北斗导航:安全 稳定 高精度

 

  北斗导航:安全 稳定 高精度(开卷知新)

  2020年6月23日9时43分,北斗三号第三十颗卫星乘着长征三号乙运载火箭从西昌发射场发射升空。经过1541秒的飞行,卫星与火箭分秒不差地准时分离。从火箭监视相机传回的图像显示在大屏幕上:卫星收拢的太阳翼徐徐展开,金光闪耀,如鲲鹏展翅,翱翔在距地面200多公里的太空中,睥睨苍茫大海,掠过悠悠白云,飞向距地面3.6万公里的天空。这个炫丽的画面通过电视直播清晰地呈现在全世界观众面前。

  火箭发射成功,星箭顺利分离,卫星太阳翼展开到位,这些仅是卫星迈入空间的第一步。这颗地球同步轨道(GEO)卫星,将通过自身发动机把近地点推高至3.6万公里,并将与赤道面的倾角从28.5度压到0度,并最终停留在东经110.5度的赤道上空,保持从地球看上去固定不动。这颗卫星受到如此瞩目,因其是组成北斗三号卫星星座全部30颗卫星的收官之星,也是其中3颗地球同步轨道卫星的收官之星。它的发射成功使北斗三号星座组网任务画上圆满句号。

  2020年7月31日,习近平总书记在人民大会堂郑重宣布:“北斗三号全球卫星导航系统正式开通!”这次开通仪式具有重大里程碑意义。

  推进自主研发

  实现多项技术创新突破

  在此之前,2019年11月完成了北斗三号3颗倾斜地球同步轨道(IGSO)卫星的收官发射,星下点轨迹始终走在以东经118度为中心的一个大8字上,为亚太地区服务奔走南北;12月完成北斗三号24颗中圆地球轨道(MEO)卫星的收官发射,星下点轨迹似遍历南北55度范围的波浪线,为全球服务东奔西忙。

  由三种不同轨道组成星座是北斗的独特设计,是继承与发展相结合、区域服务与全球服务重点不同的设计体现,也是中国卫星导航自主创新、一路披荆斩棘发展历程的结晶。上世纪70年代,我们就梦想建立自己的“灯塔”卫星导航系统。结合当时国内经济技术条件,我国科学家创新性地提出双星定位的构想。1994年,启动实施北斗一号工程,服务我国及周边地区,并于2000年12月完成系统建设,使我国成为继美国、俄罗斯外,第三个拥有独立卫星导航系统的国家。随后,北斗二号于2004年启动建设,2012年全面建成5GEO+5IGSO+4MEO、服务亚太地区的区域导航系统,为亚太地区提供导航授时服务。

  2009年,启动北斗三号的研制历程,目标是实现全球导航服务。当时主要面临几大困难和挑战。首先,北斗三号要与北斗二号平稳衔接,在使用上需兼顾老用户,因此北斗三号在设计上保留了部分北斗二号的信号。其次,北斗三号的服务将从区域迈向全球,这就需要我们在全球布设监测和注入站。美国、俄罗斯和欧洲等国走的就是全球布站这条路。北斗如果也选用这种方案,不仅存在技术和经济问题,还有其他不确定的风险。因此,在系统顶层设计中,采用星间链路进行星间测距、授时和数据传输,并采用最为先进的Ka频段相控阵天线技术,在提高传输速率的同时,确保测距精度优于1厘米,使卫星和卫星之间、卫星和地面站之间成为互相连通的网络,实现一星通全网通——这是目前世界上在轨卫星系统最先进的星间链路技术。

  同时,要服务全球,就要和其它卫星导航系统同台竞技,我们必须在性能和服务水平上做到世界一流。因此,我们在信号体制上进行创新性设计,同时对影响信号质量性能的设备进行攻关,攻克了卫星使用的高精度铷钟、氢钟、铯钟等时频技术,信号生成和播发设备性能已达到国际同类产品的先进水平,增加星钟自主平稳切换和信号完好性监测等功能,保证信号连续性,极大地提高了导航服务可靠性,在局部上处于领先水平。此外,为确保我国卫星上使用的产品都是自主可控的,通过发动国内元器件、单机产品研制单位攻坚克难,使卫星上产品全部由中国制造。

  具备六大功能

  提供高品质全球导航服务

  经过北斗科研团队的艰苦努力,北斗三号系统经过十年的攻关、试验和研制,终于携六大服务功能展示在世人面前。

  一是全球导航定位授时服务。这是卫星导航系统的核心功能,实测定位精度达到3米左右,授时精度达亿分之一秒,居世界各卫星导航系统前列;二是全球短报文通信服务,每次可发送560比特的信息,可包含40个汉字的内容,每小时可提供30万次服务;三是搭载国际搜救载荷,与其他系统联合提供国际搜救服务;四是区域定位授时与报文通信服务,在即刻开机后快速定位,每次可发送1.4万比特信息,可包含1000个汉字的内容,每小时可提供1000万次以上服务;五是区域星基增强服务(SBAS),定位精度达到1米左右,完好可用告警时间小于6秒;六是区域精密单点定位(PPP)服务,将定位精度提高到实时分米级,事后达到厘米级甚至毫米级的精度。

  可以说,这每一项功能服务都饱含北斗的特色和中国的情怀。如今,高精度的全球定位和授时已广泛应用在陆海空天和各行各业,我国的飞机、船舶等在全球都有北斗卫星的陪伴,我们在世界各个角落都有北斗信号导航。北斗卫星导航系统与国际上其他卫星导航系统兼容共用,为全世界用户贡献一份中国力量。短报文通信功能可用于报文、图片、语音等数据传输服务,可作为海上和荒漠等移动信号难以覆盖地区的通信和应急救援手段。比如我们的渔船可通过北斗定位与报文通信获知海洋和气象状况、向家人报位置报平安,有危急状况可及时发出求救信息。如今,报文通信服务走向全球,可对全球航空航海等专门用户提供运行监控和应急通信服务,我国大飞机等都在设计中加入了北斗短报文等应用,空管可随时了解飞机位置和飞机状况。星基增强服务也已在飞机航行和着陆中加以应用。精密单点定位服务,则应用于地质地貌和水文监测,可提前预报灾情以保障人民生命和财产安全。此外,还应用于精密测绘、自动驾驶、建筑物变形监测等,充分彰显中国精度。

  建设卫星导航系统,为国防建设提供安全、可靠的应用保障,确保涉及国计民生的电力、金融、通信等基础设施的导航信号安全。目前,北斗卫星导航系统已在国家安全和社会经济领域得到广泛应用,推动了我国导航产业的发展。同时,北斗卫星导航系统作为我国一张亮丽的名片,已成为联合国全球卫星导航系统核心供应商,为越来越多的国际组织所认可,服务全球100多个国家。

  北斗三号全球卫星导航系统已全面建成,将向全球提供安全可靠、连续稳定的高精度导航定位与授时服务。未来,导航定位技术的国际竞争会更加激烈。北斗人将继续发扬“自主创新、开放融合、万众一心、追求卓越”的新时代北斗精神,进一步提高系统的性能水平,不断扩展服务范围,向深空、水下、室内延伸,进一步将导航和通信等融合,建设更加泛在、更加融合、更加智能的综合导航定位授时体系,更好地服务全球,造福人类。

  (作者为北斗三号卫星系统总设计师)

  推荐书目:

  1.《卫星导航定位工程》:谭述森编著;国防工业出版社出版。

  2.《航天器系统工程》:谭维炽、胡金刚主编;中国科学技术出版社出版。

  3.《下安物望——北斗应用100例》:袁树友主编;解放军出版社出版。 【编辑:王禹】

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