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從『燈塔』到『北斗一號』
『中國人關於利用人造衛星進行導航定位的設想其實並不比外國人晚,是與世界同步的。』李長江說:『美國的全球衛星定位系統(GPS)是在上世紀60年代開始起步的,而幾乎在同一時段,中國空間技術研究院就開始了中國自己的衛星導航系統的設計,取名為「燈塔」,但是由於文化大革命和國家財力等原因,工程下馬。』
『衛星導航系統是國家安全和經濟社會發展不可或缺的信息基礎設施,是大國地位和綜合國力的重要標志。』李長江說,『世界各大國都高度重視發展自主的衛星導航系統。例如,美國不斷提高GPS的精度和抗乾擾、抗攻擊、反利用能力,極力保持其霸主地位;俄羅斯克服經濟困難,堅持全面恢復和自主控制格羅納斯(GLONASS)系統;歐盟一直致力於建設獨立的伽利略(GALILEO)系統;此外,在中國周邊,印度、日本也在積極謀求建設獨立自主的衛星導航系統。大家都認識到,要有自主的系統,這是不容質疑的。』
在這場看不見硝煙的競爭中,中國人走出了一條自己的路。1983年,『兩彈一星功勛獎章』獲得者、中國科學院院士陳芳允創造性地提出了雙星定位設計方案,即利用兩顆地球靜止軌道衛星,實現一個區域的導航定位。在這一設想的基礎上,北斗一號雙星定位系統開始了積極地立項論證。1994年,國務院和中央軍委批准了這一雙星定位系統立項報告,中國開始了自己的第一代衛星導航系統的研制建設。
『2000年10月31日北斗一號01星發射,12月21日北斗一號02星發射。2003年5月25日又發射了北斗一號03星,作為系統的備份星。經過近3年的調試、測試和試運行,2003年12月15日,中國第一代衛星導航系統——北斗一號系統正式開通運行。』李長江介紹說,利用兩顆地球靜止軌道衛星實現區域導航定位屬於世界首創,具有鮮明的中國特色,而且投資很少。
『這一突破意義重大,這是繼美國的GPS系統和俄羅斯的格羅納斯系統之後,全球第三個建成並投入使用的衛星導航定位系統。正如北斗衛星導航系統工程總設計師孫家棟院士所說,我們實現了從無到有,解決了衛星導航系統的有無問題。』謝軍說。
北斗一號雙星定位系統的突出特點是,構成系統的空間衛星數目少、用戶終端設備簡單、一切復雜性均集中於地面中心處理站,其主要功能包括:
定位——快速確定用戶所在地的地理位置,向用戶及主管部門提供導航信息。
通信——用戶與用戶、用戶與中心控制系統間均可實現雙向簡短數字報文通信,就如同使用手機發短信一樣,這是北斗一號系統獨有的一項功能。目前,這項功能特別得到漁政、水文監測和森林防火部門的青睞,在搶險救災中也發揮了巨大作用。事實上,普通百姓第一次聽說『北斗』,大多是在2008年汶川抗震救災期間。當時,在基礎設備損壞,通信中斷的情況下,救援部隊緊急配備了1000多臺『北斗一號』終端機,實現了各點位之間、點位與指揮部之間的直線聯絡,為抗震救災發揮了重要作用。
授時——中心控制系統定時播發授時信息,為定時用戶提供延時修正值。這也是一項非常重要的功能。在軍事領域,聯合攻擊之所以能夠精確打擊目標,是因為通過衛星定位和高精度授時對目標進行了多維鎖定。在民用領域,例如電力部門,電力傳輸設備運行時間如果不同步,輕則運行設備失控,重則造成整個地區電網癱瘓。
李長江告訴《瞭望》新聞周刊,目前,北斗一號系統已經得到成功運用。但北斗一號也有其缺陷:雙星定位,只能為終端用戶提供經度和緯度,無法提供高度數據;只能覆蓋中國及其周邊地區,不能覆蓋兩極地區,赤道附近定位精度差;無法在高速移動的平臺上使用,用戶無法保持無線電靜默,因而不能滿足高動態和保密的軍事用戶要求;用戶數量受一定限制。而且北斗一號衛星壽命為8年,其中北斗01星、北斗02星壽命即將到期,因此發射新一代北斗衛星勢在必行。
北斗昇級覆蓋全球
『第一代衛星導航系統在我國衛星導航系統建設中是一個起步階段,可以說是用很少的資金投入,打破了國外衛星導航領域的壟斷,填補了我國衛星導航領域的空白。但是由於本身原理上的限制,只能是一個區域衛星導航定位系統,無法發展成像GPS那樣的全球衛星系統。所以在第一代導航系統建設的同時,中國也同時開始了第二代衛星導航系統的建設論證。』李長江介紹道:『從1997年底開始起步,經過充分、周密的論證,2004年9月,第二代導航系統——北斗衛星導航系統建設被批准實施。』
