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高精度信號(hào)已公開發(fā)布,定位導(dǎo)航、授時(shí)、短報(bào)文“撐起”北斗應(yīng)用
時(shí)間:2020-06-09 09:15:57

北斗“啟航”

今年的全國(guó)兩會(huì)“委員通道”上,全國(guó)政協(xié)委員、中國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)工程總設(shè)計(jì)師楊長(zhǎng)風(fēng)介紹,北斗全球系統(tǒng)最后一顆組網(wǎng)衛(wèi)星計(jì)劃于6月?lián)駲C(jī)發(fā)射,屆時(shí)北斗全球星座部署將圓滿完成。

去年年底的國(guó)新辦發(fā)布會(huì)上,中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)管理辦公室主任、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)言人冉承其曾透露,北斗系統(tǒng)服務(wù)覆蓋200余個(gè)國(guó)家和地區(qū),用戶突破1億,日服務(wù)達(dá)2億次……

“未來(lái)北斗將無(wú)所不在,小到兒童的定位手表,大到航母……所有需要定位、導(dǎo)航、授時(shí)的場(chǎng)景,都會(huì)出現(xiàn)北斗。”南京航空航天大學(xué)航天學(xué)院微小衛(wèi)星中心教授康國(guó)華如是說(shuō)。

此外,據(jù)新華社消息,日前西安衛(wèi)星測(cè)控中心已經(jīng)完成29顆已入網(wǎng)工作的北斗三號(hào)衛(wèi)星星間鏈路測(cè)試工作,確保全球組網(wǎng)如期完成。

定位和導(dǎo)航

高精度信號(hào)已公開發(fā)布

提及北斗的功能,“定位導(dǎo)航”經(jīng)常并提。但二者的概念其實(shí)并不相同。

康國(guó)華告訴記者,定位是導(dǎo)航的基礎(chǔ),導(dǎo)航是定位的應(yīng)用;定位是“告訴你在哪”,導(dǎo)航是“告訴你如何從現(xiàn)在所處的位置,去你想要去的地方”。

中科院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院研究員陳宏宇則表示,“簡(jiǎn)單說(shuō),導(dǎo)航需要定位后,再結(jié)合地圖和算法來(lái)規(guī)劃到達(dá)目的地的路線。”

以定位為例,大型基建工程,例如高鐵、大橋、機(jī)場(chǎng)的建設(shè),以及后期的變形監(jiān)測(cè)等,都需要衛(wèi)星定位。

例如,橋梁建成后,由于行車荷載、風(fēng)力、溫度、自然災(zāi)害等外界因素,以及混凝土收縮徐變、老化碳化、鋼筋松弛銹蝕、墩臺(tái)基礎(chǔ)沉降等內(nèi)在因素的影響,不可避免地將產(chǎn)生幾何變化、內(nèi)力變化和索力變化等各種效應(yīng)。如果這些變化過(guò)大,超過(guò)了橋梁能夠承受的安全范圍,將會(huì)產(chǎn)生災(zāi)難性的后果。為了確保橋梁運(yùn)營(yíng)安全,必須對(duì)橋梁的變形狀況長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),可以實(shí)現(xiàn)這種長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。一旦變形量指標(biāo)超標(biāo),可馬上發(fā)出警報(bào)。

精度能夠達(dá)到多少?根據(jù)中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)管理辦公室去年12月公開發(fā)布的《北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展報(bào)告(4.0版)》,在全球范圍內(nèi),北斗的定位精度達(dá)到水平10米、高程10米;測(cè)速精度為0.2米每秒。亞太地區(qū),定位精度水平5米、高程5米(以上均為95%置信度)。實(shí)測(cè)結(jié)果表明,北斗系統(tǒng)服務(wù)能力全面達(dá)到并優(yōu)于上述指標(biāo)。

