用北斗打开想象

用北斗打开想象
2020年08月02日 11:12 商学院

  用北斗打开想象

  卫星导航的应用不应受限于想像。从牛郎织女的星河传说开始,中国人就在用无尽的想像勾画着未来,而北斗组成的星座,也将打开未来的想像之门。

  文|钱丽娜 陈茜

  2020年6月23日9时43分,第59颗北斗组网卫星在西昌卫星发射中心发射成功。至此,中国历时26年建设的自研卫星导航系统完成了组网,结束了依赖GPS的历史。

  从1994年12月北斗导航试验卫星立项开始,到2020年完成全球组网,卫星定位导航技术正随着中国数字化、智能化的浪潮展示出强大的商业动能。

  北京正弦空间技术有限公司总经理,原中国空间技术研究院研究员、北斗三号卫星主任设计师何善宝博士说,“北斗是基础设施的基础设施,是时空基准,在广大的国土中你得知道自己在哪里,有自己的参照系和标准。国家已经投资几百亿元铺设完成。”

  围绕北斗产业,2015年中国卫星导航与位置服务产业总体产值已超过1900亿元。卫星导航与位置服务领域企事业单位数量超过13000家,从业人员近40万人。行业内上市公司(含新三板)总数达21家,上市公司涉及卫星导航与位置服务的相关产值约占全国总产值的6%。上海北斗导航创新研究院副院长裴凌说,“这一领域的机会刚刚展露头角。”

  北斗的历史

  1990年代,中国决定上马卫星导航系统。彼时中国在很多领域需要投入,在财力薄弱的情况下,卫星导航系统的研发很难拥有充裕的资源。

  为此,中国开始探索适合国情的卫星导航系统发展路径,形成三步走的战略:2000年年底,建成“北斗一号”系统,为中国提供服务;2012年年底,建成“北斗二号”系统,逐渐覆盖亚太区域;2020年,建成“北斗三号”系统,向全球提供服务。

  何善宝说,中国的北斗工程在起步之初受经费影响,与GPS的设计思路不同,但反倒走出了一条创新之路。

  中国上马“北斗一号”系统时,采用的是陈芳允院士提出的“双星定位”,由两颗地球静止轨道卫星(GEO)覆盖中国区域,创造性地提出集定位、通信和授时三大功能于一体的建设方案,比GPS多了通信功能。

  鉴于技术和成本,“北斗一号”系统采用有源定位技术。卫星接收到地面发出的信号后送到中心控制系统再返回地面,通过一来一往的双向短报文对终端进行定位。“有源定位和短报文特色服务”曾被称为北斗系统的“最大特色”,在气象、水文监测上有了较为广泛的应用。然而不足也很明显,在定位时需要地面保持无线电静默,且设备必须包含发射机,使用不便,用在军事上容易暴露目标,此外还有用户容量有限、定位精度不足、实时性较差的缺点。

  “北斗二号”并不是“北斗一号”的简单延伸,它克服上一代系统的缺点,提供海、陆、空全方位的导航定位服务,采用无源定位技术,主要覆盖亚太区。“北斗三号”则实现了无源导航系统的全球覆盖。

  北斗采用混合星座,由地球静止轨道卫星(GEO),倾斜地球同步轨道卫星(IGSO)和中轨道(MEO)卫星组成。GEO覆盖面积广,与地球保持相对静止,在卫星通讯领域有优势,但是无法覆盖高纬度,特别是两极地区,星间链路损耗大,通讯时延长;MEO具有较小传输损耗和通信时延;IGSO的倾角设计影响到覆盖范围,中国轨道倾角设计为55度,以便卫星和定位终端之间形成有一定体积的立体空间,立体空间体积越大,越有助于提升定位系统的质量。何善宝说,“由于有三个轨道,北斗在某些地区比如赤道和东南亚地区,测量精度要优于GPS。”

  何善宝说,“北斗的短报文通信和混合星座是国际首创。这里面有继承问题和现实的问题。”短报文通信是北斗的亮点,与中国的国情相关,因为当时没有好的卫星通信系统可用。混合星座是中国为了保留区域导航能力,在此基础上发展起来的全球系统,这是一种比较稳健的做法。“但是要切记,不能因此说北斗比GPS厉害,北斗在系统的可靠性、完好性和可用性等软性指标上还要继续学习GPS,这些软性指标才是卫星导航系统真正成功的标志。”

  另一个小插曲则是北斗的频率资源争夺战。为了卫星导航系统的精确性,扩大导航的覆盖范围,中国的“北斗二号”系统规划有20颗卫星。这些卫星升空前需要拥有合法的频率轨位。国际电信联盟(ITU)在分配卫星导航系统的频率资源上按先来后到的顺序,谁先发,谁拥有频率资源的协调权。新发的卫星要保证不跟原来的卫星有频率上的冲突。此时,美国已经建成GPS,俄罗斯拥有格罗纳斯,占用的都是黄金频段L频段,欧洲人为了建自己的系统申请拓展了卫星导航频率到1260-1300MHz。中国按照国际电信联盟规则,通过友好协商开展北斗系统频率轨位协调,与有关国家合作拓展卫星导航频率资源。2000年以来,先后与20余个国家、地区和国际组织,300余个卫星网络进行了有效协调。

