2020年09月26日 星期六
北斗的“独门秘籍”
第20版:北斗让星辰覆盖大海 2020-06-29

北斗的“独门秘籍”

陈冰

制图/ 刘绮黎

北斗为道路上行驶的车辆提供高精度定位系统。

2020 年是北斗实现转折发展的关键年,将从系统建设转向产业发展,从研发转向产业化应用,从单一技术产业向多技术多产业深化融合转折。

记者|陈 冰

从深空到深海,从个人到万物,北斗作为提供时空基准信息的系统,不仅是我们的信息基础设施,更是护卫国门的一把金钥匙。自主可控的卫星导航系统,对于国家的重要意义不言而喻。可是,北斗真的是 “不明觉厉” 吗?跟我们普通人有什么关系呢?其实它远在天边,却近在眼前。截至2020 年第一季度,在中国市场申请入网的智能手机里,有四分之三以上都支持北斗定位的。这一太空高科技,普遍关照着普罗大众。

今天,我们先来揭秘一下北斗到底有哪些独门秘籍。

“心脏” 300 万年误差一秒

在复杂的、代表现代高尖端科技前沿技术的卫星导航系统中,其中能被称之为“心脏” 的部分,有着怎样超然的能力呢?

由于卫星导航系统在空间高速运转,不同种类的接收机用户,位置处于不断变化的过程中,且地球自身也持续不断地转动,其间微小的时间误差,将导致光速运行的无线电波产生巨大的测量误差,因此时间系统的精确计量和同步具有极其重要的意义。

我们知道,天地间越同步,误差越小,定位的精度就越高,大家得到的数据就越准确。要修炼好这门技能,核心就是做好时间测量,也就是掌握好时间的精度。而要掌握好时间精度,就要靠原子钟。

而北斗的心脏,就是一座原子钟。它是目前人类最精确的时间测量仪器,也是导航卫星最关键的核心设备。在卫星导航系统中,1 纳秒就是十亿分之一秒的时间误差,将导致0.3 米的距离误差。如果我们时间差出去一秒,那我们的距离就会差出去3 后面8 个零这么大的距离!人类要想实现这么精密的时间测量,一般的钟可做不到,只有靠原子钟的力量。

根据量子力学的原理,原子内部有上下两个能级结构,当原子从一个能级跃迁至另外一个能级时,吸收或者释放出的电磁波频率是固定的,这也就是我们所说的共振频率。例如铯133 的一个共振频率为9192631770 赫兹。用它制作的计时仪器就可以非常准确了。北斗卫星导航系统使用的是由中国航天科工集团所研制的星载铷原子钟,这些原子钟实现了元器件100%国产化,目前的精度可达到300 万年误差仅为1 秒。

“三” 的奥秘

“道生一,一生二,二生三,三生万物”。北斗系统的发展中也蕴含了很多与“三”有关的奥秘,包括北斗系统发展战略、系统架构、星座配置、工作原理、信号体制、服务规划、未来愿景等等诸多方面。

北斗系统由空间段、地面段和用户段三部分组成。其中空间段由3 颗GEO 卫星、3 颗IGSO 和24 颗MEO 卫星等组成。地面段则包括主控站、时间同步/注入站和监测站等若干地面站,以及星间链路运行管理设施。北斗系统用户段包括北斗及兼容其他卫星导航系统的芯片、模块、天线等基础产品,以及终端设备、应用系统与应用服务等。

北斗独创了“三种轨道” 混合星座。它是由GEO 卫星、IGSO 卫星和MEO 卫星三种轨道卫星组成的混合导航星座。中国卫星导航系统管理办公室主任冉承其指出,世界上其他卫星导航系统都是单一轨道的部署,北斗是三个轨道的卫星组成的星座系统。除了MEO 轨道之外,还有同步轨道的,一个是静止的GEO 卫星,一个是倾斜同步轨道的IGSO 卫星,由于它们的存在,在亚太大部分地区,用户搜到的卫星就会比其他系统多。因为这两个轨道的卫星高度更高,可见性更好。“除了天地双向通信,北斗还具有短报文系统,而短报文通信功能是其他国家的卫星导航系统都不具备的功能。在海上,没有手机信号,或者灾害发生时通信受阻,这时候,如果你有北斗终端,就可以通过卫星发送短报文来与外界联系。如果你在中国及周边地区,一次可以发一千个汉字呢。不过它跟发手机短信又不太一样。现在的普通手机还发不了短报文,必须用北斗专门的通信终端才能发。中国的渔民和海洋执法船都有这样的装备。”

