北斗衛星導航系統的由來和發展

2019.11.05 , 瀏覽次數: 18956

 

1.現在天上工作的導航衛星知多少?

“星兒空中辨江樹,北斗天際識歸舟”。在我們使用的智能手機上(例如華為mate-10或mate20)打開“北斗伴”APP,很快衛星天空圖上就鎖定了25-30顆左右的衛星。有BDS(北斗衛星導航系統)、GPS(全球定位系統)、GLONASS(格洛納斯)和 Galileo(伽利略導航系統)的衛星,它們分別用其所屬國家的國旗縮略圖表示。

到2020年,四大衛星導航系統全部部署完畢后,將有140余顆衛星在軌。那時,我們打開衛星導航接收機,一下子就可以收到三、四十顆衛星信號,并將獲得質量非常高的定位、導航和授時服務。

 

2.我國的衛星導航系統為什么叫做“北斗”?

北斗是BDS(北斗衛星導航系統)的中文簡稱。“大河向東流,天上的星星參北斗”,自古以來,人類就非常崇拜日月星辰,華夏祖先對于北斗星更是有著高山仰止般的敬畏。北極星,更是功能神奇,因為找到了北斗星,就可以在群星燦爛的夜空中找到永遠在正北方向的北極星,也就實現了定向導航。所以,將我國的衛星導航系統取名“北斗”,既有鮮明的中國特色,又彰顯華夏悠久的歷史文化和淵源,讓人浮想聯翩。

圖1北斗七星的“魁”與“斗柄

圖2天空中北斗星指極方向示意圖

北斗星自古以來一直是人們用來指明方向的重要手段之一。無論是在前不著村、后不著店的荒漠,寬闊的草原,茂密的山林,還是一望無際的海上,或是月明星稀的夜晚,沒有參照系辨別方向是非常困難的。古人經過長期的觀察實踐,漸漸發現北斗星是一種非常有效的辨別方向的辦法。

其實,人們真正用來指示方向,實現導航應用的星星,叫北極星。它是位于北天極附近的一顆星,由于它幾乎在地球的自轉軸的延長線方向上,所以我們北半球的人常年能看到它在北方的天空,人們可以利用它來指明方向。以它作為參考點,通過六分儀等儀器,還可以確定緯度。在繁星滿天的夜空中如何找到北極星?最簡單的方法就是通過北斗七星。將北斗七星斗魁(杓)上的外側第二星(天璇),向斗魁外側第星(天樞)的連接線向外延伸約5倍距離,就能看到一顆明亮的星星,它就是北極星。

 

3.為什么大國紛紛建自己的導航衛星系統?

導航衛星系統已成為當今社會重要的空間信息基礎設施,其應用只受人們想象力的限制,具有廣泛的社會、經濟、科技和國防意義。建造全球導航衛星系統,對任何一個國家來說都是一個浩大長期的工程。它需要周密的部署,投入大量的人力、物力和財力,突破重重技術難題。對于每個建設該系統的國家來說,衛星導航系統肯定是其國家最大的航天工程。

導航衛星系統給一個國家和地區帶來的好處也是巨大的。因為導航衛星提供的定位、導航、授時(PNT)能力,具有高精度、實時性和普適性等許多特點,其應用遍布國民經濟、國家安全和社會生活的上上下下方方面面,惠及各行各業、千家萬戶和億萬人群。簡而言之,導航衛星系統是軍力倍增器、經濟放大器、能源節流器、快樂發生器、國家綜合實力和核心競爭力顯示器。

北斗系統及其海陸空天服務示意圖

作為獨立自主的大國,建立自己的衛星導航、定位和授時服務系統對保障國民經濟的正常運行和國防安全都至關重要。它所催生的是個戰路性新興產業,是低碳經濟,是綠色產業,產業生命期長達50年乃至更長時間,產生巨大的經濟和社會效益,以及科技發展的帶動力。建立導航衛星系統也彰顯一個國家的綜合國力,在世界上爭取更多話語權毋庸置疑,作為一個大國,把國民經濟和國防安全依附于別國的導航衛星系統存在明顯的風險。

 

4.為什么將GNSS稱為系統之系統?

