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天上的星星参北斗 精选

已有 6292 次阅读 2007-6-7 06:20 |个人分类:知识交流|系统分类:海外观察

天上的星星参北斗
 
  王增宁 <2007-05-29>
 
 

    2007年4月14日,人类导航史上又一个值得纪念的日子。这一天北京时间凌晨4点11分,中国又一颗北斗卫星成功升入太空,自此,中国自行研制的北斗卫星导航系统进入新的发展建设阶段。
    之所以说是“新的发展建设阶段”,是因为这是一颗不再以“试验”冠名的北斗导航卫星,这标志着我国拥有自主知识产权的全球卫星导航系统——北斗卫星导航系统正式开始组建。有关部门负责人表示,未来几年里,中国将陆续发射系列北斗导航卫星,计划2008年左右满足中国及周边地区用户对卫星导航系统的需求,并进行系统组网和试验,逐步扩展为全球卫星导航系统。

    北斗跻身导航四强
    目前,世界上只有少数几个国家能够自主研制卫星导航系统。当前全球有四大卫星定位系统,它们分别是美国的全球卫星定位系统(GPS)、俄罗斯的格罗纳斯系统、欧洲在建的伽利略系统、中国的北斗系统。中国的北斗系统跻身导航四强,打破了西方的太空垄断。
    美国的GPS系统,是世界上第一个全球卫星导航系统。在相当长的一段时间内,美国GPS系统垄断了全球军用和民用卫星导航市场。GPS原来是专门用于为洲际导弹导航的秘密军事系统,在1991年的海湾战争中首次得到实战应用。随后,在科索沃战争、阿富汗战争和伊拉克战争中大显身手。从克林顿时代起,该系统开始应用在了民用方面。现运行的GPS系统由24颗工作卫星和4颗备用卫星组成。美国利用GPS获得了巨大的经济利益,多年来在出售信号接收设备方面赚取了巨额利润。长期以来,美国对本国军方提供的是精确定位信号,对其他用户提供的则是加了干扰的低精度信号——也就是说,地球上任何一个目标的准确位置,只有美国人掌握,其他国家只知道个大概。在海湾战争时,美国还曾置欧盟各国利益不顾,一度关闭对欧GPS服务。
    俄罗斯的格罗纳斯系统是前苏联于20世纪70年代为了打破美国的垄断而建设,于1993年启用的。该系统由24颗卫星组成,主要应用于军事领域。前苏联解体后,继承了格罗纳斯系统的俄罗斯一度因为经济困难而无法为已经失效的卫星发射替代卫星,从而使系统的在轨卫星数量急剧下降,严重影响了其使用效能。近年来,随着俄罗斯经济状况的好转和卫星导航定位市场的蓬勃发展,俄罗斯已经开始重建格罗纳斯系统,并积极将该系统向全球民用市场推介。目前在轨的格罗纳斯卫星为14颗。俄罗斯还将发射3颗新一代格罗纳斯卫星,预计于2010年左右使卫星数量达到“满员”状态。
