北斗系统的特点与产业优势

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来源:中国工业和信息化

许其凤 中国工程院院士

本文发表于《中国工业和信息化》杂志2020年7月刊总第25期

这两年,人们对整个北斗系统很关注,但了解并不是特别多,或者说不是特别系统,认识上存在不少问题。建设很重要,让客户以及更多的人了解同样重要,这样才可以更好地应用,尤其是产业应用。

对于卫星导航系统来说,我个人认为,产业的发展是成败的标志。卫星导航系统的成功在于广泛的应用,并且取得效益。这个效益不仅仅是芯片制造商的效益,也不仅仅是整机提供商的效益,还有应用,比如对铁路性能的提高产生什么效益;又如对大坝监测上以及水力发电有什么效益等。

另外,相关产业的发展是广泛应用的标志,作为卫星导航系统,应用的方面有很多。但是相关产业的发展,标志着广泛应用的程度如何。比如说,卡片相机用得很多,说明数字摄影被广泛应用。现在,很多人提出这样的问题,GPS已经占领了市场,北斗产业究竟怎么发展?说得更直截了当一点,这么大的投资保险吗?这样的问题目前难以回答。笔者把相关情况提供出来,留待读者自己去做结论。



GPS占主导的市场,北斗到底有没有出路

关于GPS占领了市场,北斗到底有没有出路的问题,笔者想到有关彩电的问题。上世纪80年代日本彩电占领了我国市场,只要提到彩电,不是东芝、日立就是夏普,可到了90年代,短短十年,中国彩电市场就发生了巨变,国产彩电成为了主力军。国产彩电厂商靠什么夺回市场?一是相对优越的性能,相对优越,并不是说整个系统的性能完全超过日本,而是说显示性能上更优越。日本彩电因为日本发射台相对距离都比较近,对接受机灵敏度的要求不是很高,只要求信号强度足够就好。但是在上世纪八九十年代,我国还没有普及数字电视,电视机离发射台距离比较远,信号并不是很强,日本产的彩电,屏幕上出现了星星点点的雪花,国产彩电则没有。这仅是局部的优越,就获得市场的极大认可。比较起来,灵敏度的提高就凸显出来。二是相对低廉的价格。彩电如此,北斗卫星导航产业能不能做到?答案应该是肯定的。三是方便快捷的服务。因为我们的生产商、销售商就在本地。如果出了什么问题,只要打一个电话,通过微信号,或者应用APP,就会得到及时的运维服务。靠着这三条,在十年的时间里,我国取代日本,成为彩电市场的主导力量,把丢失的彩电市场重新夺了回来。有些类似的是,卫星导航系统的性能是性能相对优越的基础。笔者所说的性能优越包括两个方面:一个是接收机、用户系统的性能更好;一个是产业自主权。这是已经心里有数的,但整体性能如何,还需要实践检验,要有一段时间的磨合期。

关于北斗卫星导航系统怎么样,有人说不错,国产的、拥有自主知识产权、双赢等。如果仅仅这么笼统地说,就难以让人相信,起码笔者不会相信,只有拿出具体的东西、有说服力的东西,别人才会做出相信的判断。

北斗导航究竟有没有优势,笔者试图拿出一些具体的东西,但不作结论。

卫星导航系统是由一定数量分布的卫星,包括卫星的高度、卫星的倾角、卫星的轨道组成的空间。分布着的卫星叫做卫星星座,比如GPS是由24颗星座组成的,叫做中轨卫星MEO。还有一部分是地面监测站不断观测所有的卫星,对所有卫星计算轨道,计算钟差。再有,就是通过注入站将轨道、钟差参数注入到卫星,用户接收机利用卫星发播的测距信号测距,依靠卫星的位置,用测量的距离解算自身的位置。简单说就是以上三类。