与此同时,北斗系统是全球第一个提供三频信号服务的卫星导航系统。GPS 使用的是双频信号,使用双频信号可以减弱电离层延迟的影响,而使用三频信号可以构建更复杂模型消除电离层延迟的高阶误差。同时,使用三频信号可提高载波相位模糊度的解算效率,理论上还可以提高载波收敛速度,这就是北斗的后发优势。

此外,位置信息(Position)、速度信息(Velocity)和时间信息(Time)是构成北斗信息服务的“三要素”。

北斗系统可向全球提供优于10 米的定位服务,亚太地区定位精度达到5 米。北斗系统提供的位置信息服务,输出结果为“经度、纬度、高程” 或者“x,y,z”,不管哪种输出形式,恰好都是“三个参量”,一个不多,一个不少。同时,通过精密单点定位、星基增强、地基增强等方式,可将定位精度提高到米级、分米级乃至厘米级。北斗系统提供的测速精度能力优于0.2 米/ 秒。北斗系统可为用户提供优于20ns 的授时服务,在此基础上利用差分授时、双向比对等技术手段,可进一步提升授时精度。

实际上,无论你在哪里,北斗都在你身边。在全国30 多个城市650 多万辆汽车上都装有北斗芯片;国际上主流的智能手机都用到了北斗。手机导航有两部分组成。一部分是收卫星导航信号的芯片,这个卫星导航是以芯片的模式体现在手机的硬件里面,另外一部分是基于芯片收星以后提供服务的导航软件,比方说大家熟悉的百度、高德地图,把北斗发送的位置信息展示在一张地图上,让人们方便地去找路。手机终端是否用到北斗系统,是体现在芯片里面的。

现实生活中,一到立交桥、高架上,导航显示的信息就让人犯晕。这是因为卫星提供给手机的是一个空间位置,包括经度、纬度和高度的三维位置信息,而导航软件提供的地图是二维的,没有体现定位高度,所以就会出现导航误差。

更令人疑惑的还有,当遇到导航信号弱时,手机却显示的是GPS信号弱。对此冉承其表示,其实这里面有一个小小的误解。“GPS 其实是全球卫星导航系统的一个英文缩写,因为刚开始用卫星导航时,全世界用得最多的就是美国的GPS 系统,日久习惯了大家一说卫星导航就容易想到GPS。手机厂商、地图软件的制造商也往往用GPS 来代替所有卫星导航系统。其实走到今天,卫星导航已经是多系统兼容共用,包括美国的GPS、俄罗斯的格洛纳斯、欧洲的伽利略,当然更包括中国的北斗。”冉承其呼吁有关手机厂商、地图软件制造商,能够根据我们卫星导航的情况做适应性调整。“比如,我建议把‘GPS 信号’改成‘卫星导航信号’。”

协同5G 打开新世界

从2017 年11 月以来,北斗近两年连续18 次组网发射,将28 颗北斗三号组网卫星,2 颗北斗二号的备份卫星,顺利送入轨道。平均每个月发射1.2 颗卫星,刷新全球卫星导航系统组网速度世界纪录。

冉承其表示,2035 年,我国将建成以北斗系统为核心,更融合、更智能的国家综合定位导航授时体系,进一步提升时空信息服务能力,实现由深空到深海的立体服务覆盖,要让多种应用模式更加融合,具备由公里级定位精度到分米、厘米级定位精度的多样化服务能力。

“这个体系已经完成了初步论证,也开展了关键技术攻关和研究工作。我们也非常有信心,能够在2035 年之前建设一个更好的综合时空服务体系,为中国、为全世界提供更好的服务。”他说。

随着北斗构建了更加高精度、高可靠、高安全的新一代信息时空技术体系,北斗在应用和产业化方面也在不断迈上新台阶。北斗和5G 的融合更是将在智慧城市、智慧制造、智慧家庭、智慧农业等未来的新技术方面发挥出巨大作用。