從分類來看,GNSS(全球導航衛星系統)已經是系統之系統的代名詞了,它包括了全球系統、區域系統和星基增強系統。顧名思義,全球系統和區域系統之間的差別在于所提供的服務覆蓋區域范圍不同;星基增強系統是利用系統之外另加的衛星來實現增強服務

目前,全球系統有四家,它們是:已建成并投入完全服務(Full Operational Capability.FOC)的,有美國的GPS(全球定位系統)和俄羅斯的GLONASS(格洛納斯);正在建設并且計劃在2020年投入完全服務的,有中國的BDS(北斗衛星導航系統)和歐洲的 Galileo(伽利略衛星導航系統)。

區域系統包括:日本的QZSS(準天頂衛星系統)和印度的IRNSS(印度區域導航衛星系統)。

所有持有全球系統或者區域系統的國家,差不多全都具有星基增強系統,例如:美國的WAAS(廣域增強系統),俄羅斯的SDCM(衛星差分改正監測系統),歐洲的 EGNOS(地球靜止衛星導航重疊服務),日本的MSAS(多功能運輸衛星增強系統)和印度的 GAGAN(輔助GPS靜地星基增強導航系統)。中國的BDS(北斗衛星導航系統)設計之初就帶有赤道靜止軌道衛星,故本身就可以成為基本系統+星基增強系統。圖1是GNSS系統之系統的示意圖。

圖1.全球導航衛星系統(GNSS)之系統概念一覽圖

 

5.北斗系統為啥稱為GNSS的后起之秀?

美國和前蘇聯是最早擁有全球導航定位系統的國家。美國的GPS(Global Position System,全球定位系統)和俄羅斯的 GLONASS(GLObal NAvigation Satellite Systen,格洛納斯)在上世紀90年代中期(1995和1996)先后宣布投入正式服務。GPS是最早具備完全服務能力(Full Operational Capability. FOC)的系統,1995年就宣布正式服務,其24顆工作衛星星座完整,衛星設計壽命較長。1996年,GLONASS建成具有24顆工作衛星的完整星座,隨后進入FOC階段。然而,GLONASS在軌工作衛星的設計壽命僅2-3年,部分衛星退役后得不到及時補充,又加上前蘇聯的解體,造成經濟困難,衛星系統難以維系,2001年在軌工作衛星一度下降至6顆。實際上,很長時間段內,能夠留下來持久穩定提供全球服務的只有GPS。

世界上幾乎所有具有經濟與科技實力的大國,均在建設自己的衛星導航系統。中國建設自己的BDS(北斗衛星導航系統),是從2000年發射北斗一號試驗系統衛星開始的。我國從自己的實際情況和當時的國力出發,分成“三步走”加以實施。從有源走向區域,再走向全球,并把具有雙向傳送短報文的通信能力,繼承下來,推向全球服務,成為種特色服務,也使得北斗顯示出后起之秀的差異性。

圖1.GNSS的四大全球系統的星座一覽圖

 

6.北斗三號計劃在哪年建成,真正成為“世界的北斗”?

我們國家很早就非常重視導航衛星系統的建設,并提出了分三個階段實施的計劃。即先建造有源區域衛星導航系統,再建造無源與有源相結合的區域衛星導航系統,最終建造無源與有源相結合的全球衛星導航系統。

2017年至2020年為北斗系統建設的第三個階段,我國將先后發射30顆北斗三號導航衛星(3顆靜止軌道衛星+3顆傾斜地球同步軌道衛星+24顆中圓軌道衛星),建成采用無源與有源導航方式相結合的全球衛星導航系統。其服務范圍為全球;定位精度為2.5至5米;測速精度為0.2米/秒;授時精度為20納秒:短報文的字數和傳送的能力也有所增加。

具有高精度、高可靠、高保險、多功能的“北斗”全球衛星導航系統有一些美國、俄羅斯和歐洲全球衛星導航系統不具備的性能和特點,例如,其空間段采用三種軌道衛星組成的混合星座,且與其他衛星導航系統相比高軌衛星更多,因此抗遮擋能力強,尤其在低緯度地區性能特點更為明顯。

北斗三號可提供多個頻點的導航信號,能夠通過多頻信號組合使用等方式提高服務精度;該衛星系統創新融合了導航與通信能力,具有實時導航、快速定位、精確授時、位置報告和短報文通信服務五大功能,是真正的“世界的北斗”。

 

7.怎樣用好天上那么多導航衛星資源?

