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中国“北斗”30年:闪耀星空 服务世界

冯杰

2024年01月19日 02:03

中国卫星导航系统管理办公室学术交流中心
光明日报( 2024年01月18日 16版)

古时候,北斗七星是人们用来辨别方向的重要指针。今天,我国自主研发的北斗系统,已成为全球导航领域的璀璨明星。自20世纪70年代起,中国科学家就开始研制自己的卫星导航系统;1994年,中国正式启动卫星导航系统建设和发展,并正式命名为北斗卫星导航系统。30年弹指一挥间,如今,中国的北斗系统正在服务全世界。

中国“北斗”的“特异功能”

北斗卫星导航系统(以下简称“北斗系统”)是继美国GPS、俄罗斯GLONASS之后的第三个成熟的卫星导航系统。该系统由空间段、地面段和用户段三部分组成,可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠定位、导航、授时服务,并且具备短报文通信能力。

说到北斗系统的“特异功能”,首先要从六大星基服务和地基增强服务说起。这七项“特异功能”实现了导航与通信功能高度融合,满足了用户的多样化需求。

北斗系统提供的六大星基服务包括:星基增强服务、精密单点定位服务、区域短报文通信服务、全球短报文通信服务、导航定位授时服务以及国际搜救服务。星基增强服务——这项服务已经写入国际民航组织标准和国际海事组织标准,将为民航、海事等行业用户提供高精度、高完好性的服务。精密单点定位服务——这项服务将为中国及周边地区提供动态分米级、静态厘米级的高精度定位服务,满足国土测绘、精准农业、自动驾驶等领域用户的高精度服务需求。区域短报文通信服务——这项服务继承北斗二号短报文服务能力,用户可以无感知地实现过渡,同时将扩大用户容量、实现终端小型化和低功耗。已启动建设北斗短报文应用服务平台,后续将与移动通信技术结合,为大众用户提供更便捷的服务。全球短报文通信服务——这项服务将为全球用户提供短报文通信服务,满足用户在紧急情况下的通信需求。导航定位授时服务——可以定制化地为全球用户提供全天候、全天时、高精度的定位、导航和授时服务。国际搜救服务——这项服务将通过卫星提供国际搜救支持,帮助各国政府和组织在全球范围内开展搜救行动。

北斗地基增强服务是一种通过地基增强系统(CORS系统)提供的高精度定位服务。该系统利用固定和连续运行的参考站,通过现代计算机、数据通信和互联网技术组成的网络,实时地向不同类型、不同需求、不同层次的用户自动地提供经过检验的不同类型的北斗观测值(载波相位,伪距)、各种改正数、状态信息以及其他有关北斗服务项目的系统。与传统的北斗系统作业相比,连续运行参考站有作用范围广、精度高、野外单机作业等众多优点。

北斗地基增强系统由基准站网、数据处理中心、数据传输系统、定位导航数据播发系统、用户应用系统五个部分组成,各基准站与监控分析中心间通过数据传输系统连接成一体,形成专用网络。在硬件及数据处理中心软件上,北斗地基增强服务系统强调以北斗卫星导航系统(BDS)为主,兼容GPS、GLONASS等系统,并要求国产为主导,做到自主可控。区域定义为省级、市级范围,采用更加密集的基准站网(平均间距50km),实现区域RTK、PPP-RTK等服务。

2023年5月17日成功发射的第56颗北斗导航卫星,是中国在北斗卫星导航系统建设过程中的又一重要里程碑。这不仅标志着中国在全球卫星导航系统领域的自主创新能力得到了进一步提升,也为中国在全球航天领域的地位提升注入了新的动力。

随着北斗技术的进一步研发,北斗系统的国际化步伐也在不断加快。全球范围内已经有137个国家与北斗卫星导航系统签下了合作协议。随着全球组网的成功,北斗卫星导航系统未来的国际应用空间将会不断扩展。中国始终坚持开放、合作、共享的理念,推动北斗系统的国际应用。目前,越来越多的国家和地区开始使用北斗系统,中国与多个国家签署了合作协议,共同推动全球卫星导航事业的发展。

冲破重重困难的自研之路

北斗系统的研发,就是一曲我国科技工作者自主创新的奋斗之歌。随着科技的不断发展,全球卫星导航系统已经成为各国科技实力竞争的重要领域之一,其在军事、民用领域的诸多关键应用,决定其核心技术必须掌握在自己手里。这些技术,买不来,学不到。在北斗系统的研发过程中,我们面临了诸多困难和挑战。北斗系统的研发涉及大量高端技术,如星载原子钟、信号传输、多星高精度协同等。这些技术是北斗系统的核心,也是研发过程中的难点。尤其是在早期,由于技术储备不足,研发团队在很多领域都遭遇了瓶颈。例如,卫星原子钟的精度问题、信号传输的稳定性问题等,都曾是困扰团队很长时间的技术难题。

卫星导航系统研发需要大量的高端人才,如卫星设计、信号处理、系统集成等方面的专家。然而,由于我国在卫星导航领域的发展相对较晚,人才储备相对不足。为了解决人才短缺问题,我们一方面加大人才培养力度,提高本土人才的素质和能力,另一方面积极引进海外高端人才,提高研发团队的国际化水平。同时,还要关注人才队伍的稳定性,防止人才流失对研发工作造成影响。

