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中國北鬥:創新超車
2020-12-08 09:37:41 來源: 瞭望
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  ➤破解星載原子鐘、導航芯片、星間鏈路等“不可能”,歷經160余項核心關鍵技術和世界級難題的攻克、500余種核心器部件國産化研制的突破,中國北鬥閃耀著三種軌道混合星座、短報文通信等獨有的中國智慧火花

  ➤北鬥衛星導航係統,是我國迄今為止規模最大、覆蓋范圍最廣、性能要求最高、與百姓生活關聯最緊密的巨型復雜航天係統

  ➤到2035年左右,將建成以北鬥係統為核心,更加泛在、更加融合、更加智能的國家綜合定位導航授時體係

  ➤中國完全依靠自己的力量建設北鬥係統,建成之後主動向世界開放

北鬥組網模擬圖 中國衛星導航係統管理辦公室供圖

  2020年7月31日,北鬥三號全球衛星導航係統建成暨開通儀式在人民大會堂隆重舉行。這意味著,中國自主建設、獨立運行的全球衛星導航係統已全面建成開通,中國北鬥邁進了高質量服務全球、造福人類的新時代。

  從創造性地提出“雙星定位”構想、繪下“三步走”發展藍圖,到在衛星導航頻段即將逾期的最後時刻完成首次衛星發射、拿到進軍全球衛星導航係統俱樂部的“入場券”,再到兩年多時間18箭30星的高密度發射、完成全球組網,創造世界衛星導航係統組網發射新紀錄……26年間,幾代北鬥人接續奮鬥、數十萬建設者聚力托舉,一次次刷新了科技強國的“中國速度”,展現了自主創新的“中國精度”,彰顯了開放包容的“中國氣度”。

  北鬥全球服務信號在無形時空傳播開來。寰宇蒼穹、星羅棋布,世界民眾的指端和人生旅程,真正有了“中國北鬥”的導引和陪伴。

  為建設全球衛星導航係統提供全新范式

  起步晚、底子薄,中國要獨立建成世界一流衛星導航係統,曾被西方國家認為是不可能完成的任務。

  上世紀90年代,美國GPS、俄羅斯格洛納斯已完成全球組網,牢牢佔據先發優勢,實現“一步建全球”。此時,國際局勢復雜多變,讓我國愈發強烈地意識到,擁有自己的衛星導航係統對于維護國家安全、促進經濟社會發展是多麼重要。

  在建設之初,有人曾問:美國GPS、俄羅斯格洛納斯建設已打好樣板,北鬥係統模倣復制,豈不簡單?但這顯然不是一個開卷命題,當時的國情,要求中國只能不走尋常路。

  中國北鬥人探索了符合中國國情的“三步走”戰略,走出了一條從無到有、從有到優、從有源到無源、從區域到全球的中國特色發展道路,也為世界衛星導航事業貢獻了新的發展路徑。

  1983年,“兩彈一星”元勳、“863計劃”倡導者之一陳芳允院士,創造性地提出“雙星定位”構想。這一方案,能以最小星座、最少投入、最短周期實現“從無到有”。

  之後,“兩彈一星”元勳、北鬥係統工程首任總設計師孫家棟院士,進一步組織研究提出“三步走”發展戰略,決定先建試驗係統、然後再建區域係統,最後建成全球係統。

  2000年建成北鬥一號試驗係統,使我國成為世界第三個擁有自主衛星導航係統的國家。2012年建成北鬥二號區域係統,為亞太地區提供服務。2020年建成北鬥三號全球係統,開通全球服務。

  北鬥係統用20多年走完其他全球衛星導航係統40多年的發展之路,成為繼美國GPS、俄羅斯格洛納斯之後,第三個建成的全球衛星導航係統,處于世界先進水平。

  與其他全球衛星導航係統採取單一軌道星座相比,北鬥係統獨樹一幟,選擇走混合星座的特色發展之路。北鬥二號係統充分繼承北鬥一號係統用地球靜止軌道衛星實現區域導航定位的成功經驗,在國際上首創以地球靜止軌道和傾斜地球同步軌道衛星為骨幹,兼有中圓軌道衛星的混合星座。北鬥係統高級顧問、原工程副總設計師李祖洪説,對于區域衛星導航係統而言,這種“混搭”組合可以用最少衛星數量實現最好覆蓋效果,已獲得國際認可。

  北鬥三號係統繼承並發展了“混合星座”,創造性實現並應用全星座“星間鏈路”等全新理念,建成由24顆中圓軌道衛星、3顆地球靜止軌道衛星、3顆傾斜地球同步軌道衛星組成的全球衛星導航係統,為全球衛星導航係統建設提供了全新范式。

  強大的核心競爭力在于自主創新

  關鍵核心技術是花錢買不來的,自主創新的過程注定是艱苦的。在20多年的建設過程中,面對沒有自己的原子鐘和導航芯片、全球建站困難等條件下實現全球服務等難題,北鬥人走出了一條自主創新、追求極致的發展道路。