    欧洲的伽利略系统同样缘起对美国GPS系统依赖的摆脱。1999年,欧空局和欧盟合作启动伽利略项目。计划中的伽利略系统由30颗卫星组成,可以提供定位精度为1米的民用信号,最高精度比GPS高10倍。2005年12月28日,首颗试验卫星Glove-A发射成功,成为伽利略系统建设的里程碑。第二颗试验卫星Glove-B的发射正在计划中。另外4颗在轨验证(IOV)卫星也正在制造,预计将于2008年底前全部发射入轨。伽利略计划将在2008年投入运营。作为伽利略系统最早的非欧洲合作伙伴国,中国已开始承担该系统IVO阶段的11个项目,涉及空间段、地面段和应用段的工作任务,并将在未来参与卫星的制造,提供激光反射器、搜索救援组件和其他部件。
    中国的北斗系统是继美国GPS系统和俄罗斯的格罗纳斯系统之后第三个建成并投入使用的卫星导航定位系统。北斗导航系统于1983年制定方案,其突出特点是构成系统的空间卫星数目少、用户终端设备简单、一切复杂性均集中于地面中心处理站。北斗一号卫星定位系统是利用地球同步卫星为用户提供快速定位、简短数字报文通信和授时服务的一种全天候、区域性的卫星定位系统。系统的主要功能是:定位——快速确定用户所在地的地理位置,向用户及主管部门提供导航信息;通信——用户与用户、用户与中心控制系统间均可实现双向简短数字报文通信;授时——中心控制系统定时播发授时信息,为定时用户提供时延修正值。
    从技术和应用前景上看,四大卫星导航系统各有优劣。如果说GPS胜在成熟,伽利略胜在精准,那么格罗纳斯的最大价值就在于抗干扰能力强,而中国的北斗卫星导航系统的优势则在于互动性和开放性。
    GPS是继“阿波罗”登月和航天飞机之后的又一重大航天科技成就,已被广泛应用于各个领域,但它绝非完美无缺。比如,GPS规模太大、造价太高,其他国家很难效仿;GPS只能导航,无法通信,因而不能满足日益增长的用户需求;如果仅依赖GPS,则容易受美国控制。与GPS相比,伽利略系统在许多方面具有优势,例如其卫星数量多达30颗,其卫星轨道位置比GPS高。伽利略可为地面用户提供3种类型的信号供选择,其中包括免费信号、加密且需交费才能使用的信号、加密且可以符合更高要求的信号。此外,伽利略卫星定位系统信号的最高精度比GPS高10倍,确定物体的误差范围在1米之内。有专家称:“如今的GPS只能找到街道,而伽利略却能找到车库的门。”而俄国的格罗纳斯由24颗卫星组成,也是由军方负责研制和控制的军民两用导航定位卫星系统。尽管其定位精度比GPS、伽利略略低,但系统采用了不同的轨道和信号频率,更注重对高纬度地区的覆盖,而且抗干扰能力最强。中国自行研制的北斗卫星导航系统不仅具备在任何时间、任何地点为用户确定其所在的地理经纬度和海拔高度的能力,而且在定位性能上有所创新。北斗系统与其他系统最大的不同,在于它不仅能使用户知道自己的所在位置,还可以告诉别人自己的位置,特别适用于需要导航与移动数据通信场所。此外,中国还致力于提高北斗卫星导航系统与其他全球卫星导航系统的兼容性,促进卫星定位、导航、授时服务功能的应用。

