杨长风:北斗卫星导航系统建设发展与融合应用

发布时间:2020-08-14分享到:
非常高兴大会邀请我来汇报一下北斗系统的建设和应用的情况。作为北斗系统,我承担这项任务以后经常碰到有人问我这样的问题,两三万公里高的卫星怎么来导航的?我首先把基本概念和大家做一个汇报。

作为卫星导航,标准得救提供两个参数,一个是时间参数,一个是位置参数。时间参数和位置参数的变化就变成了一个速度,我们会测速。实际上卫星导航就提供这三个参数,就是时间参数、位置参数和速度参数。现在来看,已经作为信息时代的基础。

定位大家都很清楚了,大家知道时间,就是靠我们的卫星进行授时的,导航就是速度的变化,依据速度的变化,按照一定的目标来进行导航,把周围的位置来告诉你。大家都知道一坐上车以后导航,就要用百度或者高德地图,实际上高德地图用一个图来告诉你怎么去走,我们的北斗就像是这个东西进行导航的。

卫星导航就提供两个要素,就是我在哪,什么时候,要干什么事是要把它结合起来。现在卫星导航就是把时间和空间统一起来了。我们的北斗导航还有位置报告,还有短报告通信,这是卫星导航现在所具有的几个基本功能。

它的系统组成实际上是三大块,一块是天上的星座,二是地面的巨大的网,三是各种各样的用户,这样就构成了一个庞大的卫星导航系统。北斗系统实际上大家一听说有50多颗卫星,实际上天上的网,地面也有40多个站,也是遍布全国的,再加上我们有全国的成千上万的用户,所以构成了我们整个的北斗卫星导航系统。我们的北斗叫做天罗地网,实际上就是这样一个意思。

它的定位原理很简单,就是三球交汇,三个卫星,它作为一个原星,这三个卫星周围联系以后就有一个交汇点,它就可以把时间,四颗同步的时间就可以算出来。通过三个原加上一个同步的时间,就把我们在这点的位置和时间算出来了。这就是一个基本的三球交汇原理实现的定位。

下面我把北斗系统工程建设的情况简单的报告一下。

北斗卫星系统的发展,它的发展目标这上面说的比较大,实际上要我给大家解释,就是两句话,第一句话,要实现世界一流的卫星导航系统,第二句话,要实现我们的产值每年4000亿。这个是变成高大上的说法了。

我们的发展步骤是按照三步走的发展路线,先区域,后全球,先有源,后无源。整体来说,我们是突出了一个区域,然后面向全球,同时富有特色的北斗系统发展之路。它是为我们世界卫星导航发展提供了中国方案。我们这三步走确实走了20多年,但是这20多年走过了国外40多年的路程。

我们的第一步,北斗一号系统,这是在80年代陈芳允先生提出的符合国情的北斗一代双星定位理论。它是地面上有一个数据处理中心,算完以后告诉我们用户,是这样的原理。就是因为这样一个原理,他就有一个通信传输功能。

我们现在说我们国家的创新开始,实际上从北斗一号就开始了,它就形成了最独特的通导一体化的技术体制。

由于我们有了这个原理,我们很快就建成了,以最少的卫星,我们用三颗行,一颗星作为一个备份,用很短的时间就实现了我们国家自主的独立的卫星导航系统,这是世界上第三个可以自己运行的卫星导航系统。

原来的指标就是我们国家和周边国家相关的地方,这里面延伸了一个功能,可以每个小时提供75万次的服务功能,而且它可以定位,平面是10米,高是20米,每次可以传输120个汉字。

北斗二号,它的体制是把北斗一号导航一体化的继承和发扬,是主动和被动导航兼有的技术体制。

主动就是可以发射无线电波,就像手机一样,被动就像收音机,实际上GPS就是收音机,北斗二号的组成有14颗混合星座,有5颗地球同步,静止轨道的五颗星,还有五颗第九同步全息轨道的卫星。在我们的发展过程中,它为我们北斗三好的发展也打下了一个很好的基础。所以我们的发展是一种集成创新的发展。

这个是15颗星目前在轨的,北斗二号系统还在用,我们12年发射上去的,一般是8到10年的寿命,上去以后各方面的功能都挺好,这个精度比原来提高了,这个就有了侧素功能,它属于被动式的模式,所以每秒0.2的速度,我们的授时精度也得到了提高,短报服务也体现的特别好。还有一个广域差分和地基增强的能力。实际实验的过程中,我们的精度比这个更高

作为北斗三号,这个主要任务就是刚才说的,这是我们重大专项已经明确的,要实现世界一流,肯定要全球覆盖,还要带来产值,这个产值要实现4千亿,在2020年要达到这个目标。

北斗三号跟北斗二号相比,它功能增加了很多,这个基本导航就是类似于国际上其他三大系统以外,导航、定位、授时以外的功能以外,我们有信息增强,还有中轨搜救,全球位置报告,它的精度从目前来看,在全球范围内,实际上通过18年基本系统建成以后,我们一直在测量定位精度,到习主席几次宣布开通仪式以后,我们测到的数据,在全球范围内大概是5-6米,跟GPS是一样的。我们这里面还有多种功能,包括精密单联定位,在亚太地区可以得到0.7米左右德威治精度,实际上我们测的是在0.3到0.6的定位精度。

