科技報報/北斗總設計師:精度已媲美GPS 功能更強

北斗導航衛星系統總設計師謝軍。

第二十三顆北斗導航衛星2016年6月12日發射成功。如今,北斗導航系統的服務覆蓋了全球1/3的陸地,使亞太地區40億人口受益,其精度也與GPS相當。北斗導航衛星系統總設計師謝軍在接受記者採訪時表示,北斗衛星導航系統有無盡的潛力,隨著北斗系統2020年具有全球服務能力,其在開發與應用中將發揮更大的效益。

根據廣州日報報導,『北斗是大陸的北斗,更是世界的北斗。』在某種程度上,可以說北斗系統是大陸在世界科技競爭中最具競爭力的代表。它同時也是『大陸造』的品牌代言人。

2020年服務全球

記者:北斗導航的原理是什麼?
謝軍:熟悉GPS的人都知道,衛星導航實際上是透過測量衛星和地面站之間的距離以及確定它們之間的時鐘關係,來明確衛星的位置資訊。在已知衛星的位置和時間資訊之後,地面用戶同時接收到四顆衛星的導航信號之後就可以解算出自己的位置,這就是衛星導航定位的原理。

記者:之前第八顆衛星發射成功後就可以導航定位,後來為何還要發射那麼多衛星?
謝軍:從導航衛星星座設計來講,主要考慮四個因素:覆蓋範圍、可用性、完好性、連續性。第八顆北斗導航衛星入軌後,從原理上來講,可實現全天24小時對區域範圍提供連續、穩定的服務能力。但為了提高整個星座的穩定性,需要增加一些衛星,這樣可使用戶在同一時間內接收到更多的衛星信號,能夠更方便地計算出來自己的位置。另外,增加衛星數量還能提高終端用戶導航定位的精度。

記者:導航系統的定位精度取決於哪些因素?
謝軍:定位精度是導航系統裡最重要的一項指標。定位精度與導航衛星、地面運控、用戶終端都有密切關係。從技術上來講,這幾部分都存在著測量誤差和時鐘誤差,而且還有星歷誤差,大氣層、電離層影響,這些都是影響定位精度的重要因素。如果這些誤差修正得好,用戶機的定位精度就高。當然,用戶機的工作環境可能存在干擾,這也會影響定位精度。還有就是衛星星座的幾何構型,構型好對提高定位精度也是很重要的。

記者:我們的北斗導航系統『三步走』戰略如今進展如何?
謝軍:北斗導航系統設計的整體思路是先區域、後全球。採取『三步走』的發展戰略。第一步,建立北斗衛星雙星定位試驗系統,形成區域有源定位與導航服務能力;第二步,完成三種軌道十餘顆衛星的發射,建成區域導航系統,形成區域無源服務能力,向亞太地區提供定位、導航、授時以及短報文通信服務;第三步,建成由5顆靜止軌道衛星和30顆非靜止軌道衛星組成的覆蓋全球的北斗全球衛星導航系統,形成全球無源定位服務能力。

2012年,北斗衛星區域導航系統迎來從第十一顆到第十五顆5星密集發射期,其中,第十二、第十三顆衛星以及第十四、第十五顆衛星均為一箭雙星發射。2012年10月25日,第十六顆北斗導航衛星成功發射,北斗衛星區域導航系統完成了所有衛星發射任務。至此,北斗衛星區域導航系統空間段由分布在不同軌道的14顆衛星組成星座,即5顆地球靜止軌道衛星、5顆傾斜地球同步軌道衛星和4顆中軌道衛星。大陸全面完成區域導航系統建設,形成覆蓋亞太大部分地區的服務能力。

目前,前兩步已實現,大陸成為世界上第四個擁有自主衛星導航定位系統的國家。大陸最新發射的兩顆北斗導航衛星與此前的北斗衛星相比有了重大突破,部件大陸國產化率提高到98%,其『心臟』『慧腦』『鐵骨』等關鍵器部件全部為大陸國產。到2020年,將完成35顆衛星發射組網,為全球用戶提供服務。

北斗導航精度與GPS相當

記者:你之前也談到,我們的北斗導航系統提供的既有源定位,也有無源定位,這是我們的一個特色?
謝軍:GPS現在所提供的服務叫無源定位。意思是,用戶可以不用發射任何信號,就可以免費接收衛星的信號,實現對自己位置的定位。北斗系統提供的是兩種服務,一種就是跟GPS相同的,在區域範圍內可以讓用戶免費的直接接收衛星信號,實現定位。另一種是有源定位,用戶可以把自己的位置報告給其他的網路或指揮控制中心,最終實現定位。

有源定位在調度系統以及指揮系統上應用是非常廣泛的,它能實現地面快速定位,相關應用產業的指揮調度將變得更加容易,打個比方,就跟公共汽車的調度室一樣,你的位置我們能馬上知道,過去你那裡多長時間也算得到。這種有源定位是北斗的特色,從衛星導航發展的趨勢上來講,也是我們應該堅持的。北斗導航系統的目標之一就是在2020年建成有源導航定位、短報文功能。這是目前GPS等沒有的功能。短報文功能,是衛星定位終端和北斗衛星或北斗地面服務站之間能夠直接透過衛星信號進行雙向的資訊傳遞,GPS只能單向傳遞。與第一代雙星系統相比,北斗衛星導航系統開始呈現出更多特點和優勢。

