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北斗资讯丨杨长风总设计师:进入全球化新时代的北斗卫星导航系统

今年7月,我国“北斗三号”建成开通,为全球提供服务,极大地鼓舞了全国各行业应用北斗的热情。

为了深入贯彻“要加快推进北斗应用规模化、产业化发展,让关键领域先用起来,在使用过程中不断优化提升”的有关指示精神。

在中国科协和郑州市人民政府的指导下,中国卫星导航定位协会与郑州高新技术产业开发区管理委员会,8月31日,郑州隆重举办了主题为“集智高新区 北斗系中原”的北斗产业发展高端论坛,会上北斗卫星导航系统建设的总设计师杨长风的报告,全面讲解了进入全球化新时代的北斗卫星导航系统的发展前景,以及对北斗广泛应用而寄托的希望。

北斗卫星导航系统是我们国家16个重大专项之一,主要是体现我们的自主建设、独立运行,向全球用户提供全天后、全天时、高精准地位以及导航和授时服务,是作为国家重要的空间基础设施来组织实施。


7月31号北斗系统向全球开放,实际上是代表了北斗系统向全球提供服务的一个新时代的重要标志


卫星导航实际要说的话,大家都说我们国家的卫星导航,卫星导航是国家重大的时空信息的基础,它是一个基本定位,什么含义?实际上卫星导航就提供两个参数,卫星给我们提供一个定位参数,一个时间参数。因为时间参数和位置参数的变化,就得到了速度。现在一般叫做PVT,实际上是我们定位和时间,再加上定位和时间的变化,所形成的授时,就是这三个叫做PVT。


从PVT延伸到导航,实际上导航大家都在用,我们手机里面有一个地理信息系统,包括北斗、高德,是一个地理信息的匹配,和我们的定位匹配以后就形成了导航。你到目的地有地理参数相匹配以后,这就是我们的导航。

我们的卫星导航实际上就提供两个东西,我在哪儿,什么时候。这就是我们卫星导航真正的主要的意义所在。这里面有这么几个方面的功能,一是定位导航设施,这个是大家都知道的,再加上授时,现在延伸到测姿地下,刚才我看杂志的时候看到了地铁上在用,实际上这个原理就是把测姿和地下用到轨道上面来了,马上就可以看到轨道的平整度,包括两个轨道的距离差距。还有一个是位置报告和短报文通信,这就是我们北斗系统最大的特点,在别的GPS也好,其他也好,都没有这个,这是中国具有独特优势的两个功能。


卫星导航系统实际上是三大块,一是空间段,我们叫做天网,现在我们北斗有30多颗,北斗二号有15颗。二是地面段,实际上有40多个地面监测站,主要是能够测量和控制我们整个的卫星星座的,这个在我们自己行内叫做天罗地网。三是用户端,各行各业,各个地区,包括千家万户所用的终端,这就是用户端。


原理的话,简单来说就是三球交汇原理,就是天上有三颗星,这三颗星是已知的,三个已知点测你这个点。要把时间算出来,把位置算出来以后,我们就可以精确的知道这个位置在什么地方。这是我们的定位原理,实际上很简单。


下面讲一下工程建设情况,这里面有一段话:一是要建设世界一流的北斗系统;二是要在2020年要有产值4000亿,这是原来在16个重大专项里面明确的。


北斗系统的建设“三步走”,这里面有两个具体的含义,一是先区域、后全球,二是先有源、后无源。先区域后全球大家都明白,就是由我们原来的北斗一号覆盖中国境内,北斗二号覆盖亚太地区,最后北斗三号覆盖全球。先有源后无源,这个有源是什么概念?


我们原来的北斗一号和北斗二号使用的有源,这个有源类似手机一样,要发信号,在发信号的体制就是有源,我要用手机卫星进行通话,这是有源。无源就是收音机,大家通常用的GPS,就是只接受信号。接受信号的过程就是无源,而且这个无源就是我只知道自己在什么地方。我们这个有源有一个很好的特点,既能够知道我在什么地方,也能够知道你在什么地方。


所以,我们整个北斗三步走,实际上在这两种含义的情况下实时发展。发展时间,第一,1994—2000年,第二,2004—2012年,第三,2013—2020年。我们现在被很多国家借鉴方案,包括印度、韩国等等国家,他们就是用北斗二号的区域性来建设的。



北斗一号是陈芳允先生提出来的,这是863的,酸性定位原理,把两颗卫星作为两个圆,把地球作为一个圆。我们的北斗一号就是只用了两颗星,我们的定位原理也是三星调动原理,它的位置不是本身自己终端,是有我们在北京有一个处理中心,按照三球交汇原理算出来,然后再通过卫星传导你们哪里,就是有了这个原理以后,创造了中国最具有特色的通导融合体制。这个通导融合体制实际上是北斗三号,从一号、二号、三号,这是集成发扬的体现。应该来说,在2000年,我们进入北斗卫星导航系统,是世界第三个独立自主、独立运行的卫星导航系统。这个还是相当了不起的,就用了三颗卫星。


