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            北斗系統的特點與產業優勢

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            來源:中國工業和信息化

            許其鳳 中國工程院院士

            本文發表于《中國工業和信息化》雜志2020年7月刊總第25期

            這兩年,人們對整個北斗系統很關注,但了解并不是特別多,或者說不是特別系統,認識上存在不少問題。建設很重要,讓客戶以及更多的人了解同樣重要,這樣才可以更好地應用,尤其是產業應用。

            對于衛星導航系統來說,我個人認為,產業的發展是成敗的標志。衛星導航系統的成功在于廣泛的應用,并且取得效益。這個效益不僅僅是芯片制造商的效益,也不僅僅是整機提供商的效益,還有應用,比如對鐵路性能的提高產生什么效益;又如對大壩監測上以及水力發電有什么效益等。

            另外,相關產業的發展是廣泛應用的標志,作為衛星導航系統,應用的方面有很多。但是相關產業的發展,標志著廣泛應用的程度如何。比如說,卡片相機用得很多,說明數字攝影被廣泛應用?,F在,很多人提出這樣的問題,GPS已經占領了市場,北斗產業究竟怎么發展?說得更直截了當一點,這么大的投資保險嗎?這樣的問題目前難以回答。筆者把相關情況提供出來,留待讀者自己去做結論。



            GPS占主導的市場,北斗到底有沒有出路

            關于GPS占領了市場,北斗到底有沒有出路的問題,筆者想到有關彩電的問題。上世紀80年代日本彩電占領了我國市場,只要提到彩電,不是東芝、日立就是夏普,可到了90年代,短短十年,中國彩電市場就發生了巨變,國產彩電成為了主力軍。國產彩電廠商靠什么奪回市場?一是相對優越的性能,相對優越,并不是說整個系統的性能完全超過日本,而是說顯示性能上更優越。日本彩電因為日本發射臺相對距離都比較近,對接受機靈敏度的要求不是很高,只要求信號強度足夠就好。但是在上世紀八九十年代,我國還沒有普及數字電視,電視機離發射臺距離比較遠,信號并不是很強,日本產的彩電,屏幕上出現了星星點點的雪花,國產彩電則沒有。這僅是局部的優越,就獲得市場的極大認可。比較起來,靈敏度的提高就凸顯出來。二是相對低廉的價格。彩電如此,北斗衛星導航產業能不能做到?答案應該是肯定的。三是方便快捷的服務。因為我們的生產商、銷售商就在本地。如果出了什么問題,只要打一個電話,通過微信號,或者應用APP,就會得到及時的運維服務??恐@三條,在十年的時間里,我國取代日本,成為彩電市場的主導力量,把丟失的彩電市場重新奪了回來。有些類似的是,衛星導航系統的性能是性能相對優越的基礎。筆者所說的性能優越包括兩個方面:一個是接收機、用戶系統的性能更好;一個是產業自主權。這是已經心里有數的,但整體性能如何,還需要實踐檢驗,要有一段時間的磨合期。

            關于北斗衛星導航系統怎么樣,有人說不錯,國產的、擁有自主知識產權、雙贏等。如果僅僅這么籠統地說,就難以讓人相信,起碼筆者不會相信,只有拿出具體的東西、有說服力的東西,別人才會做出相信的判斷。

            北斗導航究竟有沒有優勢,筆者試圖拿出一些具體的東西,但不作結論。

            衛星導航系統是由一定數量分布的衛星,包括衛星的高度、衛星的傾角、衛星的軌道組成的空間。分布著的衛星叫做衛星星座,比如GPS是由24顆星座組成的,叫做中軌衛星MEO。還有一部分是地面監測站不斷觀測所有的衛星,對所有衛星計算軌道,計算鐘差。再有,就是通過注入站將軌道、鐘差參數注入到衛星,用戶接收機利用衛星發播的測距信號測距,依靠衛星的位置,用測量的距離解算自身的位置。簡單說就是以上三類。

