北斗系统总师杨长风:中国北斗综合定位导航授时体系发展构想

2018.05.30 , 浏览次数: 227

       5月26日,由中国科协和浙江省人民政府共同主办的第二十届中国科协年会在杭州国际博览中心召开,主题为“改革开放 创新引领”。中国宇航学会副理事长、中国北斗卫星导航系统总设计师杨长风在年会上做报告。全文如下:

       尊敬的怀进鹏书记,各位领导、各位专家,非常感谢这次年会的组委会给我提供这样的机会介绍我们北斗卫星导航系统。
       大家都知道时间和空间是宇宙万物的基本属性,据统计大概有85%的信息与位置和时间相关。从科学技术的发展史来看,在需求牵引和技术推动的作用下,人们一直在寻求更多的技术先进来获取空间位置和时间位置的手段。到目前,卫星导航已经成为了最重要的定位导航设施的手段,能够为全球地表和近地空间提供服务。从未来来看PNT体系将是定位导航设施技术的发展方向。
       为此首先我介绍北斗卫星导航系统的基本情况。根据我们卫星导航的基本要求以及结合我们的国情,我们设计了北斗系统三步走的发展战略。第一步,2000年建成了三颗北斗一号系统,为中国和周边地区的用户提供了有源定位和短报位服务,首先解决的一个有无的问题。第二步到2012年建成了北斗二号系统,为亚太地区的用户提供无源的导航服务。在技术方面应该来说还是追赶国外的先进水平。作为第三步,我们从2009年开始启动北斗三号系统的建设,到2020年将为全球的用户提供无缝覆盖的无源导航服务。并在我国及其周边地区乃至全球提供高精度的有源定位和短报文服务。
       下面介绍我们正在运行的北斗二号的系统的基本情况。北斗二号系统投入运行五年来,我们系统连续稳定的运行,从未发生过服务中断,定位精度实际上是稳中有升,服务性能跟GPS相当,亚太地区已经达到了国际先进水平。据我们了解,在东南亚地区,尤其是在泰国他们使用的时候,反映比GPS的精度还高。
       我们的北斗二号实现了国际卫星导航领域和我国航天领域的多个首创,走出了一条符合我国国情,独具特色的卫星导航系统的发展道路。一是在国际卫星导航领域开创了卫星导航技术发展的新方向,这边有五个方面,我觉得主要包括首次将卫星导航定位、短报文通信、差分增强三种服务融为一体。并且首次采用了GEO/IGSO/MEO混合导航星座,GEO是地球同步定轨、IGSO是地球同步倾斜轨道,还有MEO是在22000km的原轨道上形成了混合星座,这是国际首创,这五个方面都是我们值得骄傲的几个方面。
       我们在航天领域应该跨越的提升了我国航天的科技生产能力。在这里有六个方面,应该来说我们首次具备了大型复杂星座构建和运行管理的能力。也实现了卫星火箭的批量生产,立即发射,实现了航天产品研制生产方式的转型。从应用推广方面,我国高度重视北斗系统的应用以及产业化。将北斗产业列为战略性的新兴产业予以重点的推广,已形成北斗完整的自主产业链,国内外的芯片厂商已经主动的支持我们北斗,北斗的芯片实现了规模化的应用。总体性能达到了国际先进水平,国内新入网的一些手机,大部分手机都具备了北斗的功能。
       在航天应用方面已经在公安、交通、渔业、电力、林业、减灾等行业得到了广泛的使用。北斗系统已经引入了国家核心信息基础设施,有力的促进了经济社会的发展。在大众应用方面,北斗与互联网、物联网、云计算、大数据等技术的深度融合,催生了一些新的业态。共享单车装备了北斗,实现精细的管理,我们制成的北斗的手表、手环、学生卡,更加方便的和保护了人们的日常生活,已经深刻影响社会的行为和生活方式。
       据我们统计,在2017年国内卫星导航及位置服务产业的总体产值突破了2550亿元,产业的年均增长率超过20%,与北斗直接关联的上市公司就有50多家,从业的单位有14000家。北斗已经成为了战略的新兴产业。
       在国际合作方面,北斗已经走出了国门,初步实现了国际化,北斗是联合国全球卫星导航系统国际委员会认可的四大核心供应商,北斗已经获得了国际民航、国际海事、3GPP移动通信、国际海运等国际组织认可,北斗相关的标准都已经得到了通过。北斗已作为国家的一种品牌,纳入了外交大局。国家领导人见证签署了一系列北斗系统的合作文件,北斗产品输出全球30多个国家和地区。