  中国在提出导航卫星系统的频率申请时,欧洲也在规划伽利略系统。在新增的L频段中,中国要和欧洲的伽利略系统竞争。按照国际规则,谁早递交发射申请,谁先占有频谱资源。2000年4月17日中国先行递交申请,6月5日欧盟向ITU提出了频率申请。但申报频率以七年为限,必须在2007年4月底之前完成发射,否则就作废。

  为了频谱资源,欧盟主席巴罗佐曾专程来中国协调,何善宝说,“频谱资源相当于是房地产的资源,虽然卫星的频率是各国共享的,但是谁在前谁的协调地位就优先。”在中国和欧盟竞争的过程中,欧盟卫星发射得早,中国直到截止日的最后时刻才发射成功,差一点就失去了频段的协调地位,这其中又与诸多“卡脖子”的技术有关。

  何善宝介绍说,星载原子钟的攻关堪称是北斗的一场经典之战。星载原子钟被称为导航卫星的“心脏”,决定卫星导航系统定位和授时精度。这项关键技术中国在当时是空白。北斗工程总体单位和航天五院在其中起到了最为关键的作用,采用了新型的举国体制,五院公平公正地提出星载使用边界,输出研制规范条件,同一把尺子考核自己的下级单位和外部单位,让国内多个相关优势单位独立并行攻关,最后三家单位胜出。中国研制的高性能的铷原子钟达到国际先进水平,“北斗三号”还配置了新一代原子钟,性能指标更高。

  总体来说,北斗系统具有以下特点:一是北斗系统空间段采用三种轨道卫星组成的混合星座,与其他卫星导航系统相比高轨卫星更多,抗遮挡能力强,尤其低纬度地区性能优势更为明显。二是北斗系统提供多个频点的导航信号,能够通过多频信号组合使用等方式提高服务精度。三是北斗系统创新融合了导航与通信能力,具备定位导航授时、星基增强、地基增强、精密单点定位、短报文通信和国际搜救等多种服务能力。

  产业应用

  北斗系统由空间段、地面段和用户段三部分组成。

  空间段是卫星导航产业的基础,由若干地球静止轨道卫星、倾斜地球同步轨道卫星和中圆地球轨道卫星等组成,包括卫星制造、卫星发射,以及旨在提高定位精度的地基增强和星基增强系统。

  地面段是北斗产业的中游,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。基础部件作为“自主可控”最关键的部分,主要由基带芯片、射频芯片、板卡、天线等构成。

  用户段是北斗产业的下游,包括北斗兼容其他卫星导航系统的芯片、模块、天线等基础产品,以及终端产品、应用系统与应用服务等。

  北斗系统自2012年底正式提供区域服务以来,明显带动了卫星导航产业的整体升级发展。《2020中国卫星导航与位置服务产业发展白皮书》显示,2019年我国北斗卫星导航系统产业市场营收趋于稳定。

  其中,产业链上游和中游的产值占比分别为9.92%和45.85%,呈下降趋势,而下游运维服务环节成长迅速,其产值占比已增长到44.23%,是产业链各环节中效益涨幅最快的。

  何善宝说,如今“北斗三号”的定位精度可以到达五米,与GPS-3系统相当。“MEO的定位精度理论上0.5米是极限。大家都在往这个目标努力,但很多误差源是无法消除的。若要进一步提高精确到0.05米,则要依靠低轨卫星星基导航增强系统或者地基增强系统。精度的进一步提高取决于成本,这要看在商业应用来能否实现闭环。”

  裴凌说,“北斗二号”系统建成时,规模化应用还不够,只有十万套级别,性能不及GPS,这是受芯片技术和相关技术的制约。但一些应用的场景已经出现,最典型的是“两客一危”,即从事旅游的包车、三类以上班线客车和运输危险物品的道路专用车辆。“这些应用让人们对北斗有了切身的用户体验,它是一个非常好的阶段性系统,让技术体系和产业链逐步完善,有助于此后的星座设计。”

  裴凌说,在技术门槛降低后,应用段变得异常活跃,产品迭代的速度在加快。目前,北斗定位导航功能已广泛应用于手机、车辆以及无人机。

  北斗的另一个重要功能是“授时”,指利用无线电波发播标准时间信号的工作。裴凌介绍说,定位与时间相关。

  “时间只要有微小的差别就会引起距离的巨大误差,这就是导航卫星为什么要有一个精密的原子钟。”

