26年!北斗如何逆风翻盘?

2020-06-24    作者: 成都新闻网编辑部    来源:瞭望智库    阅读:

6月23日9时43分,我国在西昌卫星发射中心用长征三号乙运载火箭,成功发射北斗系统第55颗导航卫星,暨北斗三号最后一颗全球组网卫星,至此北斗三号全球卫星导航系统星座部署比原计划提前半年全面完成。 20 世纪80 年代开始,我国开始探索适合国情的卫星导航系

  6月23日9时43分,我国在西昌卫星发射中心用长征三号乙运载火箭,成功发射北斗系统第55颗导航卫星,暨北斗三号最后一颗全球组网卫星,至此北斗三号全球卫星导航系统星座部署比原计划提前半年全面完成。

  20 世纪80 年代开始,我国开始探索适合国情的卫星导航系统发展道路,形成了“三步走”发展战略。自1994年北斗一号系统工程立项至今,我国用26年的时间实现了59颗北斗卫星(包括55颗北斗导航卫星和4颗北斗导航试验卫星)的发射。

  卫星导航系统对于一个国家有多重要?北斗的全球组网意味着什么?今天库叔和你聊聊。

  1

  卫星导航系统的“首秀”

  当下,卫星导航系统为我们生活的方方面面提供便捷,但它最初是为国防安全量身定做的。

  卫星导航系统的“首秀”是在海湾战争。

  1991年海湾战争沙漠风暴行动后,伊拉克军队撤退的道路旁众多的废弃车辆。

  1991年,以美军为主的多国部队在全球卫星定位系统(Global Positioning System,以下简称GPS)的带领下,迅速穿过被伊拉克军队视为禁地的沙漠地区,并对其形成包抄,打了对手一个措手不及。

  这场起初被预测会打成僵持战的战争,最终以42天的空袭加上100小时的地面作战收尾,伊拉克军队全面溃败。

  有了“上帝视角”的加持,军队中海陆空力量的指挥控制、部队调动、物资保障、战场救援和精确制导武器精确打击都成为了可能。

  1991年3月2日,科威特,“沙漠风暴”行动,伊拉克军队撤离前将油井点燃。

  比如,美国国防部采购了价值超过4000万美元的8000部GPS小型接收机,在它的信息保障下,美军机械化步兵分队能够对自身位置进行精度在30米以内的定位,并且可以根据行军规划,生成面向下一个节点的方案。

  此后,卫星导航系统在战争中持续发挥着功能:

  *1995年6月2日,一架美军F-16战机在波黑上空被塞族武装的导弹击落。飞行员奥格雷迪跳伞逃生后落在塞族控制区,在靠蚂蚁、野草和雨水苦熬6天,并躲过了塞族部队的多次搜索后,最终被GPS确定了三维位置而救回。

  *在科索沃战争中,美军的F-117隐形轰炸机被击落后,依托于飞行员GPS接收机的呼救装置,飞行员在7小时内就被找到并救出。

  *2004年8月,美军进行了一场异于寻常的空投实验,将降落区的坐标编进程序,进行精准定位,再通过马达牵引线来操纵飞行,最终精准降落,使得投放高度提升到3200米。

  注:传统空投的投放精度取决于飞机高度及当时的风速等外界环境因素,一般情况下,普通降落伞低空投放均低于610米,虽然落点准确,但是会将飞机完全暴露给敌方。

  无论是“一招制敌”还是敌后救援,卫星导航系统都大大增加了任务成功的概率。不止如此,卫星导航系统还彻底改变了战争形态,贡献了一个新名词——“外科手术式打击”。

  “战斧”式巡航导弹的技术革新就是典型案例。

  1991年,美军“威斯康星号”战舰向伊拉克目标发射“战斧”导弹。

  海湾战争中,美国海军向伊拉克本土发射的282枚导弹中,只有142枚打击了50个预定目标中的42个。两年后,美国发射了45枚“战斧”导弹攻击伊拉克南部工业区的7座建筑物,攻击成功率只有64%。

  同年,美军又发射23枚“战斧”导弹攻击巴格达的情报机构,只有18枚命中目标。

  低命中率源于最初采用的“惯性导航+等高线地形匹配(TERCOM)+数字式景象匹配相关器(DSMAC)”的复合制导方式。

  一方面,使用单独的惯性导航,导弹在一千余公里的累计误差能达到十几公里,就算使用“地形匹配制导”辅助修正,如果飞行路径中的地形过于平坦或山脉过多,加之夜间、烟尘和恶劣天气等因素,依旧会影响打击精度。

