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北斗的“世界领先”是如何炼成的?

2020年7月31日,北斗三号全球卫星导航系统建成暨开通仪式举行,中国成为世界第三个独立拥有全球卫星导航系统的国家。三代中国北斗人,用27 年的青春和血泪,为全人类提供了“中国方案”。

2020年第19期《中国经济周刊》封面

2020年第19期《中国经济周刊》封面

《中国经济周刊》 记者  贾璇 |北京、上海报道

告别受制于人!

1993年,我国“银河号”货轮从天津港出发前往伊朗,行至印度洋公海海域时突遇美国拦截,称该货轮涉嫌运输化学武器,要求上船检查。就在中方考虑如何回应时,美方直接切断了货轮的GPS信号。一时间,“银河号”在海上失去方向,寸步难行。

时任外交部国际司副司长沙祖康回顾这段历史时,连用了好几个“窝囊”:“拒绝,窝囊,我们要背黑锅;让他们去查,某种程度上我们受到了侮辱,也窝囊”。

看人脸色的滋味不好受。次年,中国自主建设、独立运行的卫星导航系统启动建设——北斗正式起航。

27年后,2020年7月31日,北斗三号全球卫星导航系统建成暨开通仪式举行,中国成为世界第三个独立拥有全球卫星导航系统的国家。

三代中国北斗人,用27年的青春和血泪,为全人类提供了“中国方案”。

目前,国产北斗基础产品已出口120余个国家和地区,基于北斗的土地确权、精准农业、数字施工、智慧港口等应用,已在东盟、南亚、东欧、西亚、非洲等地区成功落地。

时至今日,北斗系统像水和电一样,成为人民日常生活中不可缺少的必需品,无处不在、触手可及。国内卫星导航与位置服务领域企事业单位数量在14000家左右,从业人员数量超过50万,形成珠三角、京津冀、长三角、鄂豫湘、川陕渝五大产业区。

根据中国卫星导航系统管理办公室预测,到2020年,北斗导航产值将突破4000亿元。

“天上建好,地上用好”,是北斗系统的口号。随着北斗三号全球系统星座部署全面完成,“天上建好”的目标已宣告实现,未来北斗产业的发展重心将转移到“地上怎么用好”。随着底层应用场景趋于丰富并真正服务于社会,“北斗+”将延伸出更多商业路径,北斗相关的产业规模势必发生天翻地覆的变化。

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“其实你已经用上了北斗,只是不知道,还管它叫GPS”

在北斗三号全球卫星导航系统正式开通后,《中国经济周刊》记者独家专访了北斗三号系统卫星总设计师、中科院微小卫星创新研究院副院长林宝军。采访开始,这位人送外号“北斗狂人”的总设计师,就率先为北斗“安利”了一把。

林宝军介绍,现在国内70%智能手机的芯片已经同时支持GPS和北斗。很多人感知不到北斗系统,是因为手机厂商、地图软件的制造商往往用“GPS”来代替所有卫星导航系统,大家也习惯说“打开GPS导航”。

现在世界上有四大卫星导航系统,分别为美国的全球定位系统(GPS)、俄罗斯的格洛纳斯定位系统(GLONASS)、欧洲的伽利略卫星定位系统(Galileo)和中国的北斗卫星导航系统(BDS)。

就像水和空气一样,现代人的生活已经离不开导航,林宝军道出依赖背后的奥秘:“我们80%的生活都和位置和时间有关,所以北斗三号组成的网是和百姓生活最密切的一张网。”

16 北斗三号组网星模型 《 中国经济周刊》记者 贾璇I摄

北斗三号组网星模型 《 中国经济周刊》记者 贾璇|摄

北斗三号的非常“1+6”

北斗三号到底是一张什么网?

