知道你在哪個(gè)房間、坐在哪張桌子前。”

北斗為道路上行駛的車輛提供了高精度定位服務(wù)，它可以實(shí)現(xiàn)端到端亞米級(jí)，甚至厘米級(jí)的動(dòng)態(tài)定位。在極端惡劣的天氣下，車載激光雷達(dá)和攝像頭等融合感知設(shè)備會(huì)一定程度上失效，從而影響車車、車路之間的狀況判定，不能及時(shí)有效地傳遞信息，“而北斗高精定位技術(shù)卻不受天氣環(huán)境等外界因素影響，在任何情況下，它都可以保證汽車的精準(zhǔn)定位，可以充分保障車輛行駛安全，降低事故發(fā)生率”。

公路交通無疑是我國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用最成熟、最廣泛的行業(yè)之一，此外，在測繪、航空、智慧城市、公共安全、工農(nóng)機(jī)械、無人系統(tǒng)等領(lǐng)域，北斗的應(yīng)用也將進(jìn)一步深化。衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)究竟有哪些應(yīng)用，專家說了——北斗的應(yīng)用只受制于我們的想象力。

讓我們立即進(jìn)入 “北斗+5G ”打開的新世界吧！