当前位置: 首页 >> 网站首页 >> 祖国新貌
北斗三号首发成功 全球组网走向世界
发布时间:[ 2017-11-13 14:32 ] 文章来源:< 综合 > 浏览量: 7136
 
北斗三号首发成功 全球组网走向世界
       
        ——我国北斗导航系统进入全球组网新时代
 
    11月5日19时45分,我国在西昌卫星发射中心用长征三号乙运载火箭以“一箭双星”方式,将北斗三号第一、二组网卫星发射升空。卫星顺利进入中圆地球轨道,经测试及入网验证后,将适时对外提供服务。这是北斗三号卫星的首次发射,也是党的十九大胜利召开后实施的首次航天发射,标志着中国北斗卫星导航系统步入全球组网新时代。
    北斗三号卫星增加了性能更优、与世界其他卫星导航系统兼容性更好的互操作信号B1c和B2a信号,在进一步提高基本导航服务能力基础上,按照国际标准提供星基增强服务及搜索救援服务。
    卫星采用更高性能的铷原子钟和氢原子钟。据介绍,铷原子钟天稳定度为E-14量级,氢原子钟天稳定度为E-15量级,其精度相当于每300万年误差仅为一秒。
    新技术的运用使北斗三号卫星性能得到大幅度提升,空间信号精度优于0.5米;定位精度在北斗二号系统的基础上提升1至2倍,达到2.5米至5米水平。
    北斗三号工程自2009年正式启动建设以来,我国全面突破系统核心关键技术,完成地面验证,卫星状态基本固化。2015年至2016年,我国成功发射了4颗北斗三号试验卫星,完成了在轨验证。
    后续我国将迎来新一轮北斗组网卫星高密度发射。2018年前后计划发射18颗北斗三号组网卫星,覆盖“一带一路”沿线国家;2020年左右将完成30多颗组网卫星发射,实现全球服务能力。我国同时将以北斗系统为核心,构建国家综合导航定位授时体系,将天空、地面、水下、室内构成完整体系,显著提升国家时空信息服务能力。
    建设高性能、高可靠的北斗全球卫星导航系统,是我国科技领域中长期发展规划的16项重大专项之一。系统建成后,性能与GPS相当,将使我国卫星导航系统达到国际先进水平。
    我国于20世纪后期开始探索适合国情的卫星导航系统发展道路,逐步形成“三步走”发展战略:2000年年底建成北斗一号系统,向中国提供服务;2012年年底建成北斗二号系统,向亚太地区提供服务;2020年前后建成北斗全球系统,向全球提供服务。
   
一、惊心动魂的研发历程
    将我国自主建造的卫星导航系统命名为“北斗”,饱含着近代以来中国历经劫难的清醒、走向复兴的企盼:中国命运必须自己掌控,大国重器必须自己打造。
  上世纪90年代,在海湾战争中,装载GPS的精确打击武器首次大规模使用,作战效能令全球震惊,显示出卫星导航系统对一个国家的重要意义。
  1994年,在国家经济实力、技术基础仍非常薄弱的情况下,党中央、国务院和中央军委毅然决定启动北斗一号工程,进行卫星导航试验探索。当时,美国GPS、俄罗斯格洛纳斯各发射了20多颗卫星,已完成了全球组网。
  放眼星空,最适合卫星导航的黄金频段已被美俄全部占用。我国与同时希望建设自己卫星导航系统的欧盟,推动国际电联从航空导航频段中,最大限度地挤出一小段频率,提供卫星导航共同使用。这一小段频率,是建设一个全球导航系统最基本的频率需求,各国均可平等申请。2000年4月17日,北斗和伽利略系统同时成功申报。按照国际电联规则,必须在7年有效期内成功发射导航卫星。
  摆在北斗人面前的只有两条路,一是寻求合作,共用资源;二是独立发展,抢占主动。
  北斗人一方面立足独立自主建设,一方面积极寻求国际合作。但对中国这样的大国,在关系国家重大竞争力的合作中,自身没有过硬实力和核心技术,往往难有对等交流。与欧盟的多轮频谱合作谈判进展缓慢。
  2005年,欧盟发射了首颗伽利略导航卫星。此时,距北斗申请使用的频段有效期只剩不到3年时间,如果不能在此期限内成功发射一颗导航卫星,频段就只能花落别家。但首颗北斗导航卫星还在研制中。
