作者:李惠钰 来源:中国科学报 发布时间:2020/9/2 23:37:40
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北斗:天上好用,地上用好

 

6月23日,北斗三号系统最后一颗组网卫星发射升空,至此,北斗卫星导航系统部署全部完成。

7月31日,北斗三号全球卫星导航系统正式开通,也标志着我国拥有了自主知识产权的卫星导航系统,也有了自主知识产权的PNT(导航定位和授时)基础设施。

而随着北斗系统进入全球服务新阶段,“北斗+”融合应用生态也开始加快部署。

8月27日,北京市北斗产业创新基地在北京合众思壮北斗产业园正式启动运营,基地将面向上下游企业提供专业化的创新创业孵化平台服务,推动形成具有全球影响力的北斗卫星导航产业园。

如何让北斗“天上好用,地上用好”,北斗卫星导航系统副总设计师、中国科学院院士杨元喜在启动仪式上表示,发展独立自主的北斗卫星导航系统,必须走创新发展之路。“北斗建设唯一出路就是‘标新’和‘立异’。”

“能用尽用”的北京力量

“PNT是国家基础设施的基础设施,所有的重大基础设施离开PNT就一点也不基础。作战不一定是击毙多少人为最终目标,瘫痪城市的核心基础设施,就可以达到不战而屈人之兵的目的。”从国家战略角度,杨元喜道出我国打造独立导航系统的迫切之心。

根据国家规划,北斗系统将在2020年实现全球覆盖,通过GNSS(全球卫星导航系统)增强技术,北斗卫星导航系统的定位精度还将进一步提高,为中国及周边大部分地区提供面向行业和大众应用的实时厘米级和事后毫米级定位服务。

而随着全球组网时代到来,北斗技术应用也进入产业化、规模化、大众化、国际化全面发展的新阶段。北京市经济和信息化局信息化软件服务处处长尤靖表示,近年来,北京市已经形成了国内最完整的北斗产业链。产业规模从2012年100亿元,增加到2019年超500亿元,规模和增速引领全球,预计到2022年产值接近1000亿元。

在技术产品方面,北京市北斗相关产品涉及包括基础器械、基础软件、基础数据、终端集成、系动集成、运营服务等2000多种,尤其是在多模多频高性能芯片、导航模块、高精度模块、高精度定位板卡、高精度天线等产品在全国具有较强优势,22纳米芯片代表国内北斗芯片的最高水平,目前已经实现了量产。

而这也得益于北京市确定的“能用尽用”的北斗应用推广政策。“我们通过政治信息化技术审查机制,要求新上的信息化项目,必须采用国产北斗的定位技术。”尤靖说,为促进北斗产业的发展,北京市从技术创新、资金支持、推进应用、产业配套和引进人才等方面都提供了全方位的服务和保障。

此次启用的北京市北斗产业创新基地,作为北京市推动国家北斗创新应用综合示范区建设落地的首个特色基地,也将成为北京市打造“北斗+”融合应用生态的重要载体。

据介绍,该基地以“一院(北斗新时空研究院),两馆(卫星导航应用体验馆及博物馆),四平台(协同创新平台、快速制造平台、位置数据运营服务平台和众创空间平台)”为依托,提供产品开发、产业孵化、国际合作、行业交流、应用体验等一体化服务,助力北京市北斗导航与位置服务产业核心要素集聚和产业高质量发展,并为国家经济社会发展提供重要时空信息保障。

“北斗”仍面临多项问题

当前,北斗全球卫星导航系统已经攻克了160多项关键核心技术,突破了500多种核心器部件研制难题,系统核心器部件100%的国产化,实现了PNT完全自主可控。

据杨元喜介绍,2019年底,国产北斗兼容型芯片及模块销量突破1亿片;国内卫星导航定位终端产品总销量突破4.6亿台;具有卫星导航定位功能的智能手机销量达到3.72亿台,采用北斗兼容芯片的终端产品(含智能手机)已超过7亿台/套。

但他也坦言,北斗现在还面临很多亟待解决的问题。首先就是天基无线电信号微弱,容易被遮挡、被干扰、被欺骗,卫星故障也容易导致PNT服务中断或者出现偏差。对此,他提出要精确一种综合PNT体系、弹性PNT架构设计,实现信息互补、信息集成、信息融合,实现从深海到深空、从室外到室内的无缝、连续、可靠的PNT服务。

而北斗的运控系统也是脆弱的,地面运控系统一旦瘫痪或受训,就会影响卫星运控、星历注入,PNT服务即可能受到严重影响。杨元喜表示,未来,运控设计应采用差异化备份,避免主/备运控出现同类故障。

“南墙效应”也是北斗卫星不得不面对的问题。“北斗特色服务靠同步卫星,而我们同步卫星一般在南边,如果我们南边有一座高山或者有楼房,就可能中断卫星信号,比如导致精密单点定位、星基增强及区域短报文服务中断。”杨元喜希望,将来可以利用IGSO卫星转发快速精密星历,增大IGSO卫星倾角,并在极区适当布设跟踪站,从而提升极区用户PNT服务精度。

此外,北斗还会遇到自主导航基准问题,因为仅靠星间链路测距,卫星空间基准容易产生整体漂移和旋转、时间基准紊乱,长时间运行会影响动态导航授时用户。对此,杨元喜建议三颗以上卫星装载高精度氢钟或铯钟,适时增加锚固站观测,并进行自适应定轨和定时,可实现卫星自主守时,并弱化自主定轨空间基准漂移和旋转。

“北斗+”创造无限可能

“北斗建设唯一出路就是‘标新’和‘立异’。”杨元喜表示,“标新”强调的是技术突破和性能超越,“立异”则是追求功能丰富和应用特色鲜明。没有“标新”的设计就没有北斗的高性能服务,没有“立异”的功能就没有北斗的服务市场。而无论“标新”还是“立异”,都要求北斗管用、有用和好用。

杨元喜表示,在具体应用上,北斗尚有无限潜力——嵌入城市管理系统,可助力智慧城市建设;嵌入电力系统,提升运行稳定性;嵌入农业机械,提升自动化水平;嵌入通信网络,可以提升同步水平;嵌入汽车,支撑智能驾驶;嵌入高铁,支撑高精度导航;嵌入舰船,提升运输管理和搜救等。

再比如在农业林业上,利用北斗能够做到监测农作物产量分布、土壤成分和性质分布,合理施肥、播种和喷洒农药。在资源和环境上,北斗也已广泛应用于国土、资源和环境的调查、监测、预报等诸多方面,及时关注资源枯竭和环境恶化状况。

尤靖表示,北京市未来还将建设北斗创新应用的重大场景,积极推进物联网、人工智能、5G等新一代的信息技术与北斗位置服务的融合应用,进一步拓展应用领域和实际应用场景,解决效能提升和自主可控问题。

此外,北京市还将推动国家级民用服务平台落地。尤靖表示,星基增强系统和短报文通信是北斗系统重要基础设施。星基增强可提供广域覆盖,安全可信的时空服务,将用于民航、铁路等高生命安全和国际民生等重要领域。短报文可与地面公共通信卫星通信互联网之间实现互联互通,催生新的市场和商业价值。

“落地两个系统民用服务系统,将提升我市统筹北斗信号服务的整体竞争力。”尤靖表示,目前,她们正在组织对接中国电科、兵器集团等承建央企,争取将平台落地在北斗产业创新基地,强化北斗应用支撑保障能力。

 
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