自研才能自強(qiáng)！北斗三號(hào)前景解讀

薛山

無(wú)論軍用民用，我們都必須要有屬于自己的定位系統(tǒng)

北斗三號(hào)系統(tǒng)導(dǎo)航星座示意圖

衛(wèi)星定位系統(tǒng)本質(zhì)上都是納秒級(jí)別的授時(shí)系統(tǒng)，知道衛(wèi)星信號(hào)之間的時(shí)間差之后就能獲知經(jīng)緯度和深度信息，大家最熟悉的衛(wèi)星定位系統(tǒng)應(yīng)該就是GPS，GPS系統(tǒng)隸屬于美國(guó)，1978年發(fā)射第一顆，1993年完成全球組網(wǎng)，總計(jì)有30顆衛(wèi)星在運(yùn)行，按定位精度可細(xì)分為P碼（軍用）和C/A碼（民用）。由于GPS采用的是單向通信體制，只發(fā)射信號(hào)而不接收信號(hào)，所以GPS并不知道哪些終端在使用它的信號(hào)，因此它并不具備收費(fèi)的前提，所以大家都可以免費(fèi)使用它，但它可以做的是調(diào)整精度甚至切斷部分區(qū)域的信號(hào)發(fā)射，試想如果沒(méi)有定位系統(tǒng)，手機(jī)不再能導(dǎo)航，電網(wǎng)工作穩(wěn)定性變差，股票交易所無(wú)法精確同步，包括大氣、地球磁場(chǎng)、板塊運(yùn)動(dòng)、洋流、冰川等自然研究全都無(wú)法展開(kāi)，民航飛機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航和起降輔助都失去功能，基建工程測(cè)量與校正效率大幅降低……軍用就更不用多說(shuō)，幾乎所有現(xiàn)代武器都需要導(dǎo)航系統(tǒng)輔助，可精確繪制敵我雙方位置圖并實(shí)現(xiàn)少量彈藥的精準(zhǔn)打擊，試想這些技術(shù)的實(shí)現(xiàn)前提掌握在他人之手會(huì)帶來(lái)什么后果？1999年的印巴卡吉爾戰(zhàn)爭(zhēng)，為終止雙方?jīng)_突，美國(guó)就切斷了印度的GPS服務(wù)，此舉完全限制了印軍的進(jìn)一步行動(dòng)，所以后來(lái)印度才放棄了GPS，自己做了一套只能覆蓋南亞地區(qū)的IRNSS系統(tǒng)，這正是軍事上被第三方定位卡脖子的典型案例。

在俄羅斯GLONASS系統(tǒng)工作之前，GPS的民碼被人為加入了干擾技術(shù)，精度僅僅為百米級(jí)別，后來(lái)為了競(jìng)爭(zhēng)才解除了干擾限制，提高到了現(xiàn)有的米級(jí)，才讓現(xiàn)代化的民用導(dǎo)航系統(tǒng)成為現(xiàn)實(shí)。從各種先例來(lái)看，衛(wèi)星定位系統(tǒng)都不可依賴于第三方，必須要有完全屬于自己的一套！這就是北斗的初衷。

北斗其實(shí)一直在默默服務(wù)，5G時(shí)代或擔(dān)當(dāng)重任

高通、海思、聯(lián)發(fā)科、三星等主流基帶廠商都已支持北斗導(dǎo)航

很多人可能會(huì)問(wèn)，那么北斗究竟民用落地到什么程度了呢？事實(shí)上，我們正在用的手機(jī)，尤其是國(guó)產(chǎn)安卓手機(jī)早在2014年就采用了多模導(dǎo)航系統(tǒng)，支持北斗、GPS甚至GLONASS，下一代的iPhone有可能會(huì)采用高通基帶方案，所以理論上也會(huì)支持北斗導(dǎo)航。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)手機(jī)導(dǎo)航APP會(huì)自動(dòng)按信號(hào)優(yōu)劣來(lái)選擇使用哪套方案，因此我們其實(shí)早就用上了北斗導(dǎo)航系統(tǒng)。根據(jù)《2020中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航與位置服務(wù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展白皮書》顯示，截至 2019 年底，國(guó)產(chǎn)北斗兼容型芯片及模塊銷量已突破 1 億片，國(guó)內(nèi)衛(wèi)星導(dǎo)航定位終端產(chǎn)品總銷量突破 4.6 億臺(tái)，其中具有衛(wèi)星導(dǎo)航定位功能的智能手機(jī)銷售量達(dá)到 3.72 億臺(tái)。

而2020年可以說(shuō)是5G開(kāi)始發(fā)力的第一年，而對(duì)于10米精度的北斗定位來(lái)說(shuō)，通過(guò)與基站的載波相位差分定位，可以實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)的定位精度，這意味著有高密度特性的5G基站更適用于配合北斗接收機(jī)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高覆蓋率的高精度定位，讓自動(dòng)無(wú)人機(jī)、機(jī)器人巡檢、車聯(lián)網(wǎng)、物流管理等變得更加準(zhǔn)確并形成技術(shù)鏈、產(chǎn)業(yè)鏈和價(jià)值鏈的良性循環(huán)，簡(jiǎn)單而言，5G時(shí)代更利于北斗的進(jìn)一步演化，使其成為應(yīng)用面更廣泛的基建基礎(chǔ)。