            北斗星座的設計從一開始就是要揚長避短。為什么要避短揚長呢?這是規劃所要求的。

            首先要解決發展瓶頸的問題。習慣上,都是先強調有利條件,筆者側重講不利條件,就筆者的角度來講,不利條件更重要。如果漏掉一個有利條件,后果很可能只是沒有錦上添花。如果漏掉一個不利條件,后果很可能是顛覆性的。發展衛星導航,因為我們是后發,就可以向GPS借鑒、學習。但借鑒、學習決不能完全照搬。即使向GPS學習,仍然遇到一些問題,比如我們很難在全球布設監測站,高精度定軌需要對衛星進行全弧段監測。就像畫圓,僅測量一小段,這個圓是畫不準的。在實際數據上,就存在衛星位置的誤差。左邊是有監測數據的,右邊是沒有監測數據的,完全靠外推,觀測一小段外推一段,位置誤差就會很大。一旦沒有監測數據,誤差就會急劇增加。繞地球的GPS衛星是中軌道衛星,東西旋轉。這就要求監測站必須全球分布,這一點美國可以做到,我們做起來就有一些困難。

            其次,要解決星載原子鐘相對滯后的問題。衛星如何定位?要依靠衛星的位置,通過測距來解算定位。測距怎么測?就是要依靠信號傳播的距離,距離=傳播時間×光速,如果數字錯一點,實際誤差就大多了。所以,對于星載原子鐘的精度要求極高,因為所有的信號都是根據星載原子鐘來發播的,精度要求上的誤差要小于10的13次方,大約是百萬年差一秒。我國星載原子鐘的發展則相對滯后,最初是從美國、歐洲進口很高精度的原子鐘,但人家知道你要用于衛星導航系統,就禁運了。

            這是兩個瓶頸問題,這樣的問題很難在短時間內解決。我們試圖從星座設計來尋求繞過瓶頸的辦法,當然還嘗試過其他多個途徑,但能走通的是這條路。

            提到星座設計,大致有三類衛星軌道。一類是中軌衛星軌道MEO,高度是2萬千米,像GPS、歐洲的伽利略導航系統都屬于這一類,是繞著全球轉的。還有一類是地球同步衛星軌道GEO,3.6萬千米,那是在赤道面上,同時維持這個高度。同步衛星只有維持這個高度,才能跟著地球一起轉,與地球自轉一致起來,而從地球上來看就是不動的。另外一類是傾斜軌道的同步衛星IGSO,這個高度同GEO一樣,只不過不在赤道上,傾斜的角度一般采用55度,在地面上觀察軌道類似“八字型”。這三類衛星,從地面上觀察就有不同的特點。MEO是從東到西繞著全球轉,GEO衛星是始終不動的。在我們國家上空發一個GEO,我們隨時隨地都可以看到的。IGSO衛星是南北轉,而且有一定的弧度范圍。如果選擇GEO或者IGSO軌道,就可能繞過前面所說的兩個瓶頸。因為這兩類衛星不論怎么運轉,大致跑不出我們國家,即使離開我國境內,也不會太遠,我們能看得見,也就是說可以監測到,這樣就增加了跟蹤弧段。如果是和GPS一樣的MEO,我們能觀測到的弧段只占全弧段的40%,在精度上勢必就差很多。在國內設站的情況下,可以實現對GEO和IGSO的全弧度監測,這樣就解決了我們沒有辦法在全球布站的問題,也就降低了對星載原子鐘的精度要求。要想取得準確的時間,當然要表的質量好,也可以天天和中央人民廣播電視臺對表。如果不能勤對,那就要表好。如果是GEO和IGSO,就隨時可以看得見,也就可以隨時對表。因此,在國內設站的條件下,可以實現勤對表。這樣就降低了對星載原子鐘的技術要求,為我國發展高精度原子鐘爭取了一些時間。很明顯,這不是不發展,仍然要為發展爭取時間。要馬上拿出來,暫時還做不到,可能需要十年,甚至更長的時間。國外在這方面就曾經花費較長的時間。

            既然避開了兩個發展瓶頸,還要充分發揮GEO和IGSO利用率高的特點。我們搞的不是全球系統,而是區域系統。對于區域系統來講,這兩種衛星的利用率可以達到80%以上,與MEO在我國的區域系統40%來講,差了一倍。利用率高就意味著我們可以用數量比較少的衛星來達到同樣的效能,這是很劃算的,投入性能比也較好。在具體設計中,經過了很多的探測,五個GEO和五個IGSO也就是十顆衛星就可以取得滿意效果,覆蓋區域大體上接近地球的三分之一。作為北斗二號,第一期就是區域系統,第二期就是全球系統。第一期星座就是5GEO+5IGSO。如果按照測距誤差兩米計算,當然我們可以達到更高的精度,來估計一下這個系統究竟怎么樣?我們的精度基本上已做到6米到7米,與GPS大致相同。采用這種兩類衛星相結合的方案利用率是非常高的。既然如此,就要充分利用這一特點。我國位于北半球,我們最關心的就是北半球,結果發現,用4GEO+12MEO的效果與5GEO+5IGSO是一樣的,16顆衛星與10顆衛星相比,當然要10顆,這就是發揮了IGSO和GEO利用率高的特點??偨Y起來說,就是避短揚長,避開瓶頸,揚長高利用率。