北斗一号的指标,在整个国家范围内覆盖,我们有一个通信容量,就是短报文,每小时有75万次服务,高程精度在20米,我们最大的特点是授时运动比较高,在20万,这个精度是比较高的。


北斗二号,刚才说了,实际上是2004年开始启动的,2012年12月27日建成,有5+5+4,5个IGSO、5个GEO,还有4个MEO轨道,2.2万公里的倾斜轨道。这四个实际上为我们实现全球打下了基础,同时又为5+5星座做了备份。这个混合星座世界上是首创,这也是中国的卫星导航向世界提供的中国方案。这里面最重要的一点,就是我们的体制是两种体制,刚才说的,有源和无源,这里面叫主动和被动,主动就是有源,可以发射无线电波信号,被动是接收的,就是GPS。我们北斗二号最大的特点,就是混合星座,一个有源和无源两种导航体制。


这是北斗二号的覆盖区域,这个是亚太地区,按照这里的要求,定位精度明显的提高了,类似于GPS的平面和高程,在10米,我们也测速了。北斗一号不能测速,北斗二号是可以测速的,精度很高,每秒0.2米,还有授时,单向和双向都有,再加上短报文通信,还有广域差分和基地系统。


世界的北斗也就是一流的北斗,同时我们的产值到2020年达到4000亿。刚才于会长说2019年是3450亿这样的产值,今年预计到超过4000亿。


北斗三号的性能明显的增加了,除了三个基本参数,就是导航、定位、授时基本以外,又增加了精密但点定位、星基增强、大容量RDSS,就是大容量的短报文,还有中轨搜救,这是国际搜救组织为他们提供的,马航事件以后,进行全球搜救的功能。还有全球位置报告,这是功能增强。


北斗三号跟北斗二号相比最大就是功能由原来的几大基本功能和短报文以后,现在可以提供高精度相关的服务和国际搜救,功能得到了极大地提高,这也是世界上最强大的功能最多的卫星导航系统,所以我们用这句话来概括。定位精度,这时候是全球范围内,确实,经过测试,基本上都是在5米左右,在全球范围内,这上面说是10米,实际上实测在5米左右,亚太地区实测在2米左右,有的在1米。这是跟GPS比较。


还有几大特别的功能,包括精密单点功能,高程在0.3米,具有独特优势的一大功能。存在几个方面,实际上我们向世界提供了中国的智慧、中国的力量,也提供了中国精度。所以我们现在叫做中国的北斗、世界的北斗、一流的北斗,一流的北斗实际上就体现在这几个方面。


这个北斗三号目前包含了很多,目前只有40多颗星在工作,值得骄傲的是,从2017年11月份到6月23号,两年半的时间发射了18箭30星发射,从这里面体现了中国质量。在两年半的时间内,应该来说高密度发射,但是发发都是成功的,而且上去以后马上就能够着网,这个速度被世界称之为世界卫星导航的一个奇迹。


有几个特点,覆盖范围扩展了,向全球扩展,它的规模也大了,有30颗星,就是北斗二号有4颗,那4颗某种意义上是我们的实验卫星。通过我们这几年的努力,实现了24颗星MEO,这是全球核心星座。2018年,我们向全球提供服务了,后来三个GEO和3个IGSO,都是三万六的高度。这里面的白线,就是三个GEO的,绿线就是三个IGSO,那些线就是我们的MEO。所以说这是我们的混合应用。这个混合星座使我们成了中国最具特色的一个卫星导航系统,而且从星座的情况来看,我们的星座,大家看混合星座,三万六的高空,还有IGSO,还有MEO,还有GEO,它是靠什么连接的呢?就是靠我们的星链连接,跟其他卫星相比,又是独特的,这是我们国家在全球四大卫星里面第一个实验的星链连接。

它有几个好处:一是精度提高了,一般的卫星导航系统是全球铺站,我们现在不用全球铺站,就是通过星链连接,在中国境内控制卫星。二是可以减免我们在全球铺站,为什么我们的北斗二号是区域系统?当时技术上没有这一步。三是它的安全性,星和星之间是在高空,所以既不受到地面的干扰,而且别人也很难干扰它。这是整个北斗三号系统最大的一个亮点。


北斗系统,刚才已经介绍了北斗系统提供的功能是最多的,全球范围内有定位导航授时、全球短报文通信和国际搜救等等,有七大服务。


应该来说,北斗的一流就是引领全球以后,所有的信号都是非常高的一个,我们定位授时的精度,可以达到9.8,我们的高程6.6米,这是基本的。

我们全面覆盖,这个数字刚才说了,就不细说了。


星基增强,准备开始起用我们的北斗信号来实现。区域短报文,最大的特点,就是在原来的短报文的基础上增加了10倍,可以达到1.4万个比特,相当于一千个汉字,现在的发射功力在3瓦,实际1瓦就可以了。我们利用这个短报文就可以嵌入到手机上,可以利用这个短报文发信息,除了微信以外,今后移动通信够不着的时候,就用华为的手机就可以使用。