這還不是北斗的最高精度。不同應(yīng)用場(chǎng)景結(jié)合星基增強(qiáng)服務(wù)、精密單點(diǎn)定位服務(wù)等,北斗的精度將會(huì)更高:冉承其在去年年底的國(guó)新辦發(fā)布會(huì)上就表示,精密單點(diǎn)定位服務(wù),將為中國(guó)及周邊地區(qū)提供動(dòng)態(tài)分米級(jí),靜態(tài)厘米級(jí)的高精度定位服務(wù),滿足國(guó)土測(cè)繪、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、自動(dòng)駕駛等領(lǐng)域用戶高精度服務(wù)需求。

此外,冉承其還曾表示,北斗在地基增強(qiáng)服務(wù)方面,結(jié)合交通、測(cè)繪、地震、氣象、國(guó)土等行業(yè)監(jiān)測(cè)站網(wǎng)資源,已建成2000多個(gè)基準(zhǔn)站,提供實(shí)時(shí)米級(jí)、分米級(jí)、厘米級(jí)等增強(qiáng)定位精度服務(wù);已經(jīng)在國(guó)土測(cè)繪、形變監(jiān)測(cè)、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、車道級(jí)導(dǎo)航等應(yīng)用領(lǐng)域開始規(guī)模化應(yīng)用。“大家想想,厘米級(jí)和毫米級(jí)的高精度服務(wù),會(huì)帶來(lái)定位應(yīng)用方面多大的變化,比如說(shuō)車道級(jí)導(dǎo)航,甚至樓房的形變監(jiān)測(cè)等方面都會(huì)有很好的應(yīng)用。”

授時(shí)

從電網(wǎng)到股市,北斗能提供“納秒級(jí)時(shí)鐘”

北斗的定位、導(dǎo)航功能,我們?cè)谏钪心軌蛑苯咏佑|。但北斗遠(yuǎn)不止于此。例如,北斗的“授時(shí)”功能就是非常重要的“幕后英雄”。

“授時(shí),就是給出準(zhǔn)確的時(shí)間,對(duì)一些儀器設(shè)備來(lái)說(shuō)就是進(jìn)行時(shí)間的校準(zhǔn)。”康國(guó)華說(shuō)。

北斗如何提供授時(shí)?清華大學(xué)電機(jī)工程與應(yīng)用電子技術(shù)系教授謝小榮介紹,北斗衛(wèi)星上一般搭載3到4臺(tái)高精度(約0.3納秒級(jí))原子鐘作為基準(zhǔn)時(shí)間源。衛(wèi)星播發(fā)的電文中含有軌道坐標(biāo)和衛(wèi)星時(shí)間,結(jié)合接收機(jī)的空間坐標(biāo),通過(guò)求解方程組,就能夠?qū)崿F(xiàn)授時(shí)功能。“北斗的授時(shí)精度可達(dá)到10納秒級(jí),這一精度與GPS相當(dāng)。”謝小榮說(shuō)。

康國(guó)華介紹,時(shí)間基準(zhǔn)是一個(gè)國(guó)家安全的保障,如高鐵、電網(wǎng)、股市、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信、跨海大橋和海底隧道建設(shè)等等,都需要時(shí)間同步。“可以說(shuō),現(xiàn)代社會(huì)離開統(tǒng)一時(shí)間基準(zhǔn)是不可想象的。”康國(guó)華說(shuō)。

時(shí)間基準(zhǔn)有多重要?以電網(wǎng)為例,謝小榮給記者舉例:一條100公里的500千伏輸電線路,如果兩端電壓相量測(cè)量的時(shí)間基準(zhǔn)差0.1毫秒,就可能產(chǎn)生27萬(wàn)千瓦的功率差異,相當(dāng)于30多萬(wàn)戶城鎮(zhèn)三口之家的平均用電;電力系統(tǒng)故障分析時(shí),要求變電站時(shí)間同步精度優(yōu)于1微秒,否則可能導(dǎo)致錯(cuò)誤的故障原因分析結(jié)果。