『我們的策略是「解決急需,兼顧長遠;先區域,後全球」』。謝軍說,因此,第二代系統的建設分為幾步走:首先,完成一期工程,建成區域衛星導航系統。在我國重點地區提供基本的導航、定位、授時服務,滿足急需。同時為應用開發全球系統建設奠定基礎。
『這一階段,對於我們搞衛星系統的來說,就是要在2012年把區域系統的衛星全部發射上天,其中包括地球靜止軌道(GEO)衛星、傾斜同步軌道(IGSO)衛星、中圓軌道(MEO)衛星。到目前為止,我們已經發射了7顆北斗導航衛星。2011年將發射4顆,2012年發射5顆。按照規劃,當2011年4月第三顆傾斜同步軌道(IGSO)衛星發射後,北斗系統就已經可以形成區域導航定位能力。當2012年完成所有區域系統衛星發射後,一是我們的區域導航將更加穩固,可靠性穩健性將更強。衛星更多,自然可提供更快更准的服務。二是在全球軌道上部署了我們的導航衛星,佔有全球衛星導航頻率資源。』
對於這一點,謝軍解釋說:『首先,衛星上天需要軌道位置,就好比停車要有個停車位;其次,系統運行需要頻率資源。而這兩樣,現在都是資源緊張,爭奪激烈。比如說,導航衛星的頻率資源大部分被美國的GPS佔有,俄羅斯的格羅納斯也佔了一部分,中國和歐盟就只能見縫插針,因此北斗系統和伽利略系統計劃使用的頻率互有重疊。在這種情況下,誰先使用這個頻率誰就佔據了這個頻率資源。』
其次,在2015年前,完成全球系統建設的在軌飛行技術試驗工作,全面解決二期工程的關鍵技術。
之後,2020年前,完成二期工程,建成與國外先進衛星導航系統技術服務相當的全球衛星導航系統。到時,北斗系統的空間段將由30多顆不同軌道類型的衛星組成。據了解,目前二期工程的建設工作已經啟動。
對於北斗系統具有的特點和優勢,李長江分析說,在一期工程完成之後,第一,北斗導航系統可以提供導航定位服務,其精度可以達到重點地區水平10米,高程10米,其他大部分地區水平20米,高程20米;測速精度優於0.2米/秒。這和美國GPS的水平是差不多的。
第二,授時服務。授時精度可達到單向優於50納秒,雙向優於10納秒。
第三,短報文通信服務。這一功能能夠保證在我國及周邊地區具備每次120個漢字的短信息交換能力。『一代系統的用戶不少,用得也很好,我們不能建設了二代系統,一代就廢了。所以,我們要做到二代兼有一代的功能,也有短報文通信能力。』
第四,具備一定的保密、抗乾擾和抗摧毀能力;系統的導航定位用戶容量不再受到限制,並且保證用戶設備的體積小、質量輕、功耗低,滿足手持、機載、星載、彈載等各種載體需要。
在二期工程完成之後,北斗導航系統服務范圍將由我國及周邊地區向全球擴展,導航定位精度將提高,全球區域達到水平5米,高程8米。此外,系統安全性能將進一步提高,短報文通信性能也將得到進一步改善。
李長江說:『系統建成後,最重要的當然是應用了。在民用領域,我估計2012年完成區域系統的衛星發射後,到2013年,老百姓就可以開始使用北斗系統。目前,在建的北斗衛星導航系統除空間段衛星系統、地面運控系統外,用戶應用系統也在大力建設之中。我國已經把北斗系統用戶終端機的開發作為推廣應用的重要內容,不少國內廠商都在積極研制基於北斗系統的輕便、實用的用戶終端設備。』
孫家棟院士撰文指出,在與國外導航系統競爭的情況下,在較短時間內完成北斗在國家經濟安全領域的推廣應用和在大眾市場的迅速擴展,還面臨不少挑戰:
首先就是必須擁有核心自主知識產權的接收機芯片——自主知識產權的挑戰是不言而喻的。目前,在衛星導航芯片這一核心技術領域,我國的專利還寥寥無幾,而國外廠商僅基帶芯片已擁有2000多項專利。我們完全有理由擔懮,在不遠的將來,會不會出現又一個『有機無芯』的產業。解決這一問題,十分緊迫,需要創造更好的機制,鼓勵在基礎研究、產品開發等方面自主創新,掌握核心技術,保護自主知識產權,提高核心競爭力。
其次,必須提出有競爭力的應用解決方案和規模推廣策略——目前,GPS已佔據我國衛星導航應用絕大部分市場,在這種情況下,北斗系統產業化面臨巨大挑戰。我國擁有全球衛星導航應用的最大市場,緊緊抓住應用的基礎市場,充分發揮北斗服務特色,創造性地提出應用解決方案和規模化推廣策略,是北斗系統應用推廣和產業化的關鍵。
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