       2016年我们北斗在埃及巡展的时候,习总书记陪同埃及总理到我们展馆,我们北斗办主任跟习主席说,我来介绍,北斗系统是精度如何如何高,使用如何如何方便,而且非常安全,希望你们埃及政府来使用我们的北斗。
       我们现在正在建设的北斗三号系统应该来说是跨度比较大,创新性比较强。从北斗二号到北斗三号,并不是仅仅把服务简单扩展到全球。我们对标世界一流卫星导航系统来看主要包括几个方面,一是性能指标大幅度提升。导航定位精度提升了一倍以上,短报文通信服务的容量提升了十倍,用户发射功率降低到十分之一。差分增强服务已经满足民航I类精密近进要求。二是我们的建设事业是面向全球。所以在建设、运行、应用要遵循国际标准、规则、程序。实现与国外系统的兼容互操作,现在你们经常使用手机,一般来说看到的都是GPS,实际上现在你们使用过程当中都是使用我们的北斗,只不过是兼容使用,既能用我们的也能用国外的系统。
       我们的民用服务和有关信息完全开放。三是我们导航服务扩展全球。实现了全球导航定位能力,可以为我们中高轨的航天器导航、测控服务。四是宇航能力也覆盖全球。全球首创相控阵星间链路组网技术。全球首个实现星座自主运行,这个自主运行就是没有地面站支持,我们也能在天上运行几个月。中国第一个全球无缝覆盖星座。我们宇航产品要达到百分之百的自主可控。所以实现这几个方面的能力,我们北斗20多年跨越了美国GPS 40多年的这样一个发展历程。
       目前北斗三号系统已经完成了最简系统,是今年3月30号形成了最简系统以后测试,效果挺好。现在我们正在按计划稳步实施,到今年年底我们还要发射11颗星,这样可以实现服务“一带一路”的沿线国家的基本服务,到了2020年,我们要完成30颗星的发射组网的任务,实现我们全球组网的目标。这是北斗导航系统。下面重点介绍我们国家作为PNT体系的发展构想。
       作为定位导航授时体系,把各种PNT技术一些系统和一些服务总称集成起来,覆盖和贯穿时空基准,建立、维持、传递与应用的全过程,构建它的目的就是为了人类活动空间提供统一的、精确的、可靠的时空信息服务体系。
       从卫星导航系统来看,作为当今最重要的PNT体系。它具有统一的精准制导,通信电力测绘等方面都能够得到广泛的应用。可以打个比方和水电、空气一样,已经深入到我们日常生活的每一个角落。现在的世界已经难以承受卫星导航不能服务所带来的巨大损失。但是作为卫星导航信号的物理特性的限制,卫星导航系统还没有办法作为唯一可信赖的PNT手段。它有几个方面还是有薄弱环节。一是接收信号的功率低,容易受到干扰。这次叙利亚战争实际上就是因为受到干扰,所以在使用过程当中就带来了受干扰的影响。二是障碍穿透能力比较弱。还不能全面的覆盖水下、室内、城市峡谷这些复杂的环境。三是只能覆盖地球空间,在为深空探测提供服务方面应该来说还是空白。因此,迫切的需要进一步的提升以卫星导航系统为核心的各类PNT手段的创新发展,通过各种手段的系统的集成,形成体系化的国家PNT基础设施。