北斗星座的设计从一开始就是要扬长避短。为什么要避短扬长呢?这是规划所要求的。

首先要解决发展瓶颈的问题。习惯上,都是先强调有利条件,笔者侧重讲不利条件,就笔者的角度来讲,不利条件更重要。如果漏掉一个有利条件,后果很可能只是没有锦上添花。如果漏掉一个不利条件,后果很可能是颠覆性的。发展卫星导航,因为我们是后发,就可以向GPS借鉴、学习。但借鉴、学习决不能完全照搬。即使向GPS学习,仍然遇到一些问题,比如我们很难在全球布设监测站,高精度定轨需要对卫星进行全弧段监测。就像画圆,仅测量一小段,这个圆是画不准的。在实际数据上,就存在卫星位置的误差。左边是有监测数据的,右边是没有监测数据的,完全靠外推,观测一小段外推一段,位置误差就会很大。一旦没有监测数据,误差就会急剧增加。绕地球的GPS卫星是中轨道卫星,东西旋转。这就要求监测站必须全球分布,这一点美国可以做到,我们做起来就有一些困难。

其次,要解决星载原子钟相对滞后的问题。卫星如何定位?要依靠卫星的位置,通过测距来解算定位。测距怎么测?就是要依靠信号传播的距离,距离=传播时间×光速,如果数字错一点,实际误差就大多了。所以,对于星载原子钟的精度要求极高,因为所有的信号都是根据星载原子钟来发播的,精度要求上的误差要小于10的13次方,大约是百万年差一秒。我国星载原子钟的发展则相对滞后,最初是从美国、欧洲进口很高精度的原子钟,但人家知道你要用于卫星导航系统,就禁运了。

这是两个瓶颈问题,这样的问题很难在短时间内解决。我们试图从星座设计来寻求绕过瓶颈的办法,当然还尝试过其他多个途径,但能走通的是这条路。

提到星座设计,大致有三类卫星轨道。一类是中轨卫星轨道MEO,高度是2万千米,像GPS、欧洲的伽利略导航系统都属于这一类,是绕着全球转的。还有一类是地球同步卫星轨道GEO,3.6万千米,那是在赤道面上,同时维持这个高度。同步卫星只有维持这个高度,才能跟着地球一起转,与地球自转一致起来,而从地球上来看就是不动的。另外一类是倾斜轨道的同步卫星IGSO,这个高度同GEO一样,只不过不在赤道上,倾斜的角度一般采用55度,在地面上观察轨道类似“八字型”。这三类卫星,从地面上观察就有不同的特点。MEO是从东到西绕着全球转,GEO卫星是始终不动的。在我们国家上空发一个GEO,我们随时随地都可以看到的。IGSO卫星是南北转,而且有一定的弧度范围。如果选择GEO或者IGSO轨道,就可能绕过前面所说的两个瓶颈。因为这两类卫星不论怎么运转,大致跑不出我们国家,即使离开我国境内,也不会太远,我们能看得见,也就是说可以监测到,这样就增加了跟踪弧段。如果是和GPS一样的MEO,我们能观测到的弧段只占全弧段的40%,在精度上势必就差很多。在国内设站的情况下,可以实现对GEO和IGSO的全弧度监测,这样就解决了我们没有办法在全球布站的问题,也就降低了对星载原子钟的精度要求。要想取得准确的时间,当然要表的质量好,也可以天天和中央人民广播电视台对表。如果不能勤对,那就要表好。如果是GEO和IGSO,就随时可以看得见,也就可以随时对表。因此,在国内设站的条件下,可以实现勤对表。这样就降低了对星载原子钟的技术要求,为我国发展高精度原子钟争取了一些时间。很明显,这不是不发展,仍然要为发展争取时间。要马上拿出来,暂时还做不到,可能需要十年,甚至更长的时间。国外在这方面就曾经花费较长的时间。

既然避开了两个发展瓶颈,还要充分发挥GEO和IGSO利用率高的特点。我们搞的不是全球系统,而是区域系统。对于区域系统来讲,这两种卫星的利用率可以达到80%以上,与MEO在我国的区域系统40%来讲,差了一倍。利用率高就意味着我们可以用数量比较少的卫星来达到同样的效能,这是很划算的,投入性能比也较好。在具体设计中,经过了很多的探测,五个GEO和五个IGSO也就是十颗卫星就可以取得满意效果,覆盖区域大体上接近地球的三分之一。作为北斗二号,第一期就是区域系统,第二期就是全球系统。第一期星座就是5GEO+5IGSO。如果按照测距误差两米计算,当然我们可以达到更高的精度,来估计一下这个系统究竟怎么样?我们的精度基本上已做到6米到7米,与GPS大致相同。采用这种两类卫星相结合的方案利用率是非常高的。既然如此,就要充分利用这一特点。我国位于北半球,我们最关心的就是北半球,结果发现,用4GEO+12MEO的效果与5GEO+5IGSO是一样的,16颗卫星与10颗卫星相比,当然要10颗,这就是发挥了IGSO和GEO利用率高的特点。总结起来说,就是避短扬长,避开瓶颈,扬长高利用率。