我们大容量的短报文通信的能力也得到了大家的提升。原来在北斗一号、二号只能够传播120个汉字,每个小时的用户量大概只有120万左右,现在我们的北斗三号的短报文可以达到1200个汉字,这就相当于15万个BT的能力了,这个能力实际上就可以全投下,也可以通过ER,全语音。这次习主席开通仪式,到后来参观的时候我们也展示了一下,效果很好,通就延迟了10秒钟。

我们的北斗三号系统创造了几个奇迹,在两年半的时间内就发射18箭30颗卫星,而且每次都成功,一上去以后就会域网。在整个世界导航界,包括航天界认为这是一种奇迹。现在总共有55颗星。大家经常问怎么北斗系统一问50多颗星,GPS就30多颗星。我们北斗二号还有15颗星在轨,北斗三号的30颗星,同时在里面我们在这个里面打了一些实验卫星,有的还在做实验。所以说,我们总共北斗二号和北斗三号加起来是55颗星。实际上正常工作的是北斗二号15颗星和北斗三号30颗星在工作。亚太地区要说的话,它就是靠北斗二号和北斗三号的混合使用得到的高精度。

我们的这个全球系统实际上是30颗星,它的轨道大家可以看到,绿色的是一个全息轨道3.6万的高度,还有直的是白色的,红色的就是在2.2万的圆轨道,有三个轨道面形成了这样一个混合星座,它和北斗二号相比,它向全球拓展了,确确实实在全球已经得到了很好的应用。

我们的特色是引领全球,这是一个强大的,一个多样化服务能力的北斗导航系统,它可以在全球范围内有三种功能,定位导航、授时国际搜求,短报文。

最亮的亮点,就是因为我们有了一个星链链路,可以实现全链路的导航系统,这样我们就极大的提升了运行管理能力。原来一般的这些系统要建全球系统必须要全球建站,我们有了星建链路以后,就可以通过新建链路实行全球的管控,一颗星可以对八颗星,在任何一个方位上面会给八颗星进行测距通讯。可以在不要依赖全球建站的要求,我们在国内就行了。

提供了一个很好的安全性,没有地面站支持的情况下,可以在天运行60天,就是因为有新建链路的保障。

7月31日,习主席宣布北斗三号正式开通,北斗已经正式向全球服务,迈入了一个全球服务的时代舞台。这个开通仪式以后,习主席又花了半个小时看了我们的展览展示,展示的过程中非常关心北斗,因为他在17、18年连续七次对北斗做了批示,到后来听完了以后,重点强调了两点,他说北斗系统从现在来看,一个是要确保系统的稳定运行,一个是要把北斗应用实现产业化。7月2日到5日,他也相继做了批示,一个还要提升北斗的能力,新一代北斗卫星导航系统的能力,同时要加快国家增强PNT的步伐。

北斗应用的情况有几个方面,这个导航的核心芯片主要是基础芯片,这个基础芯片现在是完全自主可控了,国内完全能够生产,而且现在22纳米的已经批量化了,这个性价比是相当高的,12年一个芯片是2000块钱,现在只有6块钱。到19年底,我们的量产也相当高,一亿多片,每个季度的销售都可以达到一千万。现在国内的销量相当大,大部分已经往国外销售了。

精度在零点几毫米,零点几厘米的测量办法和相关的产品已经跟国际水平同步了,性价比提的很高,在12年的时候是两万多,现在就是一千多块钱。作为高精度的产品是国内的主要市场,同时我们也到国外去了。这些导航公司说,在国外赚钱赚的多,他们利润可以到30-40%,国内基本上就3-5%。

在行业应用方面,现在建成了全国最大的营运车辆动态监管系统。我们跟俄罗斯进行总理会晤座谈,俄罗斯直接跟我们介绍,它说他的系统已经在交通智能管理方面做的很好了,用了两万多的用户进行了智能监控,我说我们已经380万个用户在用了,到后来我介绍这个以后,跟中国进行了跨界的车流量的监控。

行业运营上面已经运用的很好。渔民可以在家里面报平安,同时他会知道鱼情的所在位置,台风影响的情况下,监控中心会及时给他发去预报。没有移动通信的时候发挥得作用很大。

现在自动驾驶实时采集考试车辆的高精度位置,转向角度,行驶速度等信息。北京市的应用,在智能应用方面,尤其是现在的京东,基本上就是靠北斗在监控,用的相当广泛。还有出租车,搞了智慧交通和智慧旅游,把城市的治理做的不错。

我在上海的时候看见小孩,他的鞋里面就挂着一个芯片,家里面的人关心小孩,在幼儿园的时候他就知道小孩的实时状况。

整个来说,现在的应用用到了珠峰的高峰测量。无人机,  我把无人机的监控,巡逻,再加上精准施工方面都得到了很好的应用。

新兴产业方面,现在19年实验了3450亿。发射成功以后,基本上所有的上市公司都有几个展厅馆。

现在正在和5G结合,网络方面我们正在做这方面的工作。物联网已经得到了很好的应用。智能化汽车,现在北京市正在搞一个智能网一体化的系统,也是在利用北斗系统。

未来的发展我简单的说一下。习主席给我们指明了一个方向,2035年我们要得到一个泛在、融合、智能的综合PNT应用服务体系。

卫星导航的应用只受想象力的限制。希望各位院士和专家一同推动北斗导航系统。谢谢大家。

 

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