北斗系统的研发是一个长期、复杂且耗资巨大的工程。从项目启动到全球组网完成,国家投入了大量的资金用于基础设施建设、技术研发、人才培养等。资金压力不仅来自于研发阶段的投入,也来自于系统运行后的维护和升级。如何保证充足的资金供应,以确保北斗系统的可持续发展,也是研发过程中必须面对的挑战。

除了自身研发的困难外,国外的竞争环境也十分恶劣。全球卫星导航系统市场已经被美国、欧洲和俄罗斯三国的系统占据。这些系统在技术、市场和用户基础等方面对我们实施技术封锁和市场打压。北斗系统要想在国际竞争中取得一席之地,就必须在技术、服务、应用等方面不断创新和提升,这无疑大大增加了北斗系统研发的难度。

在技术封锁和重重困难面前,中国科研人员不畏艰难,迎难而上,通过不懈努力,攻克了一个又一个技术难关。他们用智慧和汗水书写了一个又一个传奇故事,将不可能变成了可能,这意味着无论何时,我们都可以依靠自己的技术来定位和导航,不再受制于人。

各行各业用“北斗”

北斗系统最主要的应用,在交通运输上。如车辆位置监控与调度,通过北斗卫星系统,车辆的位置信息可以进行实时监测和分析,从而对车辆进行调度和管理。帮助交通管理部门收集和分析交通信息,在智能导航和安全驾驶辅助上,北斗导航系统可以提供智能化的导航服务,包括实时路况信息、道路限速提示、车道偏移预警等。在车联网应用上,北斗导航系统也可以与车联网技术相结合,实现车辆到车辆(V2V)或车辆到基础设施(V2I)的信息交换。自动驾驶上利用车载传感器、人工智能、北斗定位等技术,实现车辆的自主行驶,无需人为干预。在海洋运输智能航运上,北斗也功不可没。利用北斗定位、海洋遥感、物联网等技术,可实现船舶的智能化管理和调度,提高航运效率和安全性。在智能铁路上,利用北斗定位、无线通信、大数据等技术,实现铁路的智能化监测和控制,提高铁路运营效率和安全性。在智慧民航上,利用北斗定位、空中交通管理、云计算等技术,实现民航的智能化规划和运行,提高民航效率和安全性。

北斗系统在农业上的应用也十分广泛。在农业机械自动化方面,北斗可以提供高精度的定位和自动导航服务,实现农机的自动化控制和作业。在农田土壤监测方面,北斗系统的高精度定位和时间同步服务被用于实现对农田土壤的实时监测和分析。此外,在精准施肥方面,北斗系统的高精度定位和导航服务也有着重要作用。在全国各地,基于北斗系统的深松作业机、玉米茎穗兼收机、高效植保机、小麦联合收割机、甘蔗种植机、播种无人机等设备,已经实现了远程调度管理,进一步提升了农业生产效率。北斗系统还在森林防火、天然林保护、森林自然调查、病虫害防治等方面发挥了重要作用。例如,护林员和森林草原防火网格员使用北斗巡护手持终端进行“巡山”,实时查询巡护轨迹,实现精准巡护,大大提高了工作效率。除此之外,在海洋渔业上,北斗也有广泛应用。在渔船定位管理中,可以实时把渔船的位置及动态信息传输到渔业行业监管部门,确保渔船安全顺利地返回港口。同时,还可以通过渔船定位信息,分析渔船的活动轨迹及捕捞强度,为渔业资源有效管理和保护提供科学依据。在海洋环境监测预警中,北斗技术可以对海洋环境进行实时监测,如水温、海流、海面高度等,获取及时的海洋监测数据,为修建港口、开展渔业活动、海上救援等提供依据,并对突发事件进行实时预警及应急处理。

除此之外,北斗在救灾减灾上的应用也不容小觑。北斗系统的短报文通信服务,在灾情上报、灾害预警、救灾指挥、灾情通信等方面提供了有效支持。北斗系统能够实时监测灾区的位置信息,为救灾指挥提供准确的决策依据。在地震、洪水等灾害发生后,北斗系统能够迅速定位灾区,并为救援队伍提供最佳路线规划和救援方案。在灾区通信中断的情况下,北斗系统可以利用短报文进行紧急通信,确保信息畅通,为救援工作提供及时的信息支持。此外,北斗系统还可以结合高精度定位服务,对灾区的楼宇、桥梁、水库等进行实时监测,及时发现潜在的安全隐患,为灾后重建提供科学依据。在公共安全上同样作用斐然,北斗系统协助国家安全部门构建了“部—省—市”三级位置资源联网订阅体系,实现了跨区域、跨警种的位置资源调度能力,并成功接入40余万个警用终端,实现了100名以上警力的协同任务点名时间缩短了97%,整体出警时间缩短了近20%。

一句话总结——北斗的高精度服务正像水、电一样,成为触手可及、随需而用的公共服务!

当然,我们也清楚地认识到,北斗系统仍然面临着诸多挑战和机遇。面对竞争激烈的国际环境,我们需要进一步加强自主创新,提高系统的稳定性和可靠性。同时,我们也要加强与国际社会的合作,共同推动全球卫星导航事业的发展。展望未来,我们相信,北斗系统将继续发挥其独特的优势和作用,为人类社会的进步和发展作出更大的中国贡献!


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