北斗一號(hào)始于2000年，北斗三號(hào)目標(biāo)覆蓋全球

北斗二號(hào)的覆蓋范圍示意圖

衛(wèi)星定位的基本原理是衛(wèi)星與地球位置發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，頻率偏移而產(chǎn)生的多普勒頻移效應(yīng)，通過(guò)多個(gè)衛(wèi)星的發(fā)射信號(hào)頻差就能推算出地面位置，那么最重要的問(wèn)題就是，這些衛(wèi)星放在哪個(gè)高度更合適？原則上來(lái)說(shuō)，低軌道的單顆衛(wèi)星發(fā)射成本低且精度高，但對(duì)衛(wèi)星的總數(shù)量要求很高，超200顆，規(guī)模過(guò)于浩大，而高軌道雖然覆蓋面廣，理論上3顆就能滿足，但因?yàn)楦哕壍朗窍鄬?duì)位置靜止的地球同步軌道，發(fā)射難度大、相對(duì)速度小所以定位精度低，所以24～32顆就足夠的中軌道是定位衛(wèi)星的基本思路，以獲取運(yùn)行成本和性能的均衡。

而在2000年10月31日首次發(fā)射的北斗導(dǎo)航試驗(yàn)衛(wèi)星，采用的是高軌道（地球同步軌道）方案，到2007年2月3日總計(jì)發(fā)射了4顆，組建為北斗一號(hào)系統(tǒng)，它能實(shí)現(xiàn)基本的定位，且因?yàn)樘幱陟o止軌道所以能夠?qū)崿F(xiàn)通信衛(wèi)星的通信功能，所以北斗一號(hào)是定位/通信二合一。不過(guò)平心而論，它的定位和通信功能相對(duì)當(dāng)時(shí)的國(guó)際水平來(lái)說(shuō)還是比較低，最大的意義是實(shí)現(xiàn)了從無(wú)到有。

2007年4月14日首發(fā)，2012年組網(wǎng)成功的北斗二號(hào)采用了5顆地球靜止軌道衛(wèi)星（35786公里高軌道），4顆中圓地球軌道衛(wèi)星（21500公里中軌道）和5顆傾斜地球軌道衛(wèi)星（35786公里高軌道）的組合，現(xiàn)能實(shí)現(xiàn)東經(jīng)約55°～180°，北緯55°～南緯55°的覆蓋，也就是區(qū)域服務(wù)型定位系統(tǒng)。

而2015年開(kāi)始首發(fā)，剛剛完成組網(wǎng)的北斗三號(hào)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是全球覆蓋，民用定位服務(wù)的精度在10米以內(nèi)，結(jié)合遍布全國(guó)的2600個(gè)地基增強(qiáng)站，可提供最高厘米級(jí)的精度。北斗三號(hào)由3顆地球靜止軌道衛(wèi)星、24顆中圓地球軌道衛(wèi)星和3顆傾斜地球軌道衛(wèi)星組成，亞太大部分地區(qū)，每時(shí)可見(jiàn)12～16顆衛(wèi)星，全球其他地區(qū)每時(shí)可見(jiàn)4～6顆衛(wèi)星，衛(wèi)星可見(jiàn)性和幾何構(gòu)型較好。也是全球唯一的由三種軌道衛(wèi)星構(gòu)成的復(fù)合系統(tǒng)，穩(wěn)定性和可靠性都很高，并且具備單次40個(gè)漢字的短報(bào)文通信功能，也就是通過(guò)北斗衛(wèi)星來(lái)傳遞信息，這對(duì)于無(wú)法使用光纖或GSM基站信號(hào)的遠(yuǎn)洋漁業(yè)或重大自然災(zāi)害搜救工作來(lái)說(shuō)具備很大的實(shí)用性，哪怕是相對(duì)簡(jiǎn)單的北斗一號(hào)，在汶川地震時(shí)也起到了為前線人員提供定位和短信通信的重要作用，而目前全國(guó)已有7萬(wàn)余艘漁船和執(zhí)法船安裝了北斗終端，累計(jì)海事救援人數(shù)超10000人。

考慮到授時(shí)系統(tǒng)的性能核心就是時(shí)間準(zhǔn)確性，而時(shí)間準(zhǔn)確性取決于采用哪種原子鐘材料，北斗三號(hào)衛(wèi)星系統(tǒng)里有E-14量級(jí)天穩(wěn)定度的銣原子鐘和E-15量級(jí)天穩(wěn)定度的氫原子鐘，300萬(wàn)年才會(huì)誤差1秒，精度很高。

編輯總結(jié)

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，北斗系統(tǒng)的研發(fā)基礎(chǔ)是軍事上的國(guó)家安全，北斗三號(hào)的組網(wǎng)意味著我們?cè)谌蚍秶鷥?nèi)都建立了屬于自己的定位網(wǎng)絡(luò)。而且全球衛(wèi)星導(dǎo)航有著萬(wàn)億美元規(guī)模的市場(chǎng)，北斗提供全球服務(wù)就意味著我們也可以在這個(gè)市場(chǎng)里分一杯羹，隨著“一帶一路”沿線的縱深發(fā)展，未來(lái)北斗系統(tǒng)帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)收益只會(huì)越來(lái)越多。在民用端，更高精度的定位系統(tǒng)結(jié)合5G時(shí)代，也會(huì)激發(fā)自動(dòng)駕駛、機(jī)器人物流等新興領(lǐng)域的進(jìn)化，所以無(wú)論從哪個(gè)角度來(lái)看，發(fā)展自己的衛(wèi)星定位系統(tǒng)都可以說(shuō)是新基建的重要一環(huán)，大家都應(yīng)該清楚地認(rèn)識(shí)到這一點(diǎn)。