  北鬥一號係統解決了導航衛星最基本的問題,如供配電的太陽帆板等,實現核心産品的國産化。

  北鬥二號係統率先提出國際上首個高中軌道混合星座新體制,攻克了以高精度星載原子鐘等為代表的多項關鍵技術。

  北鬥三號係統攻克了具有自主知識産權的星間鏈路、自主定軌等關鍵技術,建立了國産器部件從研制、驗證到應用的工作體係,實現了北鬥導航衛星單機和關鍵元器件國産化率100%。

  可以説,北鬥係統的核心競爭力正是在于其強大的自主創新體係能力和舉國體制優勢,並在創新中發展、在發展中提升。

  ——攻克無“鐘”之困。

  星載原子鐘是導航衛星的“心臟”,其性能對係統定位和授時精度具有決定性作用。

  北鬥二號係統建設之初,國內星載原子鐘技術比較薄弱,全世界只有少數國家有能力研制高性能星載原子鐘,而進口又存在諸多困難和不確定性。為盡早“讓中國的北鬥用上最好的鐘”,工程總體組織相關科研單位和企業,成立三支研發隊伍同步進行攻堅,終于三支隊伍全都取得成功,自主研發的星載原子鐘達到國際先進水平。

  北鬥二號係統首發衛星上便搭載全國産化星載原子鐘,並實現“雙鐘”相互備份,衛星可靠性和在軌壽命大幅提升。

  ——消除缺“芯”之憂。

  缺少“中國芯”,一直是困擾我國高科技領域的一塊“心病”。對于北鬥係統應用和産業化來説,擁有國産芯片,對于確保應用安全和獲得産業發展主動權至關重要。

  中國衛星導航係統管理辦公室通過揭榜挂帥,組織國內40余家單位,創新管理模式,打破中標項目終身制,通過實物比測、産業化考核,形成“研發一代、論證一代、應用一代”的良性發展局面,成功研發了體積更小、功耗更低、精度更高的射頻係帶一體化導航定位芯片,北鬥擁有了自己的“中國芯”。

  如今,國産北鬥芯片工藝達到世界先進水平,性價比與世界主流産品相當,國産北鬥導航型芯片出貨量已超1億規模,年出貨量接近5000萬片,已在物聯網和消費電子領域廣泛應用。

  ——破解布“站”之難。

  按照傳統全球衛星導航係統的建設和運行模式,需要在全球范圍內建立分布均勻的地面站。為解決北鬥係統海外建站的難題,北鬥係統首創星間鏈路,創造性地提出高效解決方案。

  通過星間鏈路,所有在軌北鬥衛星連成一張大網,相互間可以通信、測距,能自動“保持隊形”,不僅減小地面站規模、減輕地面管理維護壓力,而且還使衛星定位精度大幅提高。憑借這一“絕活”,中國北鬥實現了全球服務能力,性能達到世界一流。

  據了解,2035年前,我國還將建成更加泛在、更加融合、更加智能的國家綜合定位導航授時體係,構建覆蓋天空地海、基準統一、高精度、高安全、高智能、高彈性、高效益的時空信息服務基礎設施,為未來智能化、無人化發展提供核心支撐。

孫家棟院士在西昌衛星發射中心(2010年12月15日攝) 李明放攝

  “北鬥+”讓生活更便利

  全球定位精度優于10米、授時精度優于20納秒;亞太區域優于5米、授時精度優于10納秒……與其他衛星導航係統相比,北鬥係統除了可提供全球定位導航授時服務外,還可提供全球短報文通信、區域短報文通信、星基增強、國際搜救、精密單點定位、地基增強七種服務,能更好地滿足用戶的多元化需求。

  如今,北鬥三號係統成為國際上第一個多功能一體化的全球衛星導航係統。這種多功能集成化設計,有利于取得差異化的競爭優勢。

  從功能看,北鬥係統具有有源和無源兩種體制,用戶不但可以自己知道“我在哪”,還能告訴別人“我在哪”“在幹什麼”。

  北鬥衛星導航係統工程總設計師楊長風介紹:“例如,突發地震、海上遇險時,在其他通信手段失效的情況下,北鬥短報文通信可以成為傳遞求救信息、拯救生命的最後保險。”

  目前,北鬥三號係統區域短報文單次長度達1000個漢字,相比于北鬥二號係統,通信能力大幅提升。

  “天上好用、地上用好”,作為國家重大空間基礎設施,北鬥係統已應用到各行各業,如同水和電一樣,走進千家萬戶,無處不在、觸手可及。

  北鬥係統已全面服務交通運輸、公共安全、救災減災、農林牧漁、城市治理等行業,融入電力、金融、通信等基礎設施,廣泛進入大眾消費、共享經濟和民生領域,深刻改變著人們的生産生活方式,産生顯著的經濟和社會效益。據統計,10年來,我國衛星導航與位置服務産業總體産值年均增長20%以上,2019年達3450億元,2020年有望超過4000億元。