中国卫星导航系统管理办公室主任、北斗卫星导航系统新闻发言人冉承其说,“北斗三号是功能强大的全球卫星导航系统,功能性能指标达到世界一流。”

世界一流的定位背后是过硬的实力。林宝军介绍称,“除具备其他三大导航系统都有的定位功能外,北斗三号还提供‘1+6’的特色服务,即全球短报文、区域短报文、星基增强、地基增强、搜救服务和精密单点定位”,性能方面也是“人无我有、人有我优”。

值得一提的是,近年来,短报文通信可谓频立战功,可以把它简单理解为“用卫星信号发送短信”。

2008年5月12日14点28分,汶川发生了里氏8.0级地震,由于震中受灾极其严重,通信、电力、交通全部被破坏殆尽,抗震救灾指挥部完全无法与震中取得联系。

次日12时,指挥部总站值班监控屏幕上,一个信号红点突然出现,“灾区有人用北斗了!”空降兵勇士携带“北斗”终端深入重灾区,打开了灾区与外界的通信通道。

美国GPS之父帕金森教授对北斗的这一功能赞不绝口:既能够知道你在哪里,也能够知道我在哪里,是多么美妙的体验。

“渔民出海遇险时,就可以通过北斗来求救,他不仅能把自己的位置和情况发出去,还能收到回复,渔民知道已经有人来救他了,心里多踏实。”林宝军说。

北斗三号组网成功后,系统整体的短报文通信服务完成升级拓展,区域通信能力达到每次14000比特(1000汉字),既能传输文字,还可传输语音和图片,并支持每次560比特(40个汉字)的全球通信能力。

不过,据林宝军介绍,目前全球短报文容量有限,想要真正用“卫星发短信”还需等待一段时日。“到时候,需要开通授权服务的话,就像去营业厅申请手机号一样简单,不过如果申请的人太多了,可能会像北京和上海的车牌一样摇号或限号”。

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现在大部分手机上发挥作用的就是北斗

与其他卫星导航系统相比,北斗三号还有一大特点,即空间段采用三种轨道卫星组成混合星座。“形象来说,我们的卫星‘站得高看得远’。”林宝军向《中国经济周刊》介绍。

从星座构成来讲,GPS、格洛纳斯和伽利略均采用中轨道地球卫星,卫星轨道距离地球表面约20000千米;北斗系统则采用低中高轨道结合的组网方式,除有24颗中轨道地球卫星外,还有6颗距离地表约36000千米的高轨道地球卫星。“高轨道卫星的参与,让中国及周边地区北斗系统的可见星数更多,定位更快、精度更高,尤其在低纬度地区性能优势更为明显”。

林宝军打开随身手机,屏幕显示研究院所处的上海张江地区上空,有15颗北斗卫星、9颗GPS卫星和10颗伽利略卫星。

北斗卫星定位系统工作的基本原理是测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离,然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置,可见卫星数量的多少对于导航系统定位的精准度至关重要,同时也决定着系统整体性能。

“现在大部分手机上都是北斗和GPS共同作用,但咱北斗的可见星多,所以发挥主要作用的就是北斗。”林宝军说。

目前,全球已有120余个国家和地区使用北斗系统,全球服务可用性优于99%,这意味着在一年365天中,用户可在超过99%的时间内,享受到由北斗提供的服务。

给“瘦身”的卫星搞批发

据俄罗斯媒体报道,中国北斗在建设完成之后,还一口气拿下了3个“世界第一”,即卫星数量世界第一、专利申请数量世界第一以及卫星组网速度世界第一。

目前,北斗三号共发射35颗卫星(含5颗试验星),美国GPS系统为31颗,俄罗斯格洛纳斯系统为24颗,欧洲伽利略系统为22颗。

“为了快速实现‘一箭多星’,卫星的个头儿就得变小,性能还不能减,寿命还得长,还得稳定,这个太难了。”林宝军说。

据他介绍,北斗三号卫星中最小的卫星仅重847.6公斤,比一辆家用小轿车还要轻不少。此前,一颗卫星动辄就是三四吨的体重。据林宝军介绍,北斗组网星体积也“迷你”,主舱体仅长1米,宽1米,高在2.5米左右。

