北斗卫星导航系统的由来和发展

2019.11.05 , 浏览次数: 590

 

1.现在天上工作的导航卫星知多少?

“星儿空中辨江树,北斗天际识归舟”。在我们使用的智能手机上(例如华为mate-10或mate20)打开“北斗伴”APP,很快卫星天空图上就锁定了25-30颗左右的卫星。有BDS(北斗卫星导航系统)、GPS(全球定位系统)、GLONASS(格洛纳斯)和 Galileo(伽利略导航系统)的卫星,它们分别用其所属国家的国旗缩略图表示。

到2020年,四大卫星导航系统全部部署完毕后,将有140余颗卫星在轨。那时,我们打开卫星导航接收机,一下子就可以收到三、四十颗卫星信号,并将获得质量非常高的定位、导航和授时服务。

 

2.我国的卫星导航系统为什么叫做“北斗”?

北斗是BDS(北斗卫星导航系统)的中文简称。“大河向东流,天上的星星参北斗”,自古以来,人类就非常崇拜日月星辰,华夏祖先对于北斗星更是有着高山仰止般的敬畏。北极星,更是功能神奇,因为找到了北斗星,就可以在群星灿烂的夜空中找到永远在正北方向的北极星,也就实现了定向导航。所以,将我国的卫星导航系统取名“北斗”,既有鲜明的中国特色,又彰显华夏悠久的历史文化和渊源,让人浮想联翩。

图1北斗七星的“魁”与“斗柄

图2天空中北斗星指极方向示意图

北斗星自古以来一直是人们用来指明方向的重要手段之一。无论是在前不着村、后不着店的荒漠,宽阔的草原,茂密的山林,还是一望无际的海上,或是月明星稀的夜晚,没有参照系辨别方向是非常困难的。古人经过长期的观察实践,渐渐发现北斗星是一种非常有效的辨别方向的办法。

其实,人们真正用来指示方向,实现导航应用的星星,叫北极星。它是位于北天极附近的一颗星,由于它几乎在地球的自转轴的延长线方向上,所以我们北半球的人常年能看到它在北方的天空,人们可以利用它来指明方向。以它作为参考点,通过六分仪等仪器,还可以确定纬度。在繁星满天的夜空中如何找到北极星?最简单的方法就是通过北斗七星。将北斗七星斗魁(杓)上的外侧第二星(天璇),向斗魁外侧第星(天枢)的连接线向外延伸约5倍距离,就能看到一颗明亮的星星,它就是北极星。

 

3.为什么大国纷纷建自己的导航卫星系统?

导航卫星系统已成为当今社会重要的空间信息基础设施,其应用只受人们想象力的限制,具有广泛的社会、经济、科技和国防意义。建造全球导航卫星系统,对任何一个国家来说都是一个浩大长期的工程。它需要周密的部署,投入大量的人力、物力和财力,突破重重技术难题。对于每个建设该系统的国家来说,卫星导航系统肯定是其国家最大的航天工程。

导航卫星系统给一个国家和地区带来的好处也是巨大的。因为导航卫星提供的定位、导航、授时(PNT)能力,具有高精度、实时性和普适性等许多特点,其应用遍布国民经济、国家安全和社会生活的上上下下方方面面,惠及各行各业、千家万户和亿万人群。简而言之,导航卫星系统是军力倍增器、经济放大器、能源节流器、快乐发生器、国家综合实力和核心竞争力显示器。

北斗系统及其海陆空天服务示意图

作为独立自主的大国,建立自己的卫星导航、定位和授时服务系统对保障国民经济的正常运行和国防安全都至关重要。它所催生的是个战路性新兴产业,是低碳经济,是绿色产业,产业生命期长达50年乃至更长时间,产生巨大的经济和社会效益,以及科技发展的带动力。建立导航卫星系统也彰显一个国家的综合国力,在世界上争取更多话语权毋庸置疑,作为一个大国,把国民经济和国防安全依附于别国的导航卫星系统存在明显的风险。

 

4.为什么将GNSS称为系统之系统?