用好天上豐富的衛星資源要從GNSS(全球導航衛星系統)這個大系統出發。GNSS包括全球系統、區域系統和增強系統,已建、在建和計劃建設系統,所包含的衛星總數量超過140顆。這么多系統和衛星,來自不同的國家、不同的設計,如何充分地利用它們,這是一個嶄新的課題。

怎樣用好天上那么多導航衛星資源,必須從系統之系統的概念高度,進行再設計、再利用,研究“系統之系統”的概念及其真實內涵,全面確立北斗系統在GNSS中的定位,實現并且認真推進GNSS的兼容互操作,加快加強北斗系統融入GNSS的步伐,同時對北斗GNSS總體組成的每一段均賦予與時俱進的嶄新含義,分別升級成為:空間星系系統、環境增強系統、運控運營系統和應用服務系統,實現完整的現代化衛星導航系統總體設計和系統概念集成,這比設計一個新系統的難度要大得多。但是,這個課題為我們提供了一種學習和提高的良好機遇,也是我們與國際GNSS大家庭并肩發展的重大機遇。

 

8.目前世界上衛星導航終端的用戶數量有多少?

隨著宏觀經濟穩定性的增強,市場成熟度的提高,服務的持續進化和多樣化發展,全球GNSS市場當下正處于穩定增長的階段。盡管歐洲和北美市場逐漸飽和,但全世界GNSS設備的安裝數量預期會從017年的58億臺飆升至2020年的約80億臺。

此外,發展中國家關鍵區城移動經濟不斷擴張,購買力不斷增長,會推動衛星導航的應用與服務產業的長足進步。全世界GNSS設備安裝數量主要由智能手機主導,而位居第二的是公路細分市場。2017年GNSS在智能手機上的安裝數量達54億臺,而在公路細分市場上的安裝數量則為3.8億臺。其余數量是高精度應用和特殊應用。

據統計,2017年國內導航定位終端產品總銷量突破6.1億臺,其中具有衛星導航定位功能的智能手機銷售量達到4.91億臺。汽車導航后裝市場終端銷量達到700萬臺,汽車導航前裝市場終端銷量突破740臺,各類監控終端銷量在500萬臺左右,專業高精度接收機終端銷量突破14萬臺(套)。2018年銷售總量與2017年相比,大約增加近20%。國內外主流廠商紛紛量產兼容北斗的芯片,極大推升了北斗在智能手機、平板電腦、可穿戴設備等消費電子產品中的應用規模,國內銷售的智能手機兼容北斗應用的數量占比已超過80%。

 

9.我國北斗產業如今的總產值達到什么量級?

2019中國衛星導航與位置服務產業發展白皮書》中顯示,2018年我國衛星導航與位置服務產業總體產值已達到3016億元,2018年我國衛星導航與位置服務產業較2017年增長18.3%。其中包括與衛星導航技術直接相關的芯片、器件、算法、軟件、導航數據、終端設備等在內的產業核心產值占比為3544%6,達到1069億元人民幣,北斗對產業核心產值的貢獻率已達到80%。包括各種應用數據及軟件、各類應用集成系統、基于位置的運營服務等在內的,由應用衛星導航技術所衍生或直接帶動形成的關聯產值達到1947億元人民幣。我國衛星導航與位置服務領域企事業單位數量保持已達到在14000家左右,從業人員數量超過50萬。截至2018年年底,業內相關上市公司(含新三板)總數為51家,上市公司涉及衛星導航與位置服務的相關產值約占全國總產值的10.74%。

2006-2018中國衛星導航與位置服務產業市場規模(單位:億元)

 

10.什么是中國衛星導航產業最大的優勢?

導航產業,中國最大優勢就是龐大的內需市場。中國移動通信市場規?,F已名列全球第一(2017年移動電話用戶凈增9555萬戶,總數達14.2億戶,移動電話用戶普及率達102.5部/百人,比上年提高6.9部/百人)。汽車銷售市場也力壓美國成為全球第一大汽車銷售市場(2017年我國汽車產銷量超過3322.4萬輛),民用汽車的社會持有量接近21743萬輛。而移動通信和汽車產業兩大市場恰恰是衛星導航主流應用市場。值得指出的是,2018年我國北斗產業總產值達到3016億元的年產值,到2020年將突破4000億元。

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