  社会主义制度能够集中力量办大事,我们的政治优势再次凸显。在全社会相关行业、领域、单位、人员的通力协作下,北斗科研团队背水一战,倒排工期,硬是将原定2007年底发射的首颗卫星,调整到2007年2月底,提前完成全部研制工作。
    2007年4月初,首颗北斗导航卫星终于如期矗立在发射塔架上。各项测试进展非常顺利,但在发射前的最后检测中,卫星上应答机却出现了小异常。尽管这不是个大问题,发生故障的概率也不高,却有可能影响信号的正常传回。这是绝不能允许的!即便只有万分之一的故障,也必须彻底归零。北斗人重新打开已矗立在塔架上的星箭组合体,拆出应答机。3天72小时的不眠不休,应答机隐患成功排除。同年4月14日4时11分,这颗肩负着重要使命的卫星,从西昌卫星发射中心发射升空,成功进入预定轨道。两天后的16日20时许,北京终于清晰接收到来自这颗卫星的信号。
  这一刻,距离国际电联规定的频率申请失效最后期限不到4个小时。
  北斗卫星一飞冲天,中国终于赶上了建设全球卫星导航系统的最后一班车,中国终于在全球卫星导航系统大家庭中占有一席之地,其研发过程真可谓是惊心动魂、扣人心弦。
   
二、别具特色的赶超路径
    闯出一条新路,是中国人的自信。建设中国北斗,在这个发展中国家,在受到技术严密封锁情况下,不可能循着别人的路走,必须砥砺前行、换道超车。
  探路——北斗人不相信有完不成的任务,不相信有克服不了的困难,不相信有战胜不了的敌人,他们迎着困难上,踏着风浪行,“摸着石头过河”,一步一个脚印。
  按照空间定位原理,对地球上一个目标点进行定位,至少需要3颗卫星;考虑到时间误差,精确定位至少需要4颗卫星。这就是GPS和格洛纳斯的工作原理和全球组网方案。如果按这条路探索试验,以我国当时的综合国力,可望而不可即。
  陈芳允院士,“两弹元勋”“863计划”倡导者之一,创造性提出了“双星定位”建设方案。这一方案用当时中国最成熟的航天技术,以最小的星座、最少的投入、最短的周期,实现了卫星导航系统建设的自主可控。
  绘路——按照别人的图纸搞建设,无异于削足适履。中国北斗,需求牵引、创新驱动,哪里急需、哪里先建,边建边用、逐步延伸……
  建成覆盖全球的导航定位系统,至少需要24颗卫星,美俄用了20多年时间。但维护我国国家主权、安全、发展利益刻不容缓,经济社会发展现实需求迫切,拖不起、等不得。
  孙家栋院士,“两弹元勋”、东方红一号卫星总设计师、北斗工程首任总设计师,带领北斗人创造性提出了“分步走”战略,先试验后建设,先国内后周边,先区域后全球。
  地球自转“日行八万里”,导航卫星绕飞不间断,要为地面一个特定区域提供连续稳定的导航服务,按照GPS和格洛纳斯采取的单一轨道星座构型,在全球组网完成之前无法实现。
    北斗人再次开创性地设计了混合星座构型。2012年底,建成由地球同步轨道卫星、倾斜同步轨道卫星和中圆轨道卫星共14颗星构成的北斗二号卫星导航系统,实现了全天时全天候为亚太大部分地区提供定位导航授时服务。
    到2020年左右,我国全面建成小康社会之际,全部30多颗北斗三号卫星将光耀全球。
    筑路——人类对时空的精准需求永无止息,建设满足国家和人民需求的导航系统,标准高、难题多、基础弱,遍地荆棘中,北斗人勇攀巅峰。
    对导航卫星来说,星载原子钟是确保导航定位精度的关键设备。该设备可利用原子跃迁频率稳定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。过去,只有少数国家能制造高精度原子钟,核心技术终究得靠自己,有骨气的北斗科研团队不到两年时间,就自主研制出极高精度的原子钟。
    北斗三号卫星配置了五院西安分院抓总研制的新一代铷原子钟,其频率稳定度较北斗二号系统提高了10倍,达到世界先进水平。该技术的进步,能直接推动北斗导航系统的定位精度由10米级向米级的跨越,测速和授时精度也将同步提高一个量级。