从分类来看,GNSS(全球导航卫星系统)已经是系统之系统的代名词了,它包括了全球系统、区域系统和星基增强系统。顾名思义,全球系统和区域系统之间的差别在于所提供的服务覆盖区域范围不同;星基增强系统是利用系统之外另加的卫星来实现增强服务

目前,全球系统有四家,它们是:已建成并投入完全服务(Full Operational Capability.FOC)的,有美国的GPS(全球定位系统)和俄罗斯的GLONASS(格洛纳斯);正在建设并且计划在2020年投入完全服务的,有中国的BDS(北斗卫星导航系统)和欧洲的 Galileo(伽利略卫星导航系统)。

区域系统包括:日本的QZSS(准天顶卫星系统)和印度的IRNSS(印度区域导航卫星系统)。

所有持有全球系统或者区域系统的国家,差不多全都具有星基增强系统,例如:美国的WAAS(广域增强系统),俄罗斯的SDCM(卫星差分改正监测系统),欧洲的 EGNOS(地球静止卫星导航重叠服务),日本的MSAS(多功能运输卫星增强系统)和印度的 GAGAN(辅助GPS静地星基增强导航系统)。中国的BDS(北斗卫星导航系统)设计之初就带有赤道静止轨道卫星,故本身就可以成为基本系统+星基增强系统。图1是GNSS系统之系统的示意图。

图1.全球导航卫星系统(GNSS)之系统概念一览图

 

5.北斗系统为啥称为GNSS的后起之秀?

美国和前苏联是最早拥有全球导航定位系统的国家。美国的GPS(Global Position System,全球定位系统)和俄罗斯的 GLONASS(GLObal NAvigation Satellite Systen,格洛纳斯)在上世纪90年代中期(1995和1996)先后宣布投入正式服务。GPS是最早具备完全服务能力(Full Operational Capability. FOC)的系统,1995年就宣布正式服务,其24颗工作卫星星座完整,卫星设计寿命较长。1996年,GLONASS建成具有24颗工作卫星的完整星座,随后进入FOC阶段。然而,GLONASS在轨工作卫星的设计寿命仅2-3年,部分卫星退役后得不到及时补充,又加上前苏联的解体,造成经济困难,卫星系统难以维系,2001年在轨工作卫星一度下降至6颗。实际上,很长时间段内,能够留下来持久稳定提供全球服务的只有GPS。

世界上几乎所有具有经济与科技实力的大国,均在建设自己的卫星导航系统。中国建设自己的BDS(北斗卫星导航系统),是从2000年发射北斗一号试验系统卫星开始的。我国从自己的实际情况和当时的国力出发,分成“三步走”加以实施。从有源走向区域,再走向全球,并把具有双向传送短报文的通信能力,继承下来,推向全球服务,成为种特色服务,也使得北斗显示出后起之秀的差异性。

图1.GNSS的四大全球系统的星座一览图

 

6.北斗三号计划在哪年建成,真正成为“世界的北斗”?

我们国家很早就非常重视导航卫星系统的建设,并提出了分三个阶段实施的计划。即先建造有源区域卫星导航系统,再建造无源与有源相结合的区域卫星导航系统,最终建造无源与有源相结合的全球卫星导航系统。

2017年至2020年为北斗系统建设的第三个阶段,我国将先后发射30颗北斗三号导航卫星(3颗静止轨道卫星+3颗倾斜地球同步轨道卫星+24颗中圆轨道卫星),建成采用无源与有源导航方式相结合的全球卫星导航系统。其服务范围为全球;定位精度为2.5至5米;测速精度为0.2米/秒;授时精度为20纳秒:短报文的字数和传送的能力也有所增加。

具有高精度、高可靠、高保险、多功能的“北斗”全球卫星导航系统有一些美国、俄罗斯和欧洲全球卫星导航系统不具备的性能和特点,例如,其空间段采用三种轨道卫星组成的混合星座,且与其他卫星导航系统相比高轨卫星更多,因此抗遮挡能力强,尤其在低纬度地区性能特点更为明显。

北斗三号可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;该卫星系统创新融合了导航与通信能力,具有实时导航、快速定位、精确授时、位置报告和短报文通信服务五大功能,是真正的“世界的北斗”。

 

7.怎样用好天上那么多导航卫星资源?

