【紫荊專稿】北斗系統全面完成組網 中國智慧持續服務全球

 

6月23日9時43分,北斗衛星導航系統(以下簡稱“北斗系統”)第55顆導航衛星,即北斗三號最後一顆全球組網衛星在中國西昌衛星發射中心成功升空。至此,北斗系統全面完成全球星座組網部署。作為中國迄今為止,規模最大、覆蓋範圍最廣、服務性能要求最高的巨型複雜航天系統,北斗系統是中華人民共和國成立70餘年來所取得的一項重大自主創新科技成就。伴隨北斗系統全球組網成功,它已成為中國貢獻給世界的一項全球公共服務產品,將為服務全球、造福人類持續貢獻中國智慧與力量。

北京    文心

【紫荊專稿】北斗系統全面完成組網 中國智慧持續服務全球插图

6月23日,我國北斗三號全球衛星導航系統最後一顆組網衛星在西昌衛星發射中心點火升空(圖:新華社)

憑實力入列全球四大衛星導航系統

 

北斗系統是中國著眼於國家安全和經濟社會發展需要,自主建設運行的全球衛星導航系統,是為全球用戶提供全天候全天時高精度定位、導航和授時服務的國家重大時空基礎設施。6月23日,當第55顆北斗導航衛星在北斗全球組網“大棋局”中落子定盤,中國北斗終於迎來了高光時刻。歷經一代代北斗人數十載的卓絕努力,這顆“東方之星”成功環抱地球、閃耀銀河!
 
“這是一個歷史性的里程碑,也是通過全球衛星導航系統(GNSS)向全世界人民提供精確地理定位服務的重要一步。”聯合國外空司司長西蒙內塔.迪皮蓬女士對北斗系統完成全球組網表示熱烈祝賀,並充分肯定北斗系統在推動全球經濟社會發展、和平利用外太空、參與聯合國空間活動國際合作等方面作出的巨大貢獻。在她看來,“只有對太空秉持著長期並持久的承諾,這個結果才可能實現”。
 
放眼國際,全球共有四大衛星導航系統。除了大家較為熟知的美國全球定位系統(GPS),還有歐洲的伽利略系統(GALILEO)、俄羅斯的格洛納斯系統(GLONASS),中國的北斗系統(BDS)也位列其中。
 
要知道,並不只是這些國家建設有衛星導航系統,日本、印度等國也在發展自己的導航系統,只不過是區域性的,不能提供全球性服務。可見,要躋身這一全球頂級科技俱樂部,必須得有相當的實力才行。與其它三者相比,中國的北斗系統起步晚、基礎弱。那麼,北斗系統究竟是憑著怎樣的“硬功夫”後來居上的呢?
 
北斗系統由空間段、地面段和用戶段三部分組成,其中空間段就是最受矚目的衛星星座。與全球其它衛星導航系統相比,北斗系統空間段首創採用了三種軌道衛星構成的混合星座,包括地球靜止軌道衛星、傾斜地球同步軌道衛星和中圓地球軌道衛星。不僅如此,北斗系統中的高軌衛星更多,抗遮擋能力強,尤其低緯度地區性能優勢更為明顯。在此基礎上,除了基本服務體系外,北斗系統進一步發展了區別於其它導航系統的創新特色。
 
短報文通信,就是北斗系統將導航與通信能力創新融合形成的一項“獨門絕技”。有了這一技術,北斗的用戶與用戶、用戶與中心控制系統間可以實現雙向簡短數字報文通信。2008年汶川大地震期間,在其它通訊方式紛紛失效的情況下,只有北斗系統以短報文形式與指揮中心保持著聯繫。
 
【紫荊專稿】北斗系統全面完成組網 中國智慧持續服務全球插图(1)6月23日,我國北斗三號全球衛星導航系統最後一顆組網衛星在西昌衛星發射中心成功發射,來自“北斗全線”“抗疫一線”“扶貧一線”的代表在發射現場共同見證(圖:新華社)
 
目前,在區域短報文通信服務方面,北斗三號繼承了北斗二號的短報文服務,通信能力也從最初一次發送120個漢字提升到一次發送1,000個漢字,讓空間通信就像使用“微信”一樣方便。並且,北斗短報文應用服務平台也已啟動建設,後續還將與移動通信技術結合,讓這一服務進入手機等智能終端中,從而為大眾用戶提供更便捷服務。在全球短報文通信服務方面,北斗系統單次通信能力可達40個漢字,已經具備了向全球提供試用服務能力。 
 
