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北斗導航﹕太空中最亮的“中國星”

來源﹕科技日報2019-03-08 08:40

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  北斗導航﹕太空中最亮的“中國星”

  3月4日﹐中國衛星導航系統管理辦公室透露﹐北斗衛星導航系統今年將繼續高密度全球組網﹐計劃發射8─10顆北斗導航衛星。

  北斗是“中國創造”的一張名片。2017年11月﹐北斗三號首發﹔去年底﹐北斗三號全球組網基本完成﹐並開始提供全球服務﹐標誌著北斗系統正式邁入全球時代﹔到2020年﹐我國的35顆北斗衛星計劃全球組網完成。北斗系統的建設之快﹐凸顯著中國雄厚的技術實力。

  是導航員也是郵遞員

  就像GPS一樣﹐北斗是幫助用戶導航的。但北斗還有一項GPS尚不具備的特長﹕轉發用戶短信。

  在茫茫大海之上﹐沒有手機信號﹐又沒有昂貴的海事衛星﹐但你可以用北斗發信息﹐尤其是救命的信息。因此﹐漁民們成為北斗的第一批忠實用戶﹐全國4萬餘艘漁船都安裝了北斗﹐累計救助漁民上萬人。

  今年初﹐中國的西太平洋實時科學觀測網昇級之後﹐藉助北斗衛星的短信傳輸﹐6000米深海與陸地的互聯得以實現──10套深海潛標捕獲的大容量數據﹐用北斗衛星“現場直播”到科學家的電腦或手機上﹐使他們從此不再依賴國外的通信衛星。

  圍繞北斗的“短報文”功能﹐還可設計出各種有創意的應用。一些戶外裝備公司還針對野外活動推出了一鍵報告所在位置的北斗盒子。地震和洪災救援時﹐遇險社區可通過北斗及時報告方位與災情。北斗三號組網後﹐作為北斗特色的“短報文”通信服務容量將提高10倍﹐並大大降低用戶的發射功率。

  目前﹐全國已有幾百萬營運車輛安裝了北斗兼容終端。如北京的3萬多輛出租車﹑2萬多輛公交車安裝了北斗終端﹔1500輛物流貨車也用北斗實時調度。四川利用北斗來管理汽油車物流﹐有的地方則用北斗來監控危險化學品運輸車。

  中科院的專家們還用北斗來研究保護野生動物﹐比如﹐給藏羚羊戴上北斗定位項圈﹐科研人員們就可以清楚地知道它們在哪兒﹔內蒙古杭錦旗用類似的方法﹐通過北斗衛星來管理幾百萬頭牲畜。

  精準定位不差毫厘

  北斗衛星導航系統總設計師楊長風說﹕“北斗三號不僅覆蓋範圍提昇至全球﹐定位精度也較北斗二號提昇1至2倍。”不僅如此﹐利用一張全國地基網﹐中國用戶還可以獲得前所未有的高精度導航服務。

  北斗具備動態厘米級和靜態毫米級的定位能力。基於北斗衛星系統的基礎定位數據﹐利用遍及全國的超過2200個地基增強站及自主研發的定位算法﹐相關系統可為全國的用戶提供精準定位及延展服務。

  北斗地基增強系統2016年正式上線運行﹐具備在全國提供實時動態厘米級﹑事後處理毫米級和快速輔助定位能力。在地基網輔助下﹐北斗可實現2─5厘米的定位服務精度﹐行業最重視的“首次定位時間”可被縮短到5秒。另外﹐北斗還在全球建設了120個地基增強站點﹐為沙漠﹑海洋﹑高空等區域提供7×24小時高可用的動態厘米級定位服務﹐預計服務在2021年覆蓋全球。

  對標世界一流﹐北斗三號系統的性能較北斗二號也大有提昇。

  星載原子鐘是定位精度的核心。北斗三號的銣原子鐘頻率穩定度﹐較北斗二號提高10倍﹐使北斗定位精度和授時精度都提高了一個量級。衛星同時配備了性能更優的氫原子鐘﹐質量和功耗大於銣原子鐘﹐兩者配合工作。

  另外﹐由於不能像GPS那樣全球建地面測控站﹐位於地球背面的北斗衛星利用星間鏈路聯繫﹑測距和保持隊形。而且北斗三號衛星可自主運行至少60天﹐即使地面站故障﹐衛星仍能正常工作。它能自我診斷故障和自我修復﹐設計壽命在10年以上。

  目前﹐北京已有幾十萬輛共享單車安裝了北斗定位裝置﹐即使是在有建築物或者大樹遮擋的地帶也能做到精準定位﹐同時共享單車也可以放進定點的電子圍欄。此外﹐北斗的高精度測量還已經服務于山體滑坡監測和橋樑大壩的形變監測。

  憑藉快速的厘米級定位﹐北斗甚至能判斷小汽車行駛在中間車道﹐還是在左轉車道﹐這讓精確導航與未來無人車的行駛有了基礎。有了這一強有力的技術支撐﹐未來﹐送貨的無人機可以精准地降落在客戶的陽臺上﹐割草機器人則能做到沿兩米見方的框架轉圈﹐沒有誤差……

  萬億級市場在招手

  2018年﹐北斗三號的發射密度比起美﹑俄的發射密度紀錄要高出一倍﹐而北斗三號衛星的批量生產和發射﹐無一失敗。“科學的管理﹐提高了工作效率。”北斗三號衛星總指揮遲軍說。

  去年年底﹐一位在西昌工作多年的通信保障工程師告訴科技日報記者﹐2018年發射任務如此密集﹐但發射場的衛星試驗人員較以往減少了近一半﹐發射場全流程時間縮短了近1/3﹐研製人員和研製周期都大為縮減。

  除了效率的大幅攀升﹐北斗還有個本事﹐就是可與GPS射頻實現兼容。

  通常﹐接收機需要同時看到4顆導航衛星才能定位﹐看到的衛星越多越有利。北斗與GPS實現互操作﹐一臺接收機能同時接收兩個系統的衛星信號﹐使得定位更快更准。

  美國GPS全球定位系統源於半個世紀前的美軍項目﹐可為陸海空三大領域提供全實時﹑全天候和全球性的導航服務﹐並用於情報搜集﹑核爆監測和應急通訊。一開始﹐GPS被美軍用來導航﹐接著是道路交通和漁業應用﹐隨著GPS設備降到白菜價﹐普通老百姓也可以很容易地消費和使用GPS。目前﹐GPS的全球市場已達到每年1萬億元人民幣。

  儘管美國的GPS開衛星定位技術之先河﹐享有很高的知名度﹐但中﹑俄﹑歐也都在搭建自己的衛星導航系統。GPS﹑北斗﹑格洛納斯和伽利略四大衛星導航系統全部建成後﹐衛星合計將超過百顆。

  我國的北斗系統從1990年代開始研發﹐2011年開始面向民間開放﹐是GPS之後市場前景最好的一個導航系統。由於北斗系統具有“短報文”能力﹐且抗遮擋能力強﹐在高樓林立的城市優勢更明顯﹐其應用已到快速發展期。目前﹐北斗已經在鐵路﹑測繪﹑授時﹑航運﹑航空等多個行業中應用。未來﹐北斗在民用領域將形成龐大產業鏈。

  據中國衛星導航定位協會估計﹐2020年北斗三號系統全面建成後﹐中國衛星導航產業規模將超過5000億元。另有估計說﹐北斗在中國的市場佔比﹐將由2016年的不到30%擴大到60%﹐反超GPS。(本報記者高 博)

[ 責編﹕叢芳瑤 ]
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