小身材带来高效率。“现在我们的小卫星,在工厂组装好后,直接用车拉走就行了。从上海的工厂拉走,运到西昌发射场调试好具备发射条件,只需要33天,原来至少要3到4个月。”林宝军说。

据公开资料显示,美国GPS卫星导航系统部署最快时,完成“一年6星”任务,北斗人却完成了“一年10箭18星”的壮举。林宝军骄傲地称,“这速度在世界卫星导航系统历史上可谓是奇迹了。”

除了给卫星“瘦身”,设计师还搞起了“批发”。

林宝军介绍,“原来一颗卫星从园区设计完毕到打上天至少需要一年时间。现在我们是一次状态确认,六星并行投产,两星并行测试。在这种状态下,我们不到100个人的团队一年完成了8颗卫星的测试发射任务。”

据悉,北斗三号系统单星研制周期缩短1/4,运载火箭总装周期缩短1/3,卫星入网周期缩短3/4。

此外,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。这是北斗的后发优势,GPS还在使用传统的双频信号。

在使用三频信号的情况下,如果一个频率信号出现问题,可使用传统方法利用另外两个频率进行定位,提高了定位的可靠性和抗干扰能力。据悉,GPS系统也在扩展成三频信号系统。

夹缝里生存的后来者,此前不敢想象能超越美国人

“不再看人脸色过日子”,是北斗系统开通全球服务最重要的意义。除了给中国和世界更多选择外,北斗系统本身的自主可控也至关重要。

“GPS都发展几十年了,特别是好的频率资源、轨道都被它占了,更重要的是相关专利都给它占了,按我的话,我们要在夹缝里生存,这是后来者的难度。这堆技术中国人都没做过,当时难死我们了。”林宝军说。

卫星定位采用的是无线电测距方式,即距离=光速×传播时延。由于光速太快,为了精确地测出距离就必须精确地测出传播时延。这样就使时间精度成为导航的核心。

人们平时所用的钟表,精度高的大约每年会有1分钟的误差,这对日常生活是没有影响的,但卫星定位则需要世界上更准确的计时工具——原子钟。它利用原子吸收或释放能量时发出的稳定的电磁波来计时。

作为北斗卫星的“心脏”,原子钟的每一次跳动都直接决定着北斗卫星定位、测速和授时功能的精度,用林宝军的话来说,原子钟的性能直接决定了用户体验。

“原子钟的关键在于高稳定,北斗三号采用的中高轨道卫星,面临的空间环境更加恶劣,卫星在天上受到的辐射比低轨卫星高了10倍。加上太阳风、宇宙射线等高能粒子,打到卫星的计算机上,更易出错。”

但原子钟的研发过程不仅要面对简陋的条件、技术的封锁,甚至连科研设备也少之又少。

绝处逢生,2006年我国第一台星载铷钟产品一飞冲天,搭载验证取得成功。2012年,在北斗二号后期发射的卫星中,改变了以往的国产铷钟为主钟、进口铷钟为备份的模式,国产铷钟正式全面取代进口铷钟。

经过综合估算,北斗二号系统的精度大致是10米级,北斗三号使用新型原子钟后,频率稳定度提升了10倍,相应的北斗系统定位精度也从10米级跨向米级。

据林宝军介绍,北斗三号组网卫星采用的是“一星两钟”,同时配置两个氢钟和两个铷钟,保证北斗的精度比世界其他三大导航系统高约10倍,每300万年才会差一秒。

为了追上北斗卫星的高密度发射,曾经难倒人的星载铷钟,批产能力已经达到了每年50台左右。

除攻克原子钟之外,中国航天400多家单位、30余万北斗人集智攻关,相继攻克含星间链路在内的160余项关键核心技术,突破500余种器部件国产化研制,实现北斗三号卫星核心器部件国产化率100%。

“在这之前,超过美国人这事儿,我们连想都不敢想。”林宝军说。

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