            區域系統有區域系統的優勢,系統級的廣域差分,是美國人為了降低民用精度搞的,也就是人為加入軌道誤差和鐘差誤差,將精度從30米降低到100米。GPS開始民用的時候測試的是30米,結果達到的是20多米。但是美國軍方認為這樣不行,因為民用的美國人可以用,其他國家的軍方也可以用,用于軍事目的,所以就人為降低到100米。當時,為了解決這個問題,美國首先提出來“差分”。最后發現比較好的是廣域差分。廣域差分原理很簡單,就是布測一些參考站,這些站是精確的,同時利用GPS定位,利用使用者的位置,反求出來衛星軌道偏差多少。為了做到這一點,需要建立差分參考站,像我國就需要20來個這樣的差分站。另外,還需要配套計算中心,并通過注入站向地球同步衛星發射數據,地球同步衛星再告訴用戶,但同步衛星則是GPS系統以外的。參考站觀測衛星,通過注入同步衛星向用戶發播修正參數,精度可以從100m提高至5m左右。廣域差分有一個特點,就是區域的,不是全球的,系統的單個用戶可以在監測站范圍之內使用。另外,用戶級系統如果要提高精度,就要進差分站,建注入中心,再發同步衛星。但是發播的信號是一樣的,卻不是原來的系統級別,而是同一個用戶級系統。它的功能是可以提高軌道和鐘差的精度,但它只提供給差分站內的用戶,站外就不靈了??空颈O測求出修正值,MEO衛星是東西轉的,如果轉到東邊,東邊的用戶就可以看到這顆衛星,但是監測站測不到這顆衛星,因此就沒有修正值,用起來效果差一些。當然,美國本土內的用戶是不存在這樣的問題的。美國人與歐洲人搞的都是廣域差分系統,都需要建立參考站、計算中心、注入站、同步衛星。我們的導航系統本身就有計算中心、注入站,還有五顆地球同步衛星。因此,我們建立的是一個系統級的廣域差分系統,也就是說在建北斗系統的時候,就把廣域差分系統融合在一起了。一般所說的二級監測站,指的就是這個。應該說,這是我們建成的第一個系統級的廣域差分系統。顯然,這個系統的投資要少得多,性能也會好得多。同時不僅僅是對一個系統,只對北斗進行廣域差分服務,因為同步衛星多,因此在信號編排格式的時候,既可以為北斗發播差分信息,也可以為GPS系統,同樣也可以為伽利略系統發播差分信息,有可能成為三個系統服務的廣域差分系統。同時,可以為北斗全覆蓋提供差分服務,北斗覆蓋區是比我國國土大得多的區域。按照一般的廣域差分,必須在國土內,不管用戶在最東邊還是在西邊,看到的衛星就是十顆IGSO和GEO。這十顆衛星在國內監測站隨時隨地都可以監測到,可以為廣大的區域提供廣域差分服務,這是以前的廣域差分系統所不能做到的。當然,只限北斗,對GPS不靈,對伽利略也不靈,也就是監測站的范圍之內,對北斗可以更廣泛一些。另外,在建設階段可以規避一些風險,最主要的技術風險,就是開始的時候軌道可能測不準,鐘差也可能測不準,廣域差分可以進行很好地修正,可以規避一時達不到的設計指標所帶來的不利影響,最后得到好的結果。正像前面說的,在GPS做廣域差分的時候,我們可以從100米提高到5米,從某種意義上講,這是很重要的規避風險措施。


            北斗的穩定與改進需要磨合期

            簡單總結北斗的特點,第一個是繞過發展階段的技術瓶頸,充分利用區域的有利條件。第二個是性能投入比比較高的系統。第三個是具有系統級廣域差分的系統,覆蓋最大的差分導航系統。另外能夠規避主要的技術風險,具有位置報告功能。位置報告北斗1號就具備,北斗2號繼續沿用。位置報告就是搞GPS定位,如果車輛上路了,使用者就可以知道現在在哪里。但是,家里人并不知道,若想讓我家里人也知道,那就需要通訊設備輔助。一個系統本身就具備這樣的功能,是很重要的。漁船出海后,就需要把位置隨時報告給指揮部。如果有臺風,指揮部會隨時告訴船只,這一點很重要。手機系統到海上都不靈了,因為沒有基站,衛星系統就可以。但是衛星設備有多大呢?GPS用戶機手掌這么大,GPS輔助設備卻大很多。