    同时,北斗三号卫星还配置了中国航天科工集团二院203所新研制的氢原子钟。氢原子钟质量和功耗比铷原子钟大,但稳定性和漂移率等指标更优。2015年,国产氢原子钟首次在北斗三号试验卫星上应用验证,至今功能、性能稳定。两种原子钟配合应用,将力助北斗导航“指哪到哪”。
    定位精度是导航系统的生命。单纯依靠卫星,目前定位精度大都在10米量级。要进一步提高精度,只在天上下功夫,短期内难有大的突破。北斗人发现,国家气象、交通、国土资源等行业已建有大量GPS基准站,通过技术升级改造,即可变为北斗基站,进一步新建和调整优化布局,即可建成国土范围内无缝隙覆盖的北斗地基增强网。2017年,1400多个北斗基站遍布全国,上万台套设备组成星地“一张网”,国内定位精度全部达到亚米级,部分地区达到分米级,最高精度甚至可到厘米或毫米级。
  2016年,北斗二号卫星工程以4个国际首创、10大技术创新、128项发明专利和其他72项知识产权,获得国家科技进步特等奖。大器晚成的中国北斗,成功登上了我国科技重大工程的创新之巅。
   
三、看点颇多的技术突破
    中国是继美、俄之后世界上第三个拥有自主卫星导航系统的国家。2009年,北斗三号工程正式启动建设。北斗三号全球组网卫星的首次发射,将稳步推动北斗三号系统建设,加快北斗系统尽早服务全球,造福全人类。
  新技术使北斗三号的性能得到大幅提升,空间信号精度(SIS)优于0.5米。北斗三号的定位精度将达到2.5-5米的水平,并在保留短报文功能的前提下提升相关性能。
    新时代北斗发展蓝图是构建国家综合PNT体系建设,就是以北斗卫星导航系统为核心,建成天地一体、覆盖无缝、安全可信、高效便捷的国家综合PNT体系,显著提升国家时空信息服务能力,满足国民经济和国家安全需求,为全球用户提供更为优质的服务。
    如同停水停电影响城市生活一样,卫星导航服务一旦失效,不仅国家的经济运行要受到极大的影响,人们的生活也将带来很大的不便,这也就给卫星导航系统的可靠性提出了苛刻的要求。总体而言,北斗三号在技术上实现了新的突破,看点颇多,概括起来是“三高一多”。即:高精度、高可靠、高保险、多功能等特点。
  ——高精度。在北斗二号性能的基础上,北斗三号在设计之初,就把目标放在尚未发射的第三代GPS导航卫星以及欧洲伽利略导航系统的设计指标上。
  北斗三号全球导航系统的定位精度将大幅提升,达到2.5米至5米水平,建成后的北斗全球导航系统将为民用用户免费提供约10米精度的定位服务、0.2米/秒的测速服务,并且将为付费用户提供更高精度等级的服务,卫星设计寿命达10年以上。随着北斗地基增强系统提供初始服务,可提供米级、亚米级、分米级,甚至厘米级的服务。届时,中国北斗的精度将与美国GPS相媲美。
  ——高可靠。北斗是一个系统工程,用户每一次享受到北斗系统的服务,都必须保证有至少4颗卫星提供服务;北斗又是一个全球覆盖的系统,至少需要有20余颗卫星同时提供稳定服务,这一特点决定北斗系统对质量可靠性要求比单星更高,对产品可靠性的要求更苛刻。北斗还是一个固有属性要求必须连续运行的系统,信号不能中断,系统必须连续、稳定、完好、可靠。
  ——高保险。北斗卫星全球导航系统作为一个大型系统工程,采用多重可靠性“加固”措施,可最大限度地增强系统的保险系数。
  比如,系统建成后运行卫星数量大于服务必需卫星数;同时,北斗三号卫星还采用了软件冗余、故障自我诊断、故障自我修复等多项措施,保证系统可靠性,大大提升用户的体验。
  ——多功能。中国北斗除具有短报文等特色功能外,还可以将用户的位置信息发送出去,让其他人可以知道用户的情况,较好地解决了何人、何事、何地的问题。把短信和导航结合起来,是北斗卫星导航系统的一大特色,一个终端,就可以导航、通信兼备。
   
四、服务全球的中国北斗
    当今世界,GPS、北斗、格洛纳斯、伽利略四大卫星导航系统争奇斗艳,若全部建成,全球导航卫星将达百颗以上。如何看待与其他导航系统的关系?北斗系统自建设之初就给出了答案,始终践行“中国的北斗,世界的北斗”理念,要与其他卫星导航系统相互兼容、共同发展,造福全球“一家人”。