  另一方面,上世纪50年代以来,一直依赖改善陀螺仪和加速度计的方式提升导航性能,这种单纯依靠元器件性能来提高高精度惯性导航的方法越来越困难。

  海湾战争之后,美军开始将GPS与惯性导航系统组合使用。

  要精准攻击地面固定目标,首先须对目标进行精确的GPS定位。在照相侦察时,用GPS精准确定拍照时刻的轨道位置和高度等,将这些数据作为制导目的数据,或直接装订在制导计算机中,或通过数据链传送给制导计算机,控制导弹飞向预定目标所在区域,再通过成像未制导最后确定目标,实施攻击。

  有了GPS,导弹飞行航线的选择也不再依赖地图,也不再受水域和地形特征的制约。

  甚至,由于精度提高了,海湾战争中,“战斧”导弹战斗部本来450公斤的重量缩减到320公斤,可携载更多燃料,航程增加50%以上。

  在伊拉克战争中,美军宣称由于采用了GPS制导技术,其空中打击能力比海湾战争中提高了6倍,过去摧毁一个目标需要几架次的打击,而现在一架次就能摧毁几个目标。

  2

  大国“烧钱”竞赛

  当然,利器通常相当“烧钱”,美国人为此付出了相当昂贵的代价。

  1973年,美国开始研究GPS。由于建成最早。应用范围最广,GPS一度占据霸主位置。

  1993年,美国已实现24颗在轨卫星满星运行,分布在6个轨道面上,保证在地球的任何地方都可同时见到4至12颗卫星,地球上任何地点、任何时刻均可实现三维定位、测速和测时。几十年来,美国总共为GPS投入了约300亿美元。

  卫星导航系统太重要,即便花费巨大,各国依旧争相投入研发。

  苏联1976年开始组建格洛纳斯卫星导航系统,1995年时建成由24颗卫星组成的卫星星座,第一次实现卫星信号的全球覆盖。

  2008年12月25日,俄罗斯拜科努尔发射场,Proton-M型火箭搭载一颗格洛纳斯卫星发射。

  长期困扰俄罗斯航天的老大难问题就是经费不足。超过预定工作寿命的卫星得不到及时更换,无力发射新卫星,到2001年时格洛纳斯系统在轨工作卫星仅剩7颗,几乎处于瘫痪边缘。

  2002年,欧盟批准建设伽利略卫星导航系统。仅仅8年,伽利略卫星导航系统就因实际投入费用远远超出预期,陷入“财政无底洞”。

  若想继续建设,卫星导航系统的建设还需要增加15亿至17亿欧元(约合139.6亿至158.3亿元人民币)。欧盟委员会表示,费用增加主要因为火箭发射费、安全保险费的提高以及延期造成的费用,伽利略计划可能面临长期亏损。

  2015年12月17日,欧洲伽利略卫星导航系统第11颗和第12颗卫星搭乘一枚俄罗斯“联盟”运载火箭从法属圭亚那库鲁航天中心发射升空。

  亏钱也得建!卫星导航系统不仅事关国家安全:

  *在国家电网中,如果没有卫星导航系统的授时性,就无法保证时间的精确和一致;如果没有卫星导航系统对故障精确定位,快速引导至故障点进行抢修,电网安全稳定运行就是一个未知数。

  *大宗商品交易对基本面信息的获取有非常迫切的需求。以往,通过传统渠道获得数据信息,会有时效性低、信息不足的问题存在,这导致全球大宗商品供应链的市场透明度始终不高。卫星导航系统提供的“另类数据”,为提升大宗商品市场透明度提供了新的可能性。

  *离开了卫星导航系统,地球磁场、地球板块运动等学术研究会统统陷入停滞。

  *没有卫星导航系统的加持,港珠澳大桥等超级工程的定位速度会大幅下降,无法展现“中国速度”。

  *没了导航,广大“路盲”出行将遭遇多大的困难,不言而喻。

  1980年代,我国开始探索适合国情的卫星导航系统发展道路。当时,美国的GPS已是星座构成最完善、定位精度最稳定、应用最广泛并呈现市场垄断的卫星导航系统,而且,对全世界免费开放,连外国军队都可以使用。

  于是,有人说,中国“有必要耗费这么大的精力,去自主研发一个定位系统吗?”

  3

  北斗,想说爱你不容易

  当然有!