北斗系統還有一項“看家本領”,即具有返向鏈路的確認功能,好比信息的“已讀”等回執功能。這一功能在國際搜索救援服務中大有用處,堪稱“希望之光”。如果一艘漁船在海洋作業中遇險了,船上的搜救終端在觸水後會自動把搜救信號發到衛星上,衛星再把這些信息轉發到地面系統,地面系統從而快速計算出遇險者的位置,組織附近力量展開救援。這一過程其實對在漁船上等待救援的人們來說是痛苦的,有時甚至是絕望的。因為這只是一種單向報警系統,求救信息發出後,求救者並不知道信息是否發送成功,更不能確定救援隊伍會來,只能茫然無助地等待。
 
北斗改變了這種傳統格局,它實現了搜救過程中的雙向通信。當地面系統收到求救信息後,可以通過北斗特色的星間鏈路,利用可見衛星將回執信息以及地面救援力量的準備情況等信息返向發送給求救者,並且這些信息還可以對不同用戶進行差異化定義。“信息已收到”,“救援隊伍準備完畢,正在趕來”,“救援隊伍即將到達”……這一條條回執信息,可以幫助提振求救者在等待過程中的信心,增強他們的生還信念。
 
按照國際搜救衛星系統組織相關標準,北斗系統與其他衛星導航系統共同組成了全球中軌搜救系統,並將公益性地免費提供返向鏈路確認服務。它將主要用於水上、陸地及空中遇險目標的定位和救援,助力顯著提升全球遇險安全保障能力。
 
蹄疾步穩順利實現建設“三步走”
 

人類之所以發明和建設衛星導航系統,是為了更加精準快速地掌握時間和空間信息。如果一個國家無法獲取時間和空間信息,或是不能自主掌握這些信息而全部由他方來提供,就好像一個人失去了眼睛和耳朵,又猶如一座城市斷水斷電成了孤島,將面臨巨大的安全威脅。

 

從上世紀70年代至本世紀,伴隨互聯網及數字技術的飛速發展,無論是國防軍事安全還是社會的正常運轉,都愈發離不開衛星導航系統的指引。美國的GPS和俄羅斯的GLONASS是全球最早建成的衛星導航系統,而二者早期的不斷競爭則讓中國意識到,在衛星導航領域不存在真正意義的國際合作,必須自主掌握這一關鍵技術,否則就會在發展的過程中被他人“卡脖子”。

 

正如北斗一號衛星總指揮李祖洪所言,“北斗的研製,是中國人自己幹出來的。‘巨人’對我們技術封鎖,不讓我們站在肩膀上,唯一的辦法就是自己成為巨人”。

 

實際上,中國形成對衛星導航技術的理論探索與美俄幾乎是同步的。上世紀60年代末,中國就開始研究利用衛星進行地面定位服務。按照空間定位原理,要精確定位地球上的某一個目標點,至少需要3至4顆衛星。然而彼時的中國國力基礎薄弱,要發射這麼多顆衛星著實讓人感慨遙不可及。

 

儘管中國沒有踏上第一梯隊的腳步,但是這顆“種子”埋在了土裡、等待著發芽。1983年,以陳芳允院士為代表的專家團隊創造性地提出了“雙星定位”系統方案,即把地心視為一顆虛擬衛星,再發射2顆地球同步軌道衛星,這樣就可以用最少的投入、最小的星座和最短的周期實現對區域內地面目標的快速定位。

 

在此設想基礎上,中國開始探索適合自身國情的衛星導航系統發展道路,並逐步形成了從區域到全球的“三步走”發展戰略——2000年,建成北斗一號系統,向中國提供服務;2012年,建成北斗二號系統,向亞太地區提供服務;2020年,建成北斗三號系統,向全球提供服務。

 

照此步驟,1994年,北斗一號系統工程正式啟動建設,並在2000年發射2顆地球靜止軌道衛星後順利建成並投入使用。北斗一號系統採用有源定位體制,可為中國用戶提供定位、授時、廣域差分和短報文通信服務。2003年,北斗一號系統發射了第3顆地球靜止軌道衛星,進一步增強系統性能。