区域系统有区域系统的优势,系统级的广域差分,是美国人为了降低民用精度搞的,也就是人为加入轨道误差和钟差误差,将精度从30米降低到100米。GPS开始民用的时候测试的是30米,结果达到的是20多米。但是美国军方认为这样不行,因为民用的美国人可以用,其他国家的军方也可以用,用于军事目的,所以就人为降低到100米。当时,为了解决这个问题,美国首先提出来“差分”。最后发现比较好的是广域差分。广域差分原理很简单,就是布测一些参考站,这些站是精确的,同时利用GPS定位,利用使用者的位置,反求出来卫星轨道偏差多少。为了做到这一点,需要建立差分参考站,像我国就需要20来个这样的差分站。另外,还需要配套计算中心,并通过注入站向地球同步卫星发射数据,地球同步卫星再告诉用户,但同步卫星则是GPS系统以外的。参考站观测卫星,通过注入同步卫星向用户发播修正参数,精度可以从100m提高至5m左右。广域差分有一个特点,就是区域的,不是全球的,系统的单个用户可以在监测站范围之内使用。另外,用户级系统如果要提高精度,就要进差分站,建注入中心,再发同步卫星。但是发播的信号是一样的,却不是原来的系统级别,而是同一个用户级系统。它的功能是可以提高轨道和钟差的精度,但它只提供给差分站内的用户,站外就不灵了。靠站监测求出修正值,MEO卫星是东西转的,如果转到东边,东边的用户就可以看到这颗卫星,但是监测站测不到这颗卫星,因此就没有修正值,用起来效果差一些。当然,美国本土内的用户是不存在这样的问题的。美国人与欧洲人搞的都是广域差分系统,都需要建立参考站、计算中心、注入站、同步卫星。我们的导航系统本身就有计算中心、注入站,还有五颗地球同步卫星。因此,我们建立的是一个系统级的广域差分系统,也就是说在建北斗系统的时候,就把广域差分系统融合在一起了。一般所说的二级监测站,指的就是这个。应该说,这是我们建成的第一个系统级的广域差分系统。显然,这个系统的投资要少得多,性能也会好得多。同时不仅仅是对一个系统,只对北斗进行广域差分服务,因为同步卫星多,因此在信号编排格式的时候,既可以为北斗发播差分信息,也可以为GPS系统,同样也可以为伽利略系统发播差分信息,有可能成为三个系统服务的广域差分系统。同时,可以为北斗全覆盖提供差分服务,北斗覆盖区是比我国国土大得多的区域。按照一般的广域差分,必须在国土内,不管用户在最东边还是在西边,看到的卫星就是十颗IGSO和GEO。这十颗卫星在国内监测站随时随地都可以监测到,可以为广大的区域提供广域差分服务,这是以前的广域差分系统所不能做到的。当然,只限北斗,对GPS不灵,对伽利略也不灵,也就是监测站的范围之内,对北斗可以更广泛一些。另外,在建设阶段可以规避一些风险,最主要的技术风险,就是开始的时候轨道可能测不准,钟差也可能测不准,广域差分可以进行很好地修正,可以规避一时达不到的设计指标所带来的不利影响,最后得到好的结果。正像前面说的,在GPS做广域差分的时候,我们可以从100米提高到5米,从某种意义上讲,这是很重要的规避风险措施。


北斗的稳定与改进需要磨合期

简单总结北斗的特点,第一个是绕过发展阶段的技术瓶颈,充分利用区域的有利条件。第二个是性能投入比比较高的系统。第三个是具有系统级广域差分的系统,覆盖最大的差分导航系统。另外能够规避主要的技术风险,具有位置报告功能。位置报告北斗1号就具备,北斗2号继续沿用。位置报告就是搞GPS定位,如果车辆上路了,使用者就可以知道现在在哪里。但是,家里人并不知道,若想让我家里人也知道,那就需要通讯设备辅助。一个系统本身就具备这样的功能,是很重要的。渔船出海后,就需要把位置随时报告给指挥部。如果有台风,指挥部会随时告诉船只,这一点很重要。手机系统到海上都不灵了,因为没有基站,卫星系统就可以。但是卫星设备有多大呢?GPS用户机手掌这么大,GPS辅助设备却大很多。