  首先,GPS是一个以军用为主的卫星导航系统,所有权、控制权、运营权都属于美国国防部。 很多国家的民用用户都担心,美国军方可以随时叫停民用信号。“免费午餐”存在巨大风险。

  其次,精度不够。 GPS包含军码和民码两种信号,二者精密级别不同,前者是毫米级别,后者是分米级别。2000年以前,美国军方对GPS发布的民用信号进行干扰,为的是降低民用信号提供精度,保护美国信息安全。

  在此背景下,本着先区域、后全球的发展规划,我国先后建成北斗一号、北斗二号、北斗三号系统,走出了一条中国特色卫星导航系统建设道路。

  2015年9月30日,西昌卫星发射中心,中国成功发射第4颗新一代北斗导航卫星。

  这条路并非一帆风顺。在具体的技术上,难题迭出。

  比如,导航卫星发射上天的前提是要有合法的轨道位置和频率资源,这是世界各国必争的宝贵资源。 美国的GPS和俄罗斯的格洛纳斯卫星导航系统早已占去了80%的“黄金导航频段”。

  直到2000年,我国才在国际电联组织争取到了暂时的轨道位置和频率资源。但是,《无线电规则》对卫星频率和轨道做的充分解释和分配方式中有一条规定,7年内申请者必须使用该频率。

  时间相当紧迫!

  2007年4月14日,肩负着重要使命的北斗卫星终于起飞,4月17日传回了信号。

  这时,距离国际电联规定的频率申请失效最后期限仅剩不到4个小时。

  原子钟难题也曾是一大障碍。

  导航卫星上的原子钟,利用原子吸收或释放能量时发出的电磁波进行计时。稳定的电磁波协同精密的仪器为卫星导航提供精确的时间测度。它能精确到什么地步?举个例子,哪怕从恐龙灭绝时计时到现在,误差也不超过3秒。原子钟因此被称为导航卫星的“心脏”。

  我国曾试图从国外引进铷原子钟,遭拒绝后开始自主研制。

  1997年,科学家们对铷原子钟的寿命、可靠性和卫星环境适应性等完全没有概念,只能反复试验、改进,以此寻找最佳答案。比如,铷原子钟的核心部件微波腔,直接决定原子钟信号强弱,团队不断尝试,用时一年多研制出开槽管微波腔。

  此外,团队还发明了一种新型铷光谱灯,克服了限制铷钟寿命和卫星环境适应性的主要障碍。

  北斗三号卫星,开始采用氢原子钟,铷原子钟天稳定度为E-14量级,氢原子钟天稳定度为E-15量级。

  中国自主研发的空间主动型氢原子钟。

  2000年底,我国建成北斗一号系统,首次解决了“我们在哪里”的根本问题。从1994年立项到3颗GEO卫星组成了全球第3个卫星导航系统、覆盖中国国土及周边,我国用了6年。

  2012年底,北斗二号系统建成,14颗卫星覆盖亚太地区,在亚太地区内导航系统标准服务的定位精度在10米左右。北斗二号确立了北斗的技术体制,实现了连续导航与定位报告双模融合、三频信号全星座播发。

  2020年,北斗三号实现了全球组网,35颗卫星覆盖全球,可以向全球用户提供米级、亚米级、分米级,甚至厘米级精度的定位和导航增强服务。

  从一个“缺”字当头——关键技术和设备短缺,卫星导航研究的人才短缺,经费也捉襟见肘,再到北斗全球组网的完成,一切艰辛与荣耀,尽在不言中。

  4

  我们真的“青出于蓝”了吗?

  2007年,联合国将美国GPS、中国北斗、俄罗斯格洛纳斯、欧盟伽利略确定为全球四大导航系统。

  目前,北斗的各项技术也在不断更新之中。

  2018年4月18日,宁夏吴忠市利通区金积镇塔湾村村民在田间利用北斗导航播种蔬菜。

  比如,在北斗二号的基础上,北斗三号的定位精度提升了1至2倍,达到2.5-5米的水平,拟为民用用户免费提供约10米精度的定位服务、0.2米/秒的测速服务。

  此外,北斗三号导航系统还可以以其高精度定位的优势,向用户提供精密测量测绘数据。北斗三号工程副总设计师、北斗三号导航卫星首席总设计师谢军表示,“测量地震后建筑物的下沉变化等,几毫米的下沉,都逃不过北斗的法眼。”

  后发制人的北斗,还有很多其他导航系统难以企及的优势。

  首先,北斗特有的短报文功能,是GPS不具备的一项技术突破。 简单来说,这是用户机与用户机、用户机与地面控制中心间双向数字报文通信功能,不仅能发送信号,还可以接收信号。

  短报文发送方首先将包含接收方ID号和通讯内容的通讯申请信号加密后,通过卫星转发入站;地面中心站接收到通讯申请信号后,经脱密和再加密后加入持续广播的出站广播电文中,经卫星广播给用户;随后,接收方用户机接收出站信号,解调解密出站电文,完成一次通讯。