 

緊接著,北斗二號系統於2004年啟動建設,並在2012年投入使用。其間,共完成了14顆衛星發射組網。北斗二號系統在相容北斗一號系統技術體制基礎上,增加了無源定位體制,實現了為亞太地區用戶提供定位、測速、授時和短報文通信服務。

 

在蹄疾步穩地完成了“前兩步”後,北斗三號系統的建設開始加速衝刺!2009年啟動建設後,北斗三號系統需要發射30顆衛星實現組網。近兩年來,中國平均每月發射北斗衛星1.2顆,其中僅在2018年就實現了一年19星發射的高密度。這一“中國速度”,再次刷新了全球衛星導航系統組網速度的世界紀錄。此外,北斗三號系統繼承了有源服務和無源服務兩種技術體制,不僅能為全球用戶提供定位導航授時、全球短報文通信和國際搜救服務,同時可為中國及周邊地區用戶提供星基增強、地基增強、精密單點定位和區域短報文通信等服務。

回顧整個北斗系統數十載的建設歷程,其中飽含著一代代北斗人篳路藍縷、砥礪奮進的汗水與意志。他們不僅要從零開始摸索,還要依靠勤勞和智慧打破國外的技術封鎖,開創出完全自主的建設局面,因為“關鍵核心技術是要不來、買不來、討不來的”。北斗系統的建設實踐,走出了在區域快速形成服務能力、逐步擴展為全球服務的中國特色發展路徑,豐富了世界衛星導航事業的發展模式。令國人驕傲的是,今日耀世太空的北斗系統是中國的“自主之星”,北斗導航衛星單機和關鍵元器件已實現100%國產化。

 

目前,北斗系統服務由北斗二號系統和北斗三號系統共同提供,今年後將平穩過渡至以北斗三號系統為主的“後北斗”時代。按照規劃,到2035年中國將建成以北斗系統為核心,更加泛在、更加融合、更加智慧的國家綜合定位導航授時體系。這一體系將實現由深空到深海的立體服務覆蓋,具備由公里級定位精度到分米、厘米級定位精度的多樣化服務能力。這一體系已經完成了初步論證,也開展了關鍵技術攻關和研究工作。屆時,全球用戶將不斷享受新時代北斗系統的一流服務。

 

只受想像力限制的“+北斗”應用

 
自古以來,天上的北斗星就被智慧的中國人用來指引方向和計算時間。隨著人類社會的不斷進步,一顆顆發射升空的衛星開始擔負起古時星座的任務,並逐步發展成為適應現代化應用的衛星導航體系。如今,已建設20多年的北斗系統早已潤物細無聲般滲透至國人生產生活的方方面面。接下來,隨著北斗全球組網成功,它還將更加廣泛而深刻地服務人類、造福全球。
 
有別於“先建後用”的一般思路,北斗系統從一開始就採取了邊建設系統邊推動應用的發展策略以及“政府搭台、企業唱戲”的運營模式。整個北斗系統的全面推動應用大約始於2009年,在業界看來,“北斗的應用只受想像力的限制”。
 
北斗衛星導航晶片、模塊、天線、板卡等基礎產品,是北斗系統應用的基礎。通過衛星導航專項的集智攻關,這些基礎產品已實現自主可控,並形成了完整的產業鏈,技術達到國際先進水平,輸出至100多個國家和地區。其中,截至2019年底,國產北斗導航型晶片模塊出貨量已超1億片,季度出貨量突破1,000萬片。
 
此外,北斗系統已在交通運輸、農林漁業、水文監測、氣象測報、通信授時、電力調度、救災減災、公共安全等國民經濟和社會發展的各個領域得到廣泛應用,服務國家重要基礎設施建設,產生了顯著的經濟效益和社會效益。
 
【紫荊專稿】北斗系統全面完成組網 中國智慧持續服務全球插图(2)

1月8日,交通運輸部南海航海保障中心海口航標處為燈浮標安裝上“中國芯”北斗遙測遙控燈器和北斗AIS實體航標,照亮瓊州海峽春運回家路(圖:新華社)