如果没有基站怎么办?就需要备份手段。比如,汶川地震的时候,很多通讯手段不灵了。因此,中央也不知道汶川震到什么程度,灾情怎么样,震区多大范围也不知道。最早把消息传出来的是我们抢险部队带上的北斗接收机,相当于短信发播。当然也有遗憾,这种消息报了几天就没有了,因为没电了。当然,北斗1号耗电量比较大,这是不足的地方,也是具有优势的地方。北斗是第一个实现三频发播的卫星导航系统,美国人的GPS现代化要增加一个发播频率,因为民用用处很大,只有一个频率,消除不了电频层。当然第三频还有一个作用就是搜索。尽管美国人第一个提出来的,但是很可能我们是第一个实现的。美国人这么早提出来,为什么实现不了呢?可能是因为GPS系统已经发上去了,坏一颗就要发一颗三频卫星上去。如果全坏了,就是30颗。但库存卫星又不是三频的,从经济上考虑,可能也需要一段时间。但是,我们现在就是三频发射上去的。这是优势,但也有不足。

第一个是GEO卫星工作期间有断点,按照规定GEO需要轨道微调,因为天上只有一个赤道,所有通讯卫星都挤在圆弧上,国际电联有规定,每个卫星向左右不能偏出一度,卫星一旦偏0.1度,就要马上调整回来,这是按照规定必须做的。这样调整的一段时间就会影响到定轨精度。轨道调整的时间是两天到三天,也需要这段时间进行数据校准。那么,这两三天怎么办?卫星不能用了,就是一个大问题。对于这个问题,现在的办法就是快速定轨,但是精度要差那么一点,并不是不能用。随后的调整工作仍要继续,争取用更短的时间,尽量缩短工作断点。通过系统级广域差分,新轨道广域差分不需要很长的时间,很短时间内就可以测出来,甚至几秒钟就可以测出来。一旦发生轨道微调,就可以使用这套系统及时发布修正值。这需要更高的数据更新率,原来不太适用,现在的技术可以解决。

第二个是位置报告或者短信通信含有小功率的发射,相比北斗1号时间压缩得更短了,而且资源有限。北斗1号可以发短报文,但用户真的这么做,却发现容量不够。那个时候说是150万次/小时,但是按小时数再除以3600秒,每秒的服务量并不多。如果大家都要用,就堵塞了,无法提供此项服务。北斗2号就有很大改进。另外,还存在一个问题,就是发射功率容易引起暴露。从军事上来讲,就是很容易被对方侦查到,或者有被侦查到的可能。再有就是功耗体积不容易降下来,解决的办法就是按需求分配。并不是所有的用户都需要报告,也不是所有的用户都需要短信,这样就不必生产这种接收器。用户也不是每秒都需要发报,或者每分钟都要报告。汽车行驶途中,三五分钟报告一次就足够了,有的甚至半小时都没有移动,比如严重堵车的时候。那么,指挥全球系统,更没有必要几秒钟就报告一次,也是按需求分配。同时,要合理控制和利用资源,因为空间资源是有限的。可能忽然之间短信都不能发了,这不是笑话,真有这种情况。

另一个问题是,局部地区的信号功率增强逊于GPS。比如,在天津地区,GPS可以增强30分贝,北斗只能增强15分贝。同样的道理,抗干扰能力也不如GPS,这个可以留待后续改进。再有就是一些技术细节和衔接的问题。作为一个复杂系统,需要有一个发现问题并改进问题的磨合期。并不是系统发到天上,就能完全完成系统指标,复杂系统本身不大容易做到这一点。我国的技术指标基本上是按照美国GPS的指标来定的,但是美国人从发射卫星开始,至达到所谓的技术指标,也是在发展二三十年之后,一开始不仅没有目前的精度,而且也没有目前的性能,这需要耐心。当然也有性急的同行,急于将北斗和GPS放在一起对比,结论是北斗不如GPS,这个判断是不适当的。北斗做实验的时候是5颗卫星,GPS是12颗卫星,这就不能做对比。也就是说北斗系统还没有GPS成熟,当然就需要一定的磨合期。