    北斗凸现自主创新
    我国的卫星导航系统研制工作早在60年代末就已开展,但由于种种原因而夭折。70年代后期以后,国内又开展了探讨适合国情的卫星导航定位系统的体制研究,先后提出过单星、双星、三星和三至五星的区域性系统方案,以及多星的全球系统的设想,并考虑到导航定位与通信等综合运用问题。这些方案和设想都没能够实现。自80年代引进首台GPS接收机后,我国逐渐成为GPS应用大国,但这种应用模式整体处于受制于人的地位,无论卫星导航系统还是用户终端,都要依靠进口。作为航天大国,面对卫星导航技术的迅猛发展,面对各种战略需要,我国必须积极探索适应自己国情的卫星导航定位的技术。1983年,航天专家陈芳允院士创造性地提出了利用2颗地球静止轨道卫星来实现区域性导航定位的设计方案,经过多次演示实验证明,该系统方案正确可行。这就是研制和发射北斗一号导航卫星的由来。此后,经过近20年努力,我国先后于2000年10月31日、2000年12月21日发射了2颗北斗静止轨道导航试验卫星;2003年5月25日,又成功发射了第3颗北斗静止轨道试验导航卫星。自此,我国终于建成了北斗区域导航系统,即北斗一号卫星导航系统。
    利用2颗地球静止轨道卫星实现区域导航定位属于世界首创,具有鲜明的中国特色。美国的静止卫星公司和欧洲的本地卫星公司曾进行这种系统的开发和研制,但都失败了。我国不仅首先实现了这项创新工程,而且投资很少。它将导航定位、双向数据通信和精密授时结合在一起,在申请用户知道自己的测定位置的同时,其调度指挥机关或其他有关单位也可得知用户所在的位置。
    所谓地球静止轨道卫星,就是在位于赤道上空35786千米高的圆形轨道上以3.075千米每秒的速度自西向东运行的人造卫星。由于这种卫星围绕地球运行1周用时23小时56分,恰与地球自转周期相等,故从地面上看去,犹如悬挂在空中不动一样,所以称其为静止卫星,其相应的轨道被称为静止轨道。北斗导航系统即由2颗经度上相距60度的静止卫星对用户双向测距,由1个配有电子高程图的地面中心站定位,几十个分布于全国的参考标校站和大量用户机组成。
    我国发射的第3颗北斗导航卫星,是一颗备份星。它与前2颗工作星一起,组成了我国完整的第一代卫星导航定位系统,即北斗一号导航试验系统。北斗一号是世界上第一个区域性卫星导航系统,具备在中国及周边地区定位、授时、报文和GPS广域差分功能,已经在测绘、电信、水利、交通运输、渔业、勘探、森林防火和国家安全等诸多领域发挥了重要作用。但北斗一号也有其缺陷:双星定位,只能为终端用户提供经度和纬度,无法提供高度数据;只能覆盖中国及其周边地区,不能覆盖两极地区,赤道附近定位精度差;无法在高速移动的平台上使用,用户无法保持无线电静默,因而不能满足高动态和保密的军事用户要求,用户数量受一定限制。而且北斗一号卫星寿命为8年,其中北斗1A、北斗1B寿命即将到期,因此发射新一代北斗卫星势在必行。
    2007年2月3日,我国第4颗北斗导航试验卫星北斗1D发射升空。北斗1D仍然属于北斗一代系列,不过它的任务除了进一步提高试验系统的性能和可靠性外,还将参与二代系统的试验。北斗1D升空后太阳帆板展开时发生故障,不能正常运行,西安卫星测控中心会同有关单位经过两个月奋战,成功排除了故障,为发射二代北斗卫星扫除了障碍。
    2007年4月14日4时11分,我国在西昌卫星发射中心用长征三号甲运载火箭,成功将一颗北斗导航卫星送入太空。这是第一枚没有冠以“试验”二字的北斗导航卫星。约14分钟后,星箭分离,西安卫星测控中心传来的数据表明,卫星准确进入预定轨道。这颗北斗导航卫星名为COMPASS-M1,飞行在高度为21500千米的中圆轨道。未来的北斗卫星导航系统由5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成。从轨道高度看,北斗M1和以往试验星36000千米的高度不同,而与国外的GPS系统、格罗纳斯系统、伽利略系统卫星高度接近,这意味着它属于北斗系统30颗非静止轨道卫星之一。M1的意思是中圆轨道(MEO)的首星,按照这个编名规则,以后发射的北斗系列其它非静止轨道卫星的名称将从北斗M2排到北斗M30,静止轨道(GEO)卫星则将从北斗G1排到北斗G5。和试验系统不同,北斗卫星导航系统即二代系统不仅具备在任何时间、任何地点为用户确定其所在的地理经纬度和海拔高度的能力,而且在定位性能上有所创新。未来几年里,我国还将陆续发射系列北斗导航卫星,计划2008年左右满足中国及周边地区用户对卫星导航系统的需求,并进行系统组网和试验,再逐步扩展为全球卫星导航系统。
    总之,北斗导航系统是我国独立自主建立的卫星导航系统,它的研制成功标志着我国打破了美、俄在此领域的垄断地位,解决了中国自主卫星导航系统的有无问题。它是一个成功的、实用的、投资很少的初步起步系统,是我国具有自主知识产权的卫星定位系统,是我国卫星导航事业摆脱受制于人的重要基础设施,也是打破GPS独占我国卫星定位导航应用市场局面的根本手段。