       我国的PNT体系的一个总体发展目标,开展技术先进、安全可靠、兼容互用的新一代北斗系统,以己度技术融合增强、多手段补充和备份系统建设,建成基准统一、覆盖无缝、安全可信、高效便捷的北斗综合PNT体系,满足国家安全、经济社会时空信息保障需求。
       作为PNT体系的发展的基本原则,有三个方面的考虑:一是突出国家安全,聚焦提高PNT服务的可用性和生存能力。二是突出基础设施,聚焦发展全局性、国家级的核心基础设施。三是聚焦供给,提供满足最大共性需求的公共服务产品。
       从卫星导航的角度来看,PNT体系实际上就是卫星导航+增强、补充、备份系统。增强卫星导航系统的性能、完好性和安全性等。补充系统主要是填补卫星导航在水下、深空以及室内等服务的空白。作为备份,就是在卫星导航服务中断时能够提供一定的应急服务能力。
       具体把PNT体系的大致刚才说的“+ ”一些什么具体的说一下。首先北斗系统今后能够提供高精度的定位服务,能够覆盖3000公里以下的近地空间,本身也具备有较强的星座生成能力,可以为体系提供精准的时空参考的框架,是PNT体系的核心和基石。北斗+通信,可以通过进一步的提高北斗系统的服务功能,在这方面它的信号可以抗干扰、可以提升30多个DB,性能也可以增强,动态定位可靠、可用,这样增加了一些海量的基准点。作为北斗惯导方面可以提高防电池阻断的一些能力,可以在短时间内保证时空信息服务不中断。在水下的时候,我们应用北斗和水声,包括在太空、深空进行脉冲星这些方面又可以填补我们在水下和深空方面的一些空白。
       介绍一下PNT体系主要的建设在哪些方面。分五个层次,最外层是深空领域主要发展脉冲星导航技术,在中高轨的空间主要发展下一代的卫星导航系统,在近地轨道空间主要开展低轨导航增强系统建设。这实际上就是现在我们很多家在酝酿的低轨通信卫星,我们想利用低轨通信卫星来增强我们的导航信号。在地面主要开展北斗系统与5G数据链等通信信息深度融合。包括和一些互联网等等方面进行深度融合。在水下重点建设海底控制点的水声导航、匹配导航等水下导航的一些系统。