            如果沒有基站怎么辦?就需要備份手段。比如,汶川地震的時候,很多通訊手段不靈了。因此,中央也不知道汶川震到什么程度,災情怎么樣,震區多大范圍也不知道。最早把消息傳出來的是我們搶險部隊帶上的北斗接收機,相當于短信發播。當然也有遺憾,這種消息報了幾天就沒有了,因為沒電了。當然,北斗1號耗電量比較大,這是不足的地方,也是具有優勢的地方。北斗是第一個實現三頻發播的衛星導航系統,美國人的GPS現代化要增加一個發播頻率,因為民用用處很大,只有一個頻率,消除不了電頻層。當然第三頻還有一個作用就是搜索。盡管美國人第一個提出來的,但是很可能我們是第一個實現的。美國人這么早提出來,為什么實現不了呢?可能是因為GPS系統已經發上去了,壞一顆就要發一顆三頻衛星上去。如果全壞了,就是30顆。但庫存衛星又不是三頻的,從經濟上考慮,可能也需要一段時間。但是,我們現在就是三頻發射上去的。這是優勢,但也有不足。

            第一個是GEO衛星工作期間有斷點,按照規定GEO需要軌道微調,因為天上只有一個赤道,所有通訊衛星都擠在圓弧上,國際電聯有規定,每個衛星向左右不能偏出一度,衛星一旦偏0.1度,就要馬上調整回來,這是按照規定必須做的。這樣調整的一段時間就會影響到定軌精度。軌道調整的時間是兩天到三天,也需要這段時間進行數據校準。那么,這兩三天怎么辦?衛星不能用了,就是一個大問題。對于這個問題,現在的辦法就是快速定軌,但是精度要差那么一點,并不是不能用。隨后的調整工作仍要繼續,爭取用更短的時間,盡量縮短工作斷點。通過系統級廣域差分,新軌道廣域差分不需要很長的時間,很短時間內就可以測出來,甚至幾秒鐘就可以測出來。一旦發生軌道微調,就可以使用這套系統及時發布修正值。這需要更高的數據更新率,原來不太適用,現在的技術可以解決。

            第二個是位置報告或者短信通信含有小功率的發射,相比北斗1號時間壓縮得更短了,而且資源有限。北斗1號可以發短報文,但用戶真的這么做,卻發現容量不夠。那個時候說是150萬次/小時,但是按小時數再除以3600秒,每秒的服務量并不多。如果大家都要用,就堵塞了,無法提供此項服務。北斗2號就有很大改進。另外,還存在一個問題,就是發射功率容易引起暴露。從軍事上來講,就是很容易被對方偵查到,或者有被偵查到的可能。再有就是功耗體積不容易降下來,解決的辦法就是按需求分配。并不是所有的用戶都需要報告,也不是所有的用戶都需要短信,這樣就不必生產這種接收器。用戶也不是每秒都需要發報,或者每分鐘都要報告。汽車行駛途中,三五分鐘報告一次就足夠了,有的甚至半小時都沒有移動,比如嚴重堵車的時候。那么,指揮全球系統,更沒有必要幾秒鐘就報告一次,也是按需求分配。同時,要合理控制和利用資源,因為空間資源是有限的??赡芎鋈恢g短信都不能發了,這不是笑話,真有這種情況。

            另一個問題是,局部地區的信號功率增強遜于GPS。比如,在天津地區,GPS可以增強30分貝,北斗只能增強15分貝。同樣的道理,抗干擾能力也不如GPS,這個可以留待后續改進。再有就是一些技術細節和銜接的問題。作為一個復雜系統,需要有一個發現問題并改進問題的磨合期。并不是系統發到天上,就能完全完成系統指標,復雜系統本身不大容易做到這一點。我國的技術指標基本上是按照美國GPS的指標來定的,但是美國人從發射衛星開始,至達到所謂的技術指標,也是在發展二三十年之后,一開始不僅沒有目前的精度,而且也沒有目前的性能,這需要耐心。當然也有性急的同行,急于將北斗和GPS放在一起對比,結論是北斗不如GPS,這個判斷是不適當的。北斗做實驗的時候是5顆衛星,GPS是12顆衛星,這就不能做對比。也就是說北斗系統還沒有GPS成熟,當然就需要一定的磨合期。