北斗的优势是区域优势

2020年要搞的全球系统,是区域增强的全球系统。关键区域的精度最好、性能最好,两方面都要超出其他地区。不论是我国区域内的军用,还是民用,都增强到类似GPS系统的27颗MEO全球卫星的精度,IGSO和GEO两个区域星座的叠加,性能会提升很多。比如说,GPS卫星27颗可以全都看到,再叠加8颗卫星,就可以看到35颗卫星。星际链路示意,卫星对卫星进行测距,就构成一个高精度的多面体,监测站观测可以看得见,中心站对诸卫星进行定轨,这是一种模式。另外一种模式就是对卫星地面的标靶,主卫星对诸卫星定轨,计算各个卫星的轨道再发给各个卫星,这个跟踪方式比地面站跟踪更高,因为天空中卫星对卫星的观测没有大气的影响,而且频率更高,可以很稳定地工作,也就意味着分辨率增高。这两种模式究竟采用哪一种,现在仍在讨论。这也是美国人首先提出来的,到现在快30年了,称为卫星自主定轨。但是到现在为止,并没有像样的成果公布。测距很容易实现,但是跟地面建立不起联系,从坐标系统的定义来讲,只进行测距是相视性,就是可以转和跑,但是跟地面没有联系。从轨道来讲,没有定向。距离地球这么远的卫星,卫星与卫星之间更超过地球与卫星的距离,定向是非常困难的,精度是千分之几秒,理论上太空望远镜可以做到,但是如果每颗卫星都装上太空望远镜,成本和工艺都是大问题。美国人认为,理论上可以做到自主定轨,但是代价比较大。我国不是为了自主定轨,而要解决的是不能全球布站的问题。我们是把问题简化了,指标落地了。为什么不提自主定轨呢?现在,很多人还在提我们是自主定轨,其实并不完全是,主要是靠地面站。美国的出发点是什么?一旦地面站遭到对方攻击,就可以自主定轨,不影响导航。但是,如果卫星被打掉了,怎么搞自主定轨?情况变了,观点也要跟着变。

十年来,我们的原子钟取得快速发展,预计2020年能实现突破。再说一说与北斗相关的产业。问题是列出来了,但这需要既懂得北斗系统,又要对产业与用户很熟悉。与其他系统相比,北斗的优势是区域优势,不是全局优势。就像解放战争的时候,国民党兵力是200万,共产党兵力是30万。就全局来讲国民党有优势,但是在局部,共产党聚集了大量兵力,这样就取得局部优势。北斗的优势,目前来看就是区域优势,并不是全面比GPS如何如何,而是在关键区域和GPS相差不大,甚至更强。北斗比较安全,举一个例子,现在的通讯系统,不管是GSM还是CDMA都需要时间同步和频率校准,用的都是GPS。一旦GPS受到干扰,时间同步就不行了,系统就不工作了。而我们具备开发双系统应用的有利条件。双系统就是我的模片既可以做GPS又可以做北斗,并不是做两个系统。去年有一个学者说,做双系统是北斗“傍大款”。这个问题不能这么说,双系统应用最早是美国人先搞的,那是GPS和另一个系统双应用。双系统一方面是一个系统出问题,另一个系统可以马上做补充。当然,两个系统同时用,性能会提高很多。大体上说,用户并不大关心精度是7.8米还是8.7米,但是很关心在北京很好用,在天津为什么就不行。通过实验发现,GPS高度角大于35度的卫星,需要四颗才能定位。在城市会经常出现这样的问题,在战争环境的复杂地形条件下也容易出现这样的问题。实际上,俄罗斯的GLONASS在1990年一开始,就是双系统。所以说,“傍大款”的说法,笔者是不能同意的。应用双系统比任何一个单系统都更具有优势,不单纯的是补缺。国内目前有唯一的广域差分,之前国内的广域差分没有健全,GLONASS根本就没有。我们还可以对GPS和伽利略进行差分。

对于相关产业来讲,希望能充分利用北斗系统的优势,来创造优势产业!




                            

本文转自 人工智能学家

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