    在这一原则指导下,北斗系统设计了兼容互操作技术,为用户能在终端上接收多个信号提供了基础,由此带来的便利性将保证全球用户利益的最大化。
    如今,中国北斗已敞开胸怀,等待世界的接纳。
    服务全球,必须覆盖全球。在难以全球布设地面站管理卫星的情况下,必须建立卫星之间的星间链路,实现卫星管卫星,这是世界导航领域的前沿技术,也是北斗三号工程建设必须解决的难题。为此,科研人员攻克了星座星间链路技术,实现了卫星与卫星、卫星与地面站的链路互通。也就是说,虽然“看不见”在地球另一面的北斗卫星,但用北斗卫星的星间链路同样能与它们取得联系。2015年8月,两颗全球系统试验卫星首次建立起星间链路,标志着我国掌握了这一国际领先的核心技术。星间链路技术不仅实现了北斗卫星相互间的通信和数据传输,还能相互测距,自动“保持队形”,减轻地面管理维护压力。北斗三号设计了全新的网络协议、管理策略和路由策略,解决了不能全球布站进行卫星境外监测的难题,成为北斗全球导航系统建设的一大特色。
  服务全球,必须融入全球。3年前,北斗与GPS在达成频率兼容共识基础上,正式建立合作机制,共同推动民用卫星导航技术发展。两年前,北斗与伽利略完成卫星导航频率协调工作。不久前,北斗与格洛纳斯成功进行两大系统的兼容试验,联手打造兼容使用、精度更高卫星集群的前景可期。
  服务全球,必须用于全球。北斗二号建成后,在向国内提供系统服务的同时,即公开向南北纬55度、东经55度到180度的亚太地区提供定位精度优于10米、测速精度优于0.2米/秒、授时精度优于50纳秒的免费服务。
    在我国周边和“一带一路”沿线,巴基斯坦的交通运输、港口管理,缅甸的土地规划、河运监管,老挝的精细农业、病虫灾害监管,文莱的都市现代化建设、智慧旅游……北斗正在提供心贴心定制服务;分别与马来西亚、新加坡等开展交流合作,与沙特、阿联酋等国家制定推进措施,在泰国建成小型北斗地基增强系统示范网……北斗彰显的中国胸怀和中国贡献伴随“太空丝路”不断延展。
    “中国的北斗,世界的北斗。”正在从蓝图变成现实。早在北斗二号正式提供区域导航定位服务前,我国就开始了北斗三号全球导航系统的论证研制工作,确定了建设独立自主、开放兼容、技术先进、稳定可靠的全球卫星导航系统的发展目标。
    相对于北斗二号区域系统,北斗三号服务区域将扩展至全球,同时,实现了下行导航信号升级与改造等关键技术方面的突破,实现了与北斗二号下行导航信号的平稳过渡,并在此基础上增加了新的导航信号,为用户提供更为优质的服务。
  据悉,建设高性能、高可靠的北斗全球卫星导航系统,是我国科技领域中长期发展规划的16项国家科技重大专项之一,系统建设既是对北斗区域系统的完善与升级,更是聚焦世界一流卫星导航系统的攀登与跨越,将使我国卫星导航系统达到国际先进水平。
   
五、无处不在的导航服务
    中国北斗联天下,北斗导航服务无处不在,北斗与人们的生活息息相关。
    导弹呼啸、战机轰鸣、军舰破浪、将士列阵,北斗如影随形,战场的主动权、战斗力的增长极牢牢掌控在自己手中。
  5万余艘渔船、400多万辆营运车辆安装了北斗终端,民航也将依托北斗建设航空器全球追踪系统,交通更加安全可控。
  地质灾害多发的云贵川陕等地,大桥、隧道、边坡以及城市的灯塔、高楼、老旧房屋,北斗实时监测、预判危险、及时报警,人民生命财产安全更有保障。
  耕地辽阔的新疆、黑龙江等地,农业机械安装北斗终端,拖拉机自动沿线耕作,无人机自动定量喷洒农药,土地使用率提高5%,复播准确率提高到100%,农药节省40%,劳动生产效益大幅提升。
    2015年“4·25”尼泊尔地震,北斗“穿越”可可西里、“翻越”唐古拉山,指引救援队伍千里驰援。今年8月8日四川九寨沟地震,北斗短报文第一时间将灾区情况送达应急指挥中心。8月下旬,超级台风“天鸽”突袭广东,347艘渔船在北斗引导下安全回港……“北斗呼叫,天降神兵!”面对一起起突发重大灾害,北斗开启一扇扇“生命之门”。