    北斗应用前景广阔
    北斗卫星是集导航定位、短信息、通信授时3种功能为一体的带有技术创新的卫星。北斗卫星导航系统卫星数量少、投资小、用户设备简单价廉,且具有三大功能:快速定位,可为服务区域内用户提供全天候、高精度、快速实时定位服务;简短通信,用户终端具有双向短报文通信能力,可以一次传送一百多个汉字的信息;精密授时,具有单向和双向两种授时功能。北斗导航系统服务区域为中国及周边国家和地区,它可以在服务区域内任何时间、任何地点,为用户确定其所在的地理经纬度和海拔高度,并提供双向短报文通信和精密授时服务,可广泛应用于船舶运输、公路交通、铁路运输、海上作业、渔业生产、水文测报、森林防火、环境监测等众多行业,以及军队、公安、海关等其他有特殊指挥调度要求的单位。
    北斗卫星导航的独特的优势和广阔的应用前景,有巨大的经济和社会价值。到目前为止,北斗导航系统已经有了一些成功应用的案例。
    比如,应用于森林防火信息系统。在森林防火扑救指挥中,无论是林火发生时的扑救指挥还是日常管理中的巡查,都需要有精确的定位工具和有效的通信手段,保证森林防火中心与森林防护人员保持密切的联系,并随时掌握一线人员的动态位置。2002年4月,基于北斗卫星导航系统的黑龙江大兴安岭森林防火信息系统在全国森林防火工作现场会上进行了成功演示。该系统通过与北斗导航系统民用服务中心合作,综合运用地理信息技术、计算机通信技术和卫星导航定位技术,实时掌握防火车辆、飞机和人员所在位置和行进方向,第一时间了解火场情况并及时调配力量,在紧急情况下实施及时救助和协同作业,为林业防火工作信息采集自动化、决策科学化提供了可靠的技术手段。
    又如,应用于船舶调度管理系统。我国沿海和内河船舶运输长期以来安全和生产调度通信手段落后,北斗卫星导航系统非常适合作为沿海内河船舶和渔船遇险安全通信保障的手段和运营调度指挥的工具。2002年12月,澜沧江—湄公河船舶调度管理系统正式建成开通。该系统下属船舶在航行过程中可将自身位置实时报告给指挥调度中心,同时利用北斗导航系统短电文通信功能实施船舶作业指挥调度。该系统运行以来,很好地解决了江上航运船舶的调度、指挥和遇险救助问题,定位精度和通信的实时也能完全满足用户应用需要。
    再如,应用于铁路运输调度信息系统。2003年6月,基于北斗卫星导航系统的铁路北斗卫星移动通讯平台研制成功,并在郑州铁路局所属的60台机车上投入使用。该系统基于高精度的北斗导航系统时间基准构建,不需要经过复杂的专用地面通信网,可为高速运行机车(列车)和地面调度所之间提供双向数据通信,从而保证了铁路运输调度的及时性和准确性。
    北斗卫星导航是应用领域非常广泛、使用非常安全的系统,但由于多种因素,目前北斗卫星导航系统在民用领域的应用还不充分,大量的星上资源闲置。以卫星在轨寿命8年来计算,每天有100万元的折旧在白白消耗;以卫星设计容量为百万户来计算,目前在线的终端用户还不足千分之一。
    有专家认为,北斗卫星导航系统之所以没有得到充分利用,其原因有三:
    一是国家政策缺位。北斗导航系统是国家花巨资建设的军民两用导航系统。一个新兴产业要发展壮大,与国家政策的支持是分不开的。美国为促进GPS的应用,曾两次以总统令的形式,颁布了国家关于GPS应用的政策,在保证军方使用的前提下,大力鼓励民用、商用和科学应用。欧洲伽利略计划实施中,政府已对技术与经济诸多问题进行了同步规划,对系统的维护、运行管理、费用分摊、回收投资、安全保障等有了明文规定,并在上世纪90年代,就提前启动了地面应用计划。但我国至今缺少一个有关卫星导航产业的国家级政策,这势必影响企业和科研部门对北斗导航系统应用的投入,导致应用产品品种少、水平低、价格贵,用户望而却步等后果,致使其在与GPS的竞争中,处于劣势。
    二是政策缺位直接导致应用推动乏力。很多企业和用户,甚至不知道谁是民用导航产业的主管部门,北斗卫星已经成功升空近5年,可它作为一种新技术新业务,很少有人花气力去普及推广,广大用户,特别是信息化人员,对其知之甚少,了解其工作原理和特性的就更少,相关宣传资料也难以找到。“北斗与GPS是同一个东西”的误解,极大地影响了用户的使用热情。北斗导航系统应用的初期,在应用系统的开发试验上,需要大量的资金投入,开发运营企业难以在资金上长久维持,用户就更难花费巨资为自己单建应用小平台。
    三是缺少性能稳定、价格平民化的用户机。国产电子元器件的落后、芯片的缺位,再加上地面设备比星上器件起步相对较晚,造成了目前市场上用户机的不成熟。尽管北斗导航系统的功能并不比GPS差,但二者之间的价格相差甚远,从而制约了用户增加。
    这种“技术先进、应用落后”的现状,正引起国家的重视。在国家有关部门的支持下,北斗专用芯片和模块设计生产正在紧锣密鼓地进行。这样的自主创新,将直接降低北斗用户终端的成本。与此同时,有关部门也在加紧建设应用示范系统,将通过典型示范工程建设进一步扩展北斗导航系统的应用行业。我们有理由相信,在不久的将来,不仅具备先进性、适用性、军民两用、抗干扰性等特征的,适合我国国情的北斗二号将会展现在世人面前,更加完善的我国卫星导航系统必将建立,而且北斗卫星导航的应用范围也将越来越广阔。



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