地基增强站,我们国家一张网已经用的很好了,不细说了。下面我重点把北斗应用的情况说一下

首先,核心产品,实际上现在我们北斗的基础产品有几个方面:一是芯片。现在用到22万了,已经开始准备量产了,我们的批量超过了1亿,每一个季度有一千万片,用户终端的量已经到4.6亿台了。二是高精度的产品,我看今天展览里面也有很多,目前在国内作为主流市场的产品,到国外有一百多个国家开始使用了。去年到印度去,印度的工地上面很多都用了我们的华策相关的产品。


区域和行业的应用方面,我重点说一下交通,是北斗应用方面做的比较好的。目前已经达到了700万营运车辆,在全国范围内使用我们的两客一危,用了以后事故减少了50%。在交通行业,我说一个花絮,2017年的时候,当时汪洋还是副总理,跟俄罗斯总理会晤的时候,俄罗斯介绍他们的车辆交通管理智能方面取得很大的成就,给我们介绍有2万台在全国范围内实现监控了。到后来我说我们北斗现在在交通行业,当时在2017年的时候就有380万台车,结果我们一说这个数字,他们2万辆跟我们380万辆差距太大了,弄完以后马上要跟我们进行合作。我们交通行业率先进行北斗应用做的不错。


这个是精准农业,我们在黑龙江、新疆大面积应用,它的成本都极大地减少了。


海洋渔业,渔民有一句通俗的话,只要出海,一拜马祖,二拜北斗。为什么拜北斗?因为北斗和手机连了以后,可以跟家人报平安。二是通过北斗渔业的服务平台,告诉他哪个地方有渔,渔民们不用自己找了。三是有台风情况的时候可以提前预告,所以我们沿海的渔民知道这个情况马上回来。渔民使用北斗以后,把它作为海神一样在拜。所有移动通信够不着的地方,就要靠我们的北斗来进行实时的位置报告。


自动驾驶,实际上现在北京就实时监考了,倒库是驾驶员考试的一次革命,位置精度非常高。再一个,在建国70周年的时候,我们利用高精度可以到10米,空中飞行梯队分秒不差。


铁路,我们正在做一些相关的实验,这是全过程,包括车费、路基,还有防护,以及整个高铁的监控,都在做全方位的工作。北京市的应用我就不说了,现在用的很好了。


智慧交通,这是在浙江,他们在智慧交通、智慧城市方面都做了很好的典范,在智慧城市建设方面他们是一个比较好的模式。


大众的高精度应用,这里面有手机,最近华为的手机已经把高精度应用于产品,就是可以进行车道导航,一般我们用的时候,就是主路和辅路分不出来,它这个连主路里面有几条道都会分别出来,这个精度很高,北斗正逐步进入手机、平板电脑、共享单车等,还有用在幼儿园。还有这些都不细说了。中央电视台报道了北斗助力珠峰的情况,这里面最难的就是在八千多米高度以后,温度太低,40度以下。还有抗疫,实现了无人派送,还有火神山的应用。


北斗导航的使用情况,去年是3450亿,终端达到了6000多万户,产值也是很高的。新兴产业的服务,上市公司有很多了,就不说了。听说那次开通仪式一宣布,我们上市公司连续三个涨停板。


新兴产业的一些应用,这些方面就更多了和北斗的应用,这是我们的特色服务。


北斗和5G结合,5G可以增强我们的导航。还有跟人工智能的结合,现在已经有了一些产品。还有跟物联网的,已经结合了。现在跟汽车,包括无人驾驶、智慧网联,现在已经进入前端了,有很好的生态链。



在国际合作方面,现在已经有120多个国家开始使用,我们现在在巴基斯坦那边建设了地基增强站,还不错。在阿尔及利亚也建了地基增强站,效果也不错。借着“一带一路”的东风,我们沿线国家有了相关的合作,这些都是在“一带一路”国家国际合作的相关情况。

 

未来的展望,第一,要建设更加泛在、更加融合、更加智能的综合PNT应用服务体系要求,我们进行全域无缝覆盖的网,这是未来四五年要做的事,一个统一、一个全面、四个高。


第二,在用应用方面,北斗和新兴技术的网络融合应用,应该说今后的一个方向。所以说进入智能时代以后,我认为就是要做好数字化的服务,一是融网络,把北斗的网和其他的网链起来。二是融数据,要和各行业和各个领域融合,三是融终端。这些融合就实现了跟新兴技术和多各行业、多个领域实现大融合,北斗最重要的方面,只有跟其他行业形成北斗+或者+北斗,它才有生命力。国际合作有四个方面,就是北斗高精度、短报文以及融合应用的总体思路来共同推进国际合作。


总的来说,卫星导航技术的发展和应用只受想象力的限制,我们愿与各位同仁一道,共同推动北斗系统发展,聚力促进北斗应用推广。

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