    利用北斗定位和网络技术,市场上销售的“北斗菜”,扫一扫二维码,就能追踪它长在谁家地、用的谁家种、施过什么肥。一些地方的水果种植、畜牧养殖,以至中药生产,都开始利用北斗终端进行溯源管理、全过程监控,老百姓关注的食品药品安全问题有望从技术上得以解决。
  打开“嵌入”北斗的电子地图、约车软件,出行更加便利。共享单车乱停乱放、长途运营疲劳驾驶、超速越线违章行车,运用北斗,都可识别、可定位、可监管、可处罚。
  使用北斗手机,老人遇到紧急情况只需按下求救按钮,就会立刻发送精准信息;戴着北斗手表的儿童,一旦离开安全区域,父母就会收到报警信号。“接地气”的中国北斗,越来越成为人们贴心、便利、可靠的忠实伴侣和“守护神”。
  “北斗+物流”“北斗+支付”……全新的“北斗+”生产生活方式初见端倪。
    当前,北斗的高精度定位、高精度授时、短报文发送功能,与互联网、大数据、云计算、先进“智造”等碰撞融合,不断产生巨大的经济社会效益。一条完整的北斗产业链初具规模:全国从事北斗开发应用的企业已达1.4万家,从业人员近45万,总体产值2118亿元;在70多个国家和地区,吸引了大量忠实的“北斗粉丝”。“自主创新、团结协作、攻坚克难、追求卓越”,北斗精神厚积薄发。北斗的发展,已远远超越当年的设计,未来将只受想象力限制。
    不久前发布的《中国卫星导航与位置服务产业发展白皮书(2016年度)》显示,2016年我国卫星导航与位置服务产业总体产值达到2118亿元,较2015年增长约22.06%。北斗对产业核心产值的贡献率达到70%,我国卫星导航与位置服务产业前景广阔。
    当前我国北斗应用已进入快速发展阶段,随着卫星导航技术与物联网、大数据、云计算等技术和领域的结合,卫星导航与位置服务已成为我国重要的战略性新兴产业。
    专家认为,随着北斗三号的全球组网建设加速,乃至最后完成全球组网,会有更多国家、更多用户使用北斗系统,将进一步拉动北斗应用推广与产业化进程,带动北斗走出国门,走向世界。
  据介绍,目前北斗导航型芯片模块销量已突破3000万片,高精度板卡和天线销量已占据国内市场30%和90%的市场份额,并输出到70余个国家和地区,其中“一带一路”沿线国家和地区30余个,应用于智能手机和其他消费类产品的国产芯片或IP核数量接近2200万。
  北斗系统也正在和互联网、大数据、云计算等技术融合发展,实现“北斗地基增强网+高精度位置服务网+宽带移动互联网”互联互通、“北斗系统+高精度遥感数字地图+导航网格码+云计算平台”融合发展,以及“北斗导航+无线局域网+移动通信+卫星通信”等一体化芯片研发。
  北斗高精度服务方面,在国家北斗地基增强系统基础上,面向大众、触手可及、随需而用的公共服务正在不断开发和提供。
  通过北斗高精度,手机定位可以实现1米的定位精度,特别是在卫星信号观测环境较差、短时间完全遮挡的情况下,手机终端通过高精度定位解决方案中的增强定位服务,可解决手机用户在高架下、隧道、车库等情况下无法定位的问题。
    在共享单车应用方面,北斗高精度定位可以实现共享单车1米精度的定位,大大减少定位误差,方便用户找车。此外,北斗高精度还能提供电子围栏,利用厘米级精度定位进行测量划定,支持后台对高精度定位的共享单车是否停放到规定区域做出判断,方便引导规范停车,减少城市管理成本。
    根据发射计划,到2018年,我国将要发射18颗北斗三号组网卫星,覆盖“一带一路”沿线国家;到2020年前后,将发射30多颗卫星,向全球提供服务。
  目前,中国北斗正在朝着这一目标全速推进,阔步走向世界。
    北斗卫星导航系统是国家重要空间基础设施,中国将坚定不移地持续建设北斗系统,不断提升系统性能,履行服务承诺。
    新时代,中国在建设北斗三号系统的同时,北斗发展蓝图是构建国家综合PNT体系建设(PNT是指定位、导航和授时),以北斗系统为核心,建成天地一体(包括太空、地面、水下、室内)、覆盖无缝、安全可信、高效便捷的国家综合PNT体系,显著提升国家时空信息服务能力,满足国家安全和国民经济需求,为全球用户提供更为优质的服务。(白林)