在我国远洋捕捞的渔船上,搭载着2 万多台套北斗导航系统终端,每年服务3 亿人次以上。每年有上百名海上遇险的渔民利用北斗导航的精确定位得到了救援。

在东北和新疆广袤的农场里,2000 多套无人耕种机械,接收着来自北斗卫星的定位信号,在大田里循着既定路线自助耕作,提高作业效率30% 以上……

北斗智能公交系统实现了公交车辆的精确到站预报和智能化管理,平均到站时间预报误差小于1 分钟,每天惠及数百万市民出行。

曾经,我国95% 的民用导航市场被美国主导的GPS 全球定位系统所垄断;如今,大部分市场份额已被我国自主知识产权的北斗导航系统所取代。

上海市历来高度重视北斗卫星导航技术创新和产业发展,它已经成为响当当的科创“明星”。目前,上海北斗卫星导航产业规模逐年上升,拥有相关企业约百家,产品覆盖了导航卫星、星地增强系统、芯片、板卡、终端、导航数据采集和处理、系统集成、运营服务等各个领域。

2016 年由上海交通大学领衔、8 家产学研单位合作的“北斗导航与位置服务关键技术及其产业化” 获得2016 年度上海市科技进步奖唯一的特等奖。项目带头人、上海交通大学郁文贤教授团队潜心30 年科研攻关,在核心算法、基础产品和特色应用三个技术层面取得重要突破,直接催生和持续带动了上海西虹桥北斗产业园的快速崛起,在北斗导航领域实现了全产业链创新,提升了上海在卫星导航领域的创新竞争力与国际影响力,推动上海北斗导航领域的产业集聚,为上海建设具有全球影响力的高精度导航位置服务技术创新中心和新兴产业策源地奠定了重要基础。“未来市场一定是北斗化,而非GPS 化。” 郁文贤教授自信地说。

2019 年年底,上海市北斗导航研发与转化功能型平台正式启动,这个平台是上海科创中心建设的“四梁八柱” 的重要组成部分。上海西虹桥导航技术有限公司作为北斗功能型平台的主要承建单位,将围绕复杂场景、高可用、高精度融合导航技术提供研发、标准、测试服务和整体解决方案等技术共性服务,建成场景适应性导航技术研发支撑体系,加速北斗导航领域创新成果转化,推动具有全球影响力的导航科创中心建设,服务国家北斗战略和上海乃至长三角导航产业技术集群创新和产业集聚发展。

业内专家一致认为,2020 年是北斗实现转折发展的关键年,将从系统建设转向产业发展,从研发转向产业化应用,从单一技术产业向多技术多产业深化融合转折。

作为北斗导航系统的垂直应用之一,车联网技术的高速发展无疑将全方位受益于北斗的全面布局和高精度定位。郁文贤在接受记者采访时说,全球定位系统GPS 的定位能够“精确”到几米,对于民用GPS 而言,最好的定位精度也不过3-5 米。而我们的北斗卫星导航系统呢,不仅实现了复杂环境下单点定位精度优于0.8 米,动态RTK 定位精度优于5 厘米,还可实现室内定位精度优于1 米的高超技术。室内外的“最后一米” 问题解决了,“这意味着,如果在路上开车,可以精确到你在哪一根车道;即使在室内,通过多种传感器技术的融合,也可知道你在哪个房间、坐在哪张桌子前。”

北斗为道路上行驶的车辆提供了高精度定位服务,它可以实现端到端亚米级, 甚至厘米级的动态定位。在极端恶劣的天气下,车载激光雷达和摄像头等融合感知设备会一定程度上失效, 从而影响车车、车路之间的状况判定, 不能及时有效地传递信息,“而北斗高精定位技术却不受天气环境等外界因素影响,在任何情况下, 它都可以保证汽车的精准定位, 可以充分保障车辆行驶安全, 降低事故发生率”。

公路交通无疑是我国卫星导航系统应用最成熟、最广泛的行业之一,此外,在测绘、航空、智慧城市、公共安全、工农机械、无人系统等领域,北斗的应用也将进一步深化。卫星导航定位系统究竟有哪些应用,专家说了——北斗的应用只受制于我们的想象力。

让我们立即进入 “北斗+5G ” 打开的新世界吧!

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