謝小榮表示,據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),目前已有上千套變電站時(shí)間同步裝置接收北斗授時(shí)信號(hào);超過(guò)20%的電力通信頻率網(wǎng)接收北斗授頻信號(hào);相關(guān)產(chǎn)業(yè)估計(jì)達(dá)到數(shù)百上千億元規(guī)模,并處于快速發(fā)展中。

短報(bào)文

北斗特色,用導(dǎo)航衛(wèi)星“發(fā)短信”

“短報(bào)文”服務(wù)是國(guó)外其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)均不具備的,堪稱北斗特色。

簡(jiǎn)單地說(shuō),GPS等系統(tǒng)對(duì)于用戶來(lái)說(shuō),只能接收衛(wèi)星發(fā)出的信號(hào),但無(wú)法向衛(wèi)星發(fā)信息。而北斗的短報(bào)文功能可以實(shí)現(xiàn)雙向通信,以類似于手機(jī)短信的形式,只要在服務(wù)范圍,就能夠?qū)?ldquo;短信”發(fā)到衛(wèi)星上。

“最初的北斗一號(hào)僅對(duì)短報(bào)文系統(tǒng)進(jìn)行了驗(yàn)證,二號(hào)、三號(hào)則分別實(shí)現(xiàn)區(qū)域和全球短報(bào)文服務(wù)。”陳宏宇表示。顧名思義,所謂區(qū)域短報(bào)文,就是服務(wù)中國(guó)及周邊地區(qū)(東經(jīng)75°至135°,北緯10°至55°),而全球短報(bào)文服務(wù)則是向全球提供服務(wù)。

在手機(jī)短信都使用越來(lái)越少的今天,為什么北斗的短報(bào)文功能被如此看重?

顯然,短報(bào)文服務(wù)并不是面向城市普通用戶“上網(wǎng)聊天”的。它主要面向普通移動(dòng)通信信號(hào)不能覆蓋的地區(qū)(如無(wú)人區(qū),荒漠,海洋,極地等)或通信基站遭受破壞的情況(如地震,洪水,臺(tái)風(fēng)等)。

在這些情況下,裝有北斗短報(bào)文模塊的北斗終端,就可以通過(guò)短報(bào)文進(jìn)行緊急通訊,不僅能讓用戶知道自己“在哪兒”,也能告訴別人“發(fā)生了什么”。

漁業(yè)是北斗短報(bào)文應(yīng)用的重要領(lǐng)域。在沒(méi)有移動(dòng)通信信號(hào)的海域,使用北斗系統(tǒng)短報(bào)文功能,漁民能夠通過(guò)北斗終端向家人報(bào)平安,有力保障了漁民生命安全、國(guó)家海洋經(jīng)濟(jì)安全、海洋資源保護(hù)和海上主權(quán)維護(hù)。2019年的中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航年會(huì)上,冉承其提到,全國(guó)7萬(wàn)余艘漁船和執(zhí)法船安裝北斗終端,累計(jì)救助1萬(wàn)余人。

另外,林業(yè)巡防、災(zāi)情通信,乃至電力等需要信息回傳的領(lǐng)域,都是短報(bào)文應(yīng)用的場(chǎng)景。

值得一提的是,在北斗二號(hào)時(shí)期,已經(jīng)有相當(dāng)成熟的民用短報(bào)文產(chǎn)品出現(xiàn)。據(jù)記者了解,目前市面上,幾千元即可購(gòu)入短報(bào)文終端,每條短報(bào)文信息服務(wù)費(fèi)幾角錢左右,更有“包年包月”等套餐。相對(duì)于昂貴的衛(wèi)星電話,短報(bào)文服務(wù)費(fèi)用較低,在“驢友”群體中,短報(bào)文相關(guān)產(chǎn)品有普及的趨勢(shì)。

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