 
交通運輸是國民經濟、社會發展和人民生活的命脈,北斗系統已經深入應用於重點運輸過程監控、公路基礎設施安全監控、港口高精度實時調度監控等領域。截至去年12月,中國超過650萬輛營運車輛、4萬輛郵政和快遞車輛、36個中心城市約8萬輛公交車、3,200 餘座內河導航設施、2,900餘座海上導航設施已應用北斗系統,且建成了全球最大的營運車輛動態監管系統。
 
中國是農業大國、漁業大國和森林資源大國,這幾大行業也是北斗系統較早應用的領域。北斗衛星導航技術結合遙感、地理信息等技術,可促進傳統農業向智慧農業加快發展。基於北斗系統的農機自動駕駛系統超過2萬台套,節約50%的用工成本;基於北斗系統的農機作業監管平台和物聯網平台為10萬餘台套農機設備提供服務,極大提高了作業管理效率。在林業領域,北斗系統定位與短報文通信功能廣泛應用於森林防火、天然林保護、森林自然調查、病蟲害防治等。在漁業領域,北斗系統可為漁業管理部門和漁船提供船位監控、緊急救援、信息發布、漁船出入港管理等服務;全國已有7萬餘艘漁船和執法船安裝北斗終端,累計救助1萬餘人。
 
救災減災領域,也是北斗應用較為集中的行業之一。目前,中國已建成部、省、市(縣)三級平台,實現六級業務應用,推廣北斗終端超過 4.5萬台。就在今年新冠肺炎疫情發生後,建設武漢火神山、雷神山醫院的任務可謂分秒必爭。面對當時環境複雜的施工場地,北斗系統提供的高精度定位和精確標繪為醫院的迅速施工爭取了寶貴的時間。不僅如此,北斗系統還助力無人機按照系統生成的航點和飛行路線,完成精準噴灑等防疫消毒工作。總之,在這場科技戰“疫”中,北斗系統功不可沒。

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寧夏吳忠市利通區通過引進北斗導航系統等技術和設備,大力發展智慧農業。圖為4月9日,利通區金積鎮塔灣村的智慧農業科技示範區植保人員在調試無人機準備為小麥施肥(圖:新華社)

 
除了這些基礎行業的應用外,基於北斗的導航服務已被電子商務、移動智能終端製造、位置服務等廠商採用,因此北斗系統的應用也逐漸進入中國大眾消費、共享經濟和民生領域。截至2019 年第三季度,在中國市場申請入網的手機有400餘款具有定位功能,其中支持北斗定位近300款。
“目的地距您當前距離5.6公里,大約需要行駛21分鐘。”打開手機地圖裡的導航功能,使用者不僅能夠查找到想去的地方,而且還能知曉導航系統根據距離和路況實時更新的行程信息。
 
“滴滴!”只需在手機上輕輕一點,就可以找到距離最近的共享單車並成功解鎖使用。“您的訂單正在派件中”、“久等啦,外賣小哥即將送達”……衛星定位能夠實時提供快遞和外賣的物流動態,讓顧客在期待的過程中多了一份精彩。
 
每天晨起後打開手機查看智能手環傳輸的個人睡眠信息,是新潮一族的個性化養生方案。而一些兒童手錶、老人手環等特殊智能穿戴設備,不僅可以對這些特殊人群進行動態定位,還可以提供緊急呼叫、短報文等相關服務,為他們給予關愛、保障安全。
 
當前,“新基建”藍圖正在火勢鋪開,而作為“新基建”的“基建”,北斗系統正在與5G、大數據、區塊鏈、人工智能等新技術加速融合。從“北斗+”到“+北斗”,一大批基於北斗應用的新模式、新業態、新經濟不斷湧現,將進一步推動生產生活方式的變革和商業模式的不斷創新。
 
去年,中國衛星導航與位置服務產業總體產值達3,450億元人民幣,其中北斗系統的貢獻率約為70%至80%,預計未來一段時間還將保持20%左右的增長速度。在當今世界政治風雲激蕩、經濟危機四伏、整體充滿風險和未知的大背景下,中國的北斗系統將秉持開放的理念,在世界舞台和浩瀚星空中貢獻中國智慧,讓中國的科技成果惠及全球、在歷史的長河中為人類文明恒久引航!
 
(作者係中科院研究員)
本文發表於《紫荊》雜誌2020年8月號

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責編:莫潔瑩、李博揚
編輯:邸    倩、賀子琪