用好天上丰富的卫星资源要从GNSS(全球导航卫星系统)这个大系统出发。GNSS包括全球系统、区域系统和增强系统,已建、在建和计划建设系统,所包含的卫星总数量超过140颗。这么多系统和卫星,来自不同的国家、不同的设计,如何充分地利用它们,这是一个崭新的课题。

怎样用好天上那么多导航卫星资源,必须从系统之系统的概念高度,进行再设计、再利用,研究“系统之系统”的概念及其真实内涵,全面确立北斗系统在GNSS中的定位,实现并且认真推进GNSS的兼容互操作,加快加强北斗系统融入GNSS的步伐,同时对北斗GNSS总体组成的每一段均赋予与时俱进的崭新含义,分别升级成为:空间星系系统、环境增强系统、运控运营系统和应用服务系统,实现完整的现代化卫星导航系统总体设计和系统概念集成,这比设计一个新系统的难度要大得多。但是,这个课题为我们提供了一种学习和提高的良好机遇,也是我们与国际GNSS大家庭并肩发展的重大机遇。

 

8.目前世界上卫星导航终端的用户数量有多少?

随着宏观经济稳定性的增强,市场成熟度的提高,服务的持续进化和多样化发展,全球GNSS市场当下正处于稳定增长的阶段。尽管欧洲和北美市场逐渐饱和,但全世界GNSS设备的安装数量预期会从017年的58亿台飙升至2020年的约80亿台。

此外,发展中国家关键区城移动经济不断扩张,购买力不断增长,会推动卫星导航的应用与服务产业的长足进步。全世界GNSS设备安装数量主要由智能手机主导,而位居第二的是公路细分市场。2017年GNSS在智能手机上的安装数量达54亿台,而在公路细分市场上的安装数量则为3.8亿台。其余数量是高精度应用和特殊应用。

据统计,2017年国内导航定位终端产品总销量突破6.1亿台,其中具有卫星导航定位功能的智能手机销售量达到4.91亿台。汽车导航后装市场终端销量达到700万台,汽车导航前装市场终端销量突破740台,各类监控终端销量在500万台左右,专业高精度接收机终端销量突破14万台(套)。2018年销售总量与2017年相比,大约增加近20%。国内外主流厂商纷纷量产兼容北斗的芯片,极大推升了北斗在智能手机、平板电脑、可穿戴设备等消费电子产品中的应用规模,国内销售的智能手机兼容北斗应用的数量占比已超过80%。

 

9.我国北斗产业如今的总产值达到什么量级?

2019中国卫星导航与位置服务产业发展白皮书》中显示,2018年我国卫星导航与位置服务产业总体产值已达到3016亿元,2018年我国卫星导航与位置服务产业较2017年增长18.3%。其中包括与卫星导航技术直接相关的芯片、器件、算法、软件、导航数据、终端设备等在内的产业核心产值占比为3544%6,达到1069亿元人民币,北斗对产业核心产值的贡献率已达到80%。包括各种应用数据及软件、各类应用集成系统、基于位置的运营服务等在内的,由应用卫星导航技术所衍生或直接带动形成的关联产值达到1947亿元人民币。我国卫星导航与位置服务领域企事业单位数量保持已达到在14000家左右,从业人员数量超过50万。截至2018年年底,业内相关上市公司(含新三板)总数为51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10.74%。

2006-2018中国卫星导航与位置服务产业市场规模(单位:亿元)

 

10.什么是中国卫星导航产业最大的优势?

导航产业,中国最大优势就是庞大的内需市场。中国移动通信市场规模现已名列全球第一(2017年移动电话用户净增9555万户,总数达14.2亿户,移动电话用户普及率达102.5部/百人,比上年提高6.9部/百人)。汽车销售市场也力压美国成为全球第一大汽车销售市场(2017年我国汽车产销量超过3322.4万辆),民用汽车的社会持有量接近21743万辆。而移动通信和汽车产业两大市场恰恰是卫星导航主流应用市场。值得指出的是,2018年我国北斗产业总产值达到3016亿元的年产值,到2020年将突破4000亿元。