北斗「收網」

2020年6月23日,西昌衛星發射中心成爲萬衆矚目的焦點。

上午9:42,長征三號乙運載火箭自主供電;9:43火箭正式升空,46分開始助推器分離……10:09星箭分離,10:15經西昌衛星發射中心主任張學宇確認,第五十五顆北斗導航衛星發射圓滿成功。這成爲中國衛星導航系統的歷史性時刻。

伴隨這最後一顆靜止軌道衛星(GEO)成功上天,北斗三號全球衛星導航系統完成全球組網。自此,一群來自中國自主研發的衛星得以覆蓋全球信號源,形成一片「星座」海。得到這個「果」,我們國家僅走了二十餘年。

除中國北斗和美國GPS之外,全球衛星導航系統(GNSS)核心供應商還有歐盟Galileo、俄羅斯GLONASS,基於各自發展進程、部署技術落點、頻譜資源的差異,而在地球大氣層之外的高空聯合編制了多層大網,四大系統之間相互兼容,共同爲人類提供高精度衛星導航服務。

相比之下,中國的北斗系統雖然起步較晚,但具有獨創的中高軌混合星座架構,在獲取位置信息外更有獨有的功能設置。2019年底的一次會議中,中國衛星導航系統管理辦公室主任、北斗衛星導航系統新聞發言人冉承其表示,「我們建設的北斗三號系統,完全是自主創新、自主設計、自主建造、自主可控,是響噹噹的中國創造産品。」

早在上世紀七十年代,我國曾提出過建立自己的衛星導航定位系統——燈塔系統。按照北斗二號衛星系統總指揮李長江的回憶,由於當時的國民經濟無力支撑,這一系統最終無奈退出了歷史舞臺。

在此後一段時間內,中國在諸多應用領域曾一度采用美國的GPS導航技術。但這些代表個人時間和空間精准定位的信息管道被掌握在他人之手,幷不讓人輕鬆。其不僅關乎對自主安全性的掌控力,也會在一定歷史階段後面臨可能「被卡脖子」的困境。

關鍵起點發生在1994年,主客觀條件相對成熟後,我國下定决心啓動了北斗一號衛星導航系統的建設。對於建設初期的中國北斗來說,從技術條件到財力支持,很多都是未知的。但中國的衛星技術系統已經涌現出人才,爲接下來北斗系統的獨特性奠定了基礎。

2000年,我國首次發射了屬於自己的2顆地球靜止軌道衛星幷旋即投入使用,北斗一號正式開啓部署。也是從那時起,中國成爲繼美國、俄羅斯之後,全球第三個擁有獨立衛星導航系統的國家。

北斗一號衛星導航系統實現了主要面向中國用戶,提供定位、授時、廣域差分和短報文通信等服務,踏穩了第一步。

爲走向更廣闊的空間、發揮更大效用,迭代很快來臨。2007年至2012年間,北斗二號系統先後發射了16顆衛星,形成中國獨有的「地球靜止軌道衛星(GEO)+傾斜地球軌道衛星(IGSO)+中圓地球軌道衛星(MEO)」中高軌混合星座架構,從精密度、抗遮擋能力、覆蓋範圍等方面爲後續發展奠定了扎實基礎。

此外,保留了北斗一號的技術體制,增加「無源定位服務」技術,開始面向亞太地區提供相應服務。相比「有源服務」,「無源」這一技術體制對於用戶數量不再有限制,也是與美國GPS系統一致的路綫。

自2020年開始,完成30顆衛星發射組網後,北斗三號系統已全面建成。延續多年來的技術路綫之外,中國采用Ka星間鏈路的頻段,這能够得到更高保密性和通信速率,中國正式開啓了完善的全球範圍衛星導航應用服務。

從衛星導航系統的部署和演進速度來看,中國無疑是最快的,也因部署路綫的不同,獨特性明顯。

中國衛星導航定位協會首席科學家曹沖就指出,「未來十年,衛星導航還有什麽要做的?簡單地說,就是要用好、用足北斗,幷且將其升級換代實現新時空體系的跨越發展。」

其中涉及兩個方面,其一是技術迭代的深化,其二則是應用落地擴圍。這成爲産業鏈探索的趨勢所在。

曹沖解釋道,實際上衛星導航的軟肋依然明顯:日地空間的太陽黑子與地磁等地球物理異常擾動變化,物理遮擋、屏蔽與多徑和反射,以及有意無意的干擾威脅和擾亂欺騙攻擊,都將會導致GNSS信號接收的異常中斷和操縱失敗。

爲此,我們國家已經在推動大範圍的地基增强系統落地,在此基礎上對星基增强系統的加速部署也在計劃表中。

簡言之,這兩類技術分別從地面基準站信號增强和空中衛星間信號增强著手,全球四大系統其實都在堅定執行中。除了區域性增强系統,發展組合導航技術將成爲衛星導航技術的又一重要方向。

具體來說,一方面衛星導航技術自身會不斷發展,通過升級核心元件,從而减少功耗、降低成本。中海達在已推出射頻芯片的基礎上,目前在著手基帶芯片研發。

另一方面,衛星導航和慣性導航技術可以更深入地結合。由於衛星導航系統要接收來自天空的信號,在信號中斷的地方無法定位;而慣性導航技術不受外界影響,可以自主定位;但隨著時間增長,慣性導航定位的誤差會逐漸變大,這又需要衛星導航的實時定位來消除誤差積累。因此二者的有效融合能解决實際應用中的關鍵問題。

技術和應用從來相輔相成。正撲面而來的「新基建」浪潮,顯然已對「北斗+」和「+北斗」打開巨大想像空間。5G爲北斗系統打開了産業新生態,隨著逐步把北斗精准位置服務加載上去,前景將非常廣闊。

最近一次北斗衛星導航系統大放異彩是在國家對珠穆朗瑪峰的第三次登頂測量工作期間,這是首次用上北斗系統,對産業界意義非凡。

而基於北斗三號的獨特能力,尤其在突發灾害過程中,其重要性尤爲凸顯。據李長江介紹,2008年汶川地震期間,在網絡、通訊全斷的情况下,各方力量得以通過北斗的用戶機來準確定位,第一時間反饋灾區實地信息,幫助灾民脫離危險。

還有迅速發展的自動駕駛、機器人、物聯網等,龐大的應用場景在陸續召喚著「國之重器」走向我們身邊。

正如曹沖形容,衛星導航的應用「如此廣泛,乃至無限,其服務只受到人們想像力的限制,只有想不到,沒有做不到的。」

在不遠的將來,再提到衛星導航系統、提到「北斗」,「手機」不再是唯一代名詞,我們的觸角將可以延伸到無限遠。

(駱軼琪/文)