  短报文,与我们日常短信的形式相似,在各种救援中发挥了无法替代的作用。

  汶川地震救灾时,北斗一代设备发出了来自震区的第一条消息。那时,所有高度依赖光纤和基站的通讯手段都因基础设施大面积损坏而无法使用。北斗卫星导航系统的短报文功能迅速“上线”,最大限度地保证了我们对“72小时黄金抢救时间”的充分利用。

  2018年9月,一架通航飞机在新疆和田山区失联后,通过北斗短报文发送了定位信息,使得机组人员全部平安获救。

  在森林火灾中,北斗手持终端可通过北斗系统高精度定位技术及短报文通信功能,让第一线的消防干警及时掌握火情并做好个人防护,便于组织疏散当地人群、加强重点防护区域场所的救援力量部署工作。

  2017年,北斗的应用还在渔业中不断推广。渔民说,现在出海就拜两样东西,一拜妈祖,二拜北斗。目前,我国渤海、黄海、东海、南海等海域的5万多条渔船都装上了北斗终端。根据浙江省2011年的统计,浙江渔民利用北斗卫星发出了1300万条短信。

  此外,GPS使用的是双频信号,而北斗使用的是三频信号 ,可以更好地消除高阶电离层延迟影响,提高定位可靠性,增强数据预处理能力,大大提高模糊度的固定效率。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。

  北斗是全球第一个提供三频信号服务的卫星导航系统。

  5

  民用化是发展方向

  现在,北斗已遍及我们生活的方方面面:世界主流手机芯片大都支持北斗系统,北斗系统正成为国内销售的智能手机的标配;共享单车配装北斗系统实现精细管理;支持北斗系统的手表、手环、学生卡,更加方便了人们的日常生活。

  中国航天科技集团展出的北斗导航卫星系统模型。

  需要注意的是,这些卫星导航系统不是非要争个你死我活,多系统兼容与互操作已成为发展趋势。

  美军U-2侦察机已将中国的北斗卫星导航系统作为备用系统,供飞机在GPS失灵时使用。U-2飞行员佩戴的手表也内置了多个导航系统,除GPS外,也能连接北斗、格洛纳斯和伽利略系统。

  为何要跟竞争对手搅在一起?

  其一,为正常运行提供保障。

  根据GPS的工作原理,接收机需要同时“看到”至少4颗导航卫星,才能实现定位。如果使用单一导航系统,一旦在某一区域上空卫星数量有限,接收机与某颗卫星就会断开联系,影响定位服务的持续性。北斗与GPS实现互操作以后,用户用一台接收机能同时接收两个系统的卫星信号,如GPS卫星数量不够的话,还有北斗卫星,定位的稳定性和精度会更高。

  其二,卫星导航产业一般遵循由军用到行业再到民用、从小众到大众的发展规律。 北斗导航系统现已广泛应用于交通运输、公共安全、农林渔业、水文监测、气象预报、通信时统、电力调度、救灾减灾等领域,而兼容可提高产品性能,提升用户体验,为商业竞争加分。

  目前,国际主流全球导航卫星系统(GNSS)厂商都采用多系统共用模式,产品一般都支持两个或者更多的卫星导航系统,北斗三号在设计建造之初就已考虑对其他卫星导航系统的兼容性,用户可以在终端上接收多个信号。

  北斗的大众规模化应用时代已经到来。作为战略性新兴产业,卫星导航定位市场已演变为每年价值近千亿美元的全球性产业链和战略合作关系。2017年我国卫星导航与位置服务产业产值达到2550亿元,同比增长20.4%。这一数字在2020年有望达到3400亿元至3500亿元。

  当下,我国与其他国家的合作也在不断推进,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,已在东盟、南亚、东欧、西亚、非洲等地得到成功应用。

  参考资料:

  1.有一种霸气,叫中国北斗!丨中国军视网,2018-10-31;

  2.兼容共用,北斗与世界携手丨中国北斗卫星导航系统,2020-04-13;

  3.活久见:美军侦察机都用上北斗导航系统了丨环球时报,2020-03-09;

  4.卫星导航系统的军事应用丨《国际太空》2007年4月号;

  5.解读|《中国民航北斗卫星导航系统应用实施路线图》丨中国民用航空局网站,2019-12-13;

  6.战斧”为何“砍”错方向——透视美军GPS系统丨中国人民防空,2003年8月 第150期;

  7.全球卫星导航看中国“北斗”丨光明日报,2018-04-16;

  8.欧洲“伽利略”卫星导航系统面临长期亏损丨国际在线,2010-10-08;

  9.GPS中制导在对地攻击精确制导武器中的应用丨《航空兵器》2000年第2期;

  10.揭秘北斗卫星的“中国心”——专家解析我国新一代星载原子钟丨光明日报,2018-02-13;

  11.中国北斗步入“全球组网时代”!性能不输GPS!丨中国青年报,2017-11-06。

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