            北斗的優勢是區域優勢

            2020年要搞的全球系統,是區域增強的全球系統。關鍵區域的精度最好、性能最好,兩方面都要超出其他地區。不論是我國區域內的軍用,還是民用,都增強到類似GPS系統的27顆MEO全球衛星的精度,IGSO和GEO兩個區域星座的疊加,性能會提升很多。比如說,GPS衛星27顆可以全都看到,再疊加8顆衛星,就可以看到35顆衛星。星際鏈路示意,衛星對衛星進行測距,就構成一個高精度的多面體,監測站觀測可以看得見,中心站對諸衛星進行定軌,這是一種模式。另外一種模式就是對衛星地面的標靶,主衛星對諸衛星定軌,計算各個衛星的軌道再發給各個衛星,這個跟蹤方式比地面站跟蹤更高,因為天空中衛星對衛星的觀測沒有大氣的影響,而且頻率更高,可以很穩定地工作,也就意味著分辨率增高。這兩種模式究竟采用哪一種,現在仍在討論。這也是美國人首先提出來的,到現在快30年了,稱為衛星自主定軌。但是到現在為止,并沒有像樣的成果公布。測距很容易實現,但是跟地面建立不起聯系,從坐標系統的定義來講,只進行測距是相視性,就是可以轉和跑,但是跟地面沒有聯系。從軌道來講,沒有定向。距離地球這么遠的衛星,衛星與衛星之間更超過地球與衛星的距離,定向是非常困難的,精度是千分之幾秒,理論上太空望遠鏡可以做到,但是如果每顆衛星都裝上太空望遠鏡,成本和工藝都是大問題。美國人認為,理論上可以做到自主定軌,但是代價比較大。我國不是為了自主定軌,而要解決的是不能全球布站的問題。我們是把問題簡化了,指標落地了。為什么不提自主定軌呢?現在,很多人還在提我們是自主定軌,其實并不完全是,主要是靠地面站。美國的出發點是什么?一旦地面站遭到對方攻擊,就可以自主定軌,不影響導航。但是,如果衛星被打掉了,怎么搞自主定軌?情況變了,觀點也要跟著變。

            十年來,我們的原子鐘取得快速發展,預計2020年能實現突破。再說一說與北斗相關的產業。問題是列出來了,但這需要既懂得北斗系統,又要對產業與用戶很熟悉。與其他系統相比,北斗的優勢是區域優勢,不是全局優勢。就像解放戰爭的時候,國民黨兵力是200萬,共產黨兵力是30萬。就全局來講國民黨有優勢,但是在局部,共產黨聚集了大量兵力,這樣就取得局部優勢。北斗的優勢,目前來看就是區域優勢,并不是全面比GPS如何如何,而是在關鍵區域和GPS相差不大,甚至更強。北斗比較安全,舉一個例子,現在的通訊系統,不管是GSM還是CDMA都需要時間同步和頻率校準,用的都是GPS。一旦GPS受到干擾,時間同步就不行了,系統就不工作了。而我們具備開發雙系統應用的有利條件。雙系統就是我的模片既可以做GPS又可以做北斗,并不是做兩個系統。去年有一個學者說,做雙系統是北斗“傍大款”。這個問題不能這么說,雙系統應用最早是美國人先搞的,那是GPS和另一個系統雙應用。雙系統一方面是一個系統出問題,另一個系統可以馬上做補充。當然,兩個系統同時用,性能會提高很多。大體上說,用戶并不大關心精度是7.8米還是8.7米,但是很關心在北京很好用,在天津為什么就不行。通過實驗發現,GPS高度角大于35度的衛星,需要四顆才能定位。在城市會經常出現這樣的問題,在戰爭環境的復雜地形條件下也容易出現這樣的問題。實際上,俄羅斯的GLONASS在1990年一開始,就是雙系統。所以說,“傍大款”的說法,筆者是不能同意的。應用雙系統比任何一個單系統都更具有優勢,不單純的是補缺。國內目前有唯一的廣域差分,之前國內的廣域差分沒有健全,GLONASS根本就沒有。我們還可以對GPS和伽利略進行差分。

            對于相關產業來講,希望能充分利用北斗系統的優勢,來創造優勢產業!




                                        

            本文轉自 人工智能學家

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