  时间的精准度在各个行业有着广泛的应用。在金融期货交易中,1秒之差价格截然不同。国家电网安装了大量的授时终端,用于计算电力到达各变电站的时间,做好防护措施,以免烧毁设备。授时在手机中的应用场景也非常丰富,比如抢红包,第一个点赞、秒杀等等都需要依靠网络的精确授时。

  裴凌目前在从事混合现实技术的研究,“无人驾驶领域需要大量的场景测试,上亿公里的路况,还要拥有各种天气条件下同一个位置的状态,实测是不现实的,需要借助深度学习对虚拟环境进行训练,这其中也需要借助定位导航技术。”

  何善宝在北斗组建成功后开始了在应用领域的创业。2019年他注册成立北京正弦空间技术有限公司。在此之前他尝试过几个方向,卫星通信、卫星遥感、机器人等,最后发现气象数据最有市场潜力。“很多人不了解气象,以为是公益性质的天气预报,但其实不是,中国的民航、远洋运输、电力、能源等行业的气象市场是被国外公司垄断的。2025年中国气象服务产业规模可达3000亿元,如果气象数据服务在其中占比10%~30%,至少有300亿元的规模。”

  何善宝正在尝试做大气探测,借助低轨小卫星搜索经大气折射后的北斗信号,还原成大气的温度、湿度、压强,成为一家基于北斗系统的大数据公司。在该领域可以对标的是Spire Global公司,该公司利用GPS和伽利略星座信号获取天气数据,美国国家气象和海洋局已经采购了该公司的数据。Spire?Global还在开始拓展欧洲和亚洲市场。“虽然气象数据没到市场的爆发期,但是我们要做在风口之前。未来农业、林业领域也会有很多的机会。农业气象保险每年有超过500亿元的市场份额,气象大数据可以做到灾害提前预警。”

  华测导航是一家基于高精度卫星导航定位产品及系统解决方案的提供商,副总裁胡炜说,北斗组网成功有助于公司全球业务的拓展。“从国家安全战略看,北斗组网成功也会加快在导航定位领域软硬件的自主可控,地基增强系统早年全部采用国外设备,现在正在逐步推进国产化。在软件方面,随着美国对中国高科技领域的技术封锁,也会倒逼产业端加速自主创新。”但同时他也认为,应用层面的商机并不会因组网成功突然爆发,但是会促进行业的发展,比如农机自动导航业务在国际上的推广,尤其是在“一带一路”沿线国家的推进。

  胡炜认为,未来北斗导航商业应用的驱动力首先来自用户对高精度定位的需求,其次来自互联网企业、运营商的积极投入。“要做到自主可控并不意味着北斗系统和美国GPS等系统之间是替代关系。目前,华测导航的数据采集设备依然兼容全球四大卫星导航系统。只能说,北斗组网成功后,我们真正开始进入‘北斗时代’。”

  鉴于5G应用也是近年来备受关注的领域,那么“5G+北斗”将会带来怎样的应用场景呢?

  胡炜举例说,自动驾驶会是比较典型的应用场景,但是也不会一步到位。因为北斗只是解决了定位问题,5G解决的是数据高速传输问题,但是,自动驾驶技术的成熟和广泛应用,还需要其他技术,以及法律法规、伦理等方面的并进推动。不过在一些固定区域或物流配送等场景下,自动驾驶已经得到应用。

  打开想象

  在中国的规划中,到2035年中国将建成以北斗为核心,更加融合、更加智能的综合定位导航授时(PNT)体系,具有高精度、全天时、全天候、陆海空天一体的特点。

  这是新型的基础设施,涉及所有传统行业。在新兴产业中,移动通信、大数据、机器人也都跟时间和频率有关。PNT本身的定义也在随着技术的发展发生演变。综合PNT将打破基于卫星导航的限制,覆盖深海、深空、室内、地下等领域。

  裴凌说,这也意味着导航技术还将有更为广阔的想像空间。

  首先,量子导航是一个前沿领域。在测试个体的运动时,目前传感器的精度远远不够,会产生飘移,而量子陀螺会更为精确地描述运动轨迹,卫星导航往量子方向发展后,会带来更多富有想像力的应用。”

  其次,进行深空探索时也可以借助脉冲星的信号来定位。尽管脉冲原因至今没有十分有力的证据,但这依然是一个可探索的方向。

  第三,马斯克的星链中,低轨卫星可能会带来另外一套导航定位系统,精度和信号都会提高。

  第四,

  第三,导航与人工智能相结合,还会产生很多想像不到的应用。数字孪生技术、物联网、AR、VR都将会有全新的应用场景。

  第四,

  “北斗之父”孙家栋曾有言,卫星导航的应用不应受限于想像。从牛郎织女的星河传说开始,中国人就在用无尽的想像勾画着未来,而北斗组成的星座,也将打开未来的想像之门。

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责任编辑:李思阳

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