  交通運輸是北鬥應用的主要領域之一。目前,國內已有約700萬輛運營車輛加裝北鬥終端,建成全球最大營運車輛動態監管係統。北鬥正向鐵路運輸、內河航運、遠洋航海、航空運輸及交通基礎設施建設管理縱深推進,提升我國綜合交通管理效率和運輸安全水平。北鬥係統的規模化應用使得近年來中國道路運輸重特大事故發生率和死亡率均下降約50個百分點。

  目前,我國已構建起集芯片、板卡、終端和運營服務為一體的完整北鬥産業鏈,在國家關鍵行業和重點領域推進標配化使用,在大眾消費領域拓展規模化應用。據統計,在中國入網的智能手機,已有80%以上支持北鬥功能。

  今年,在新冠肺炎疫情阻擊戰中,北鬥高精度定位設備馳援武漢火神山、雷神山醫院建設,確保工地大部分放線測量一次完成,為醫院迅速施工爭取了寶貴時間;北京、湖北的北鬥植保無人機被廣泛用于區域消毒防疫,一架無人機單次噴灑面積可覆蓋5000平方米,並能深入防疫車無法抵達的死角;在全國各地,數十萬臺北鬥終端進入物流行業;“北鬥+”信息産品可對感染者的行動軌跡進行精確定位,為疫情防控提供關鍵數據支撐。

孟麗靜圖/本刊

  與世界分享“中國北鬥”

  北鬥始終堅持“中國的北鬥、世界的北鬥、一流的北鬥”的發展理念,中國願同世界各國共享北鬥係統建設發展成果,共促全球衛星導航事業蓬勃發展。

  2020年6月,北鬥三號係統星座部署完成後,聯合國外空司專門發來視頻,祝賀北鬥係統完成全球組網部署,肯定北鬥係統正在推動全球經濟社會發展,讚賞北鬥係統在和平利用外太空、參與聯合國空間活動國際合作方面作出的巨大貢獻。

  隨著北鬥三號係統正式開通服務,從國內到國外,從區域到全球,北鬥服務為更多國家和人民所共享。

  2013年,緬甸農業使用了500余臺高精度北鬥終端,這是北鬥高精度産品首次在東南亞國家批量應用于農業數據採集、土地精細管理。

  2015年,基于北鬥係統的高精度接收機應用于科威特國家銀行總部300米高摩天大樓建設,實現了施工過程中垂直方向毫米級測量誤差。這是北鬥首次在海外應用于高層建築監測。

  2018年,北鬥係統走進新加坡,基于北鬥高精度的靜音打樁係統可進行樁點精準管理,根據導航提示快速找到鑽點位置,每個打樁點精度可達厘米級,同時大幅提高鑽機鑽孔速度。

  2019年,北鬥係統走進柬埔寨,為柬埔寨政府部門綜合規劃、國土整治監控、基礎設施建設、生態環境監控等提供了更加完整的基礎信息資料,高精度服務成為政府基礎設施建設不可或缺的一項重要技術手段。

  北鬥係統走進老撾,為全國性土地確權工程放樣、地形測圖等各種控制測量提供新的方法手段,逐步替代了傳統全站儀作業的方式,為老撾地籍調查、土地管理以及相關法律法規的制定提供了原始依據和科學基礎。

  北鬥係統走進俄羅斯,西伯利亞電力巡線實現現場人員與管理中心雙向互動,及時發現設備缺陷和危及線路安全的隱患,保證輸配電線路安全和電力係統穩定。

  北鬥係統“駛入”歐洲,在中歐班列上,裝有北鬥終端的集裝箱,高精度定位導航功能讓物流更便捷,實現了傳統運輸方式的升級與轉型。北鬥實時記錄列車及貨品的運行軌跡,定位精度10米以內,實現全程跟蹤無縫中轉。

  2020年以來,北鬥落地更多海外國家。北鬥安全監測係統落地緬甸萊比塘銅礦,高精度定位守護礦區安全;基于北鬥的港口智能控制係統已經在意大利、卡塔爾、印度等20個國家的50余個港口成功應用。

  目前,國産北鬥基礎産品已出口120余個國家和地區,在東盟、南亞、東歐、西亞、非洲等地得到成功應用。

  “北鬥應用只受想象力限制。”面向未來,北鬥應用發展將有無限可能和廣闊前景。(記者 袁元)

  北鬥衛星導航係統

  北鬥衛星導航係統是我國著眼于國家安全和經濟社會發展需要,自主建設運行的全球衛星導航係統,是為全球用戶提供全天候、全天時、高精度的定位、導航和授時服務的國家重要時空基礎設施,充分展現了我國的長遠戰略布局和科研人員的創新精神。北鬥係統已在許多領域得到廣泛應用,服務國家重要基礎設施,産生了顯著的經濟效益和社會效益。北鬥係統將持續推進産業化發展,服務國家現代化建設和百姓日常生活,為全球科技、經濟和社會發展作出貢獻。

【糾錯】 責任編輯: 吳咏玲
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