記者:我們的北斗導航系統衛星為何比GPS還多?
謝軍:相比美國GPS系統擁有的24顆衛星,北斗衛星導航系統要多出11顆衛星。因為它由空間段、地面段和用戶段三部分組成,空間段包括5顆靜止軌道衛星和 30顆非靜止軌道衛星。地面段包括主控站、注入站和監測站等若干個地面站,用戶段包括北斗用戶終端以及與其他衛星導航系統相容的終端。我們的衛星比GPS多,是因為兩個系統的星座設計不同。

北斗是大陸的也是世界的

記者:北斗導航和美國的GPS相比還有多大距離?
謝軍:衛星導航這個領域,美國確實是領先一步,它的GPS應該是在1994年就提供服務了,大陸在1994年正式啟動北斗導航系統建設時,差不多比GPS導航系統晚了20年。這對我們來說是一個巨大的壓力,也是動力。我們2000年才駛入一個快車道。2004年的時候,我們只有有源定位這一個通道,所以用戶數量很受限制。相對於GPS不受限制的用戶數量,跟他們是沒法比的,可能連他們的萬分之一都不到。2012年年底,我們基本上能覆蓋亞太大部分地區,實現了在大陸及周邊地區提供這個有源和無源服務,我們現在還處在一個快速發展時期。如今,在大陸或大陸周邊地區,我們跟GPS水準相當。

從應用的角度來講,應該說還不如GPS,但從精度上來講,已經和GPS相當。加上我們配套的地面增強系統,應該說現在精度是奈米級的,個別行業的一些企業已經做到了優於奈米級這樣的水準。當然,用戶願意用北斗就用北斗,願意用GPS就用GPS,我相信由於北斗的一些特色,最後北斗的用戶一定是會越來越多的。北斗是大陸的北斗,也是世界的北斗。

用北斗不擔心老人走丟

北斗導航系統與老百姓的生活密切相關。目前市場熱炒的『車聯網』、『可穿戴設備』、『物聯網』等概念都與北斗密不可分。以『可穿戴設備』為例,大陸國內已有公司推出基於北斗衛星定位系統,與物聯網、無線通信技術等相關的產品。終端為老人提供一鍵通話、一鍵緊急求助、語音提醒及血壓、心電等醫療資料無線採集等應用。老人帶上終端產品後,將連上智慧服務平台,家人可隨時瞭解老人的位置、身體狀況,並可以進行防護圈設置和語音提醒等,與醫護人員聯繫。

此外,北斗在自駕遊、探險遊等旅遊領域也有作為。對於登山愛好者來說,發生事故後,北斗定位服務可以保障其隨時獲得救援。

記者:現在美國有GPS,俄羅斯也有自己的衛星導航系統,歐洲也有自己的一套系統。有必要搞這麼多導航系統嗎?

謝軍:其實之前美國的專家也說過這個問題,他們說,世界上真的需要四大系統還是幾大系統嗎?每一個系統都需要20多顆衛星構成一個自己獨立的網,那麼四大系統將來肯定就是上百個導航衛星,有這種需求嗎?但後來我們發現,實際上各國有自己的一些特殊的要求,但最終受益的還是用戶,他就可以選北斗也可以選用GPS,非常便利,精度也會非常高。由於有了相容的基礎,用戶的選擇更多,提供的服務也更多。

記者:用我們自己的系統更加安全?
謝軍:我們知道,任何一個系統設計,就包括現在網路都有後門,你用別人的系統後門鑰匙在別人手裡掌握,我自己的系統我自己應該說是非常放心的。在2010年之前,我們有一些關鍵的元器件還是要依賴於國外的進口,比如像一些電腦的處理晶片,還有一些存儲器,大規模的積體電路。但之後,北斗衛星上的一些大的部件全部都是我們自己研發出來的,原子鐘也好,大功率放大器也好,還有一些精密的測量部件,全部都是我們國家的企業自己研發出來的。

記者:與GPS相比,北斗系統有哪些優勢?
謝軍:首先是相容交互操作。這將會給用戶帶來很多好處,因為用戶在同一時間內可以收到更多導航衛星的資訊,解算自己的位置、速度、時間就更加方便,同時精度也更高。北斗系統做到與其他系統相容後,你可以在北斗信號強的時候使用北斗,用GPS來幫助你修正,輔助提高導航服務精度。

早在幾年前,不少企業已開始嘗試製造能接收北斗、GPS和格洛納斯系統的接收機了。全球四大衛星導航系統達成相容交互操作協定之後,系統間的相容使用是完全沒有問題的。

其次,北斗導航系統的目標之一就是在2020年建成有源導航定位,短報文功能。這是目前格洛納斯、GPS等沒有的功能。

記者:北斗導航系統的應用前景如何?
謝軍:自2012年12月27日正式提供區域服務以來,北斗導航區域系統一直在連續、穩定、可靠運行,其服務覆蓋了全球1/3的陸地,使亞太地區40億人口受益,體現了大陸的責任和地位。

北斗工程的實施帶動了大陸衛星導航、測量、電子、元器件等技術的發展。在大陸的交通、通信、電力、測繪、防災救災等領域得到了廣泛應用,帶動了產業轉型升級。具體到普通人的生活中,它可以為大陸周邊地區提供連續穩定可靠的導航以及定位等服務,我們有很多系統、很多用戶,在交通運輸領域、大地測繪以及農業、漁業應急救災指揮調度方面具有獨特的功能。

打個比方,老百姓每個人家裡車都是標配車載導航儀,就是衛星導航系統的應用範例,同時現在有一些休閒旅遊的指示的手錶,還有一些指示器也是利用我們衛星導航系統實現的。將來我們還將建成服務全球的導航系統,可以說,北斗衛星導航系統有著堅強的實力和無盡的潛力。

北斗總設計師:精度已媲美GPS 功能更強