       我具体把下一代卫星导航的基本情况和基本功能说一下。下一代卫星导航方面要在北斗三号的基础上进一步提高基本导航、星基增强、短报文通信、国际搜救、精密定位、星间链路六个方面的能力,同时更好的融入到国家网络信息体系。
       作为低轨导航增强,主要是在加强我们30公里以下空间全球覆盖的问题,辅助提升北斗抗干扰的能力,这样实现全球范围内用户,实现分米级的定位,同时低轨导航增强本身也具备单独的定位授时服务能力。作为水下导航,水下导航的核心我们主要是为惯性导航,同时通过水下无线电导航、水声导航、重力导航等手段对惯导长时间漂移误差进行校准,通过发展水下导航,我们按照解决急需后续提升能力的一个逐步开展的思路展开。在解决急需方面主要是补充一些惯性的缺点,发展多源校准的手段,在长远提升方面,面向高精度、小型化、持续发展的惯性技术。
       作为水下导航我们重点建设的内容,包括这样几个方面:一是海底大地控制网基础设施建设,二是远程陆基无线电基础设施,三是水下背景场匹配辅助导航基础设施,四是海地水下定位导航授时终端。在深空导航系统,我们积极探索脉冲星导航技术的发展,去年我们就发射了一颗脉冲星,做了大量的试验,通过我们的试验,我们认为发展脉冲星导航技术不仅可以建立和维持基于脉冲星的综合脉冲星座时还可以为我们深空、航天提供自主的导航定位授时服务。我们今后北斗系统它的时间和空间的基准就可以通过脉冲星来给我们提供,某种意义上也是我们北斗的北斗。
       自主导航系统方面。可为用户提供一种不依赖外部输入的自觉的PNT手段,能够实现全球空域的覆盖,不易受到外部干扰,与卫星导航系统形成优势互补,可以作为卫星导航的一个备份。同时我们开展微PNT这方面的研究,我们认为微PNT是自主导航手段的一个主要方向,由于惯性器件还存在一些误差的问题,我们要保持精度,需要不断地进行外部校准,这样我们把卫星陀螺、微加速器等等进行微集成以后,把我们北斗系统融入进去以后,我们就形成了一个全自主情况下的微PNT体系。这就作为我们一个保底的手段。
       北斗还可以和5G融合。在室内外定位,尤其是室内定位,北斗在室内和城区复杂环境下的能力不足。北斗系统可以利用5G高速移动通信网,播发导航电文和分成信息,辅助北斗实现移动通信可达区域分米级、厘米级高精度的增量。
       在完好性增强方面,也可利用通信基站实现北斗信息质量的监测评估,同时也可以在移动通信可达区域内快速的播发北斗信息的完好性。北斗和5G的融合,核心就是要协同设计有关标准、规范和体系架构。我们认为北斗和5G一旦在成本和精度上去的突破的话,市场的空间预计可达万亿。这是一个非常融合的好的一个前景。
       同时,我们还将开展一些新兴技术的研究。在微型化、多源融合、高精度、新技术等方面开展工作,尤其是在高度集成、微型化、低成本技术以及多手段、多系统的深度融合技术方面,包括我们的高可靠,同时还有一些新技术、新方法、新工艺方面开展一些新兴技术的研究。

       前面说了这么多,实际上我简单的把它概括起来,我们建设重点就是“5+1+N”,这个“5”,我们建设的重点是5大基础设施,包括下一代卫星导航系统,积极发展低轨导航增强系统,按需发展水下导航系统,大力发展惯性导航系统,积极探索脉冲星导航系统。“1”就是实现1个融合发展。要加快推进5G移动通信为代表的网络信息体系的深度融合。“N”主要是突破一系列的新兴技术,包括一些超稳芯片级原子钟技术,仿生导航等等这些新兴技术的研究。
       这就是我们整个的发展和建设重点。现在简单介绍一下我们发展路线,在2020年,我们要完成PNT体系总体方案设计与论证,建设仿真试验设施,突破高精度的时空精准动态维持和传递、导通融合、低轨导航增强系统等关键技术,探索基于量子、微纳加工技术等新兴的PNT技术。
       到2025年,完善体系框架,完成相关接口协议与标准规范制定,确保北斗系统的稳定运行,完成性能提升演示验证,完成高精度的时空基准动态维持和传递、导通融合、低轨导航增强等系统的关键技术演示验证。
       到2035年,完成新一代北斗系统星座组网,建成时空信息服务的备份增强系统,部署多源融合高可信的PNT终端,完成室内、水下、太空等特殊区域的PNT技术试验应用。完成PNT体系的建设,提供体系化的PNT服务。
       我做一个简单的小结,作为PNT体系。PNT体系,以北斗为核心的国家PNT体系不是所有PNT技术与系统的简单集合,更不是另起炉灶,而是统筹、融合、协调,从满足最大共性需求出发,提供一个标准化的解决方案,提高体系建设,维护和使用的效费比。
       从体系角度来看,主要是提供标准化的解决方案,以最小代价满足最大共性需求,实现建设、维护与使用的低成本。从技术角度,要实现全空域、全时域、全信息、高可靠的使用要求。从安全角度来看,在人类重点活动区域,实现了多种PNT手段的体系融合,服务能力更加稳固。
       借这个机会介绍我们北斗系统的基本情况。谢谢大家!

       (来源:今日科协微信公众号)