首都科學講堂第652期《大國重器:中國為什么一定要研發北斗》

信息來源:北京科學中心      發布時間:2020-07-13

  2020年7月11日,受新冠肺炎疫情影響,首都科學講堂線上開講,本次首都科學講堂邀請了中國科學院空天信息創新研究院研究員、北斗導航系統科學家徐穎,為大家帶來主題為《大國重器:中國為什么一定要研發北斗》的精彩講座。

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大國重器:中國為什么一定要研發北斗

  6月23日,我國第55顆北斗衛星發射成功,歷經20年時間,北斗全球衛星導航系統組網成功。“北斗三號”的完美收官,再次見證了中國速度與中國力量。作為我國自主建設、獨立運行的全球衛星導航系統,北斗衛星導航系統既是國家重要的空間基礎設施,也是名副其實的國之重器。北斗導航還“現身”于今年北京高考作文題中。那么,中國為什么一定要研發北斗系統?北斗導航離我們的生活還有多遠?

第一講 古今定位:從天文導航到北斗衛星

  北斗這個名字,來源于北斗七星,很早的時候,古人就對北斗有了相應的觀察和記錄,并且開始了對它的應用?!妒酚?middot;天官書》當中有記載:“分陰陽,建四時,均五行,移節度,定諸記,皆系于斗”。這里的“斗”指的就是北斗,也就是我們國家的北斗導航定位系統名字的由來。

  最早的導航手段,叫做地文導航。例如在森林當中,我們會通過身邊的一些具有標志性的地文的特征來判斷自己的方向,其實這就是最初的地文導航。人們通過石頭、樹木、河流、山川等特征物體來分辨方向。有了地文導航之后,進一步發展就是天文導航,也就是用太陽、月亮、星星等自然天體來辨識方位,通過一些自然天體來進行導航。

  我國四大發明當中的指南針,采用地磁導航的方式來進行導航和定位。正是因為有了指南針,人們的視線才從腳下的土地拓展到了更廣袤的空間,人類才有鄭和下西洋、發現新大陸,以及環游世界這樣的壯舉。

  電是人類近代史上非常重要的發明,有了電之后,就有了無線電系統。隨后,人們就可以通過無線電系統的幅度、頻率、相位等一系列參數,來獲取導航信息,這就是無線電導航。無線電導航最早是利用地面的、地基的臺站來獲取一些無線電的信息,然后發送出去,最后通過測量它的幅度、頻率、相位等等,來獲取導航信息。

  無線電在地基傳播時有測量上的誤差,所以無線電導航大多是采用長波導航的方式,為了解決這個問題,人類開始把導航臺搬到了人造衛星上面,開始用人造衛星來作為導航臺的一個無線電導航系統。

  1957年,世界上第一顆人造地球衛星由前蘇聯發射升空。1958年,美國發射了“探險者一號”人造地球衛星,利用人造天體來為人類提供導航服務。1964年,美國研制了世界上最早的全天候、全天時的衛星定位系統——“子午儀”系統。它利用四顆衛星實現全球覆蓋;1967年,“子午儀”系統正式進入民用領域。

  “子午儀”因為只有四顆衛星覆蓋全球,所以它有使用的局限性。一是無法對運動速度非??斓奈矬w進行定位;二是定位精度大概在千米量級,無法實現高精度定位。但是“子午儀”系統也有優勢,那就是用少量衛星就可以實現全天候、全天時的覆蓋,且不受天氣影響,這讓人們看到了衛星導航定位系統的巨大優勢。到1973年,美國開始建設第二代衛星導航定位系統,通過20年的努力,耗資了200億美元,在1994年正式建成GPS系統,也叫全球定位系統。但其真正被人們熟知,還是在1991年的海灣戰爭當中。

  1991年海灣戰爭,GPS系統展現了它在軍事方面的巨大作用,也讓全世界看到了衛星導航定位系統帶來的巨大影響。當時的伊拉克號稱“世界第三大軍事強國”,但被以美國為首的多國部隊,用了40多天的時間,就打到沒有還手之力,這場戰爭中發揮出巨大作用的就是還沒有完全建成,但是已經展現了它在軍事方面的巨大效益的GPS系統。也正是在這場戰爭之后,全世界都看到了衛星導航定位系統帶來的一個巨大的影響,全世界的超級大國,都希望構建自己的衛星導航定位系統,這其中也包括中國。我們說衛星導航定位系統是一把守護國門的金鑰匙,自己家的這把金鑰匙一定要握在自己人的手中。   

  從20世紀70年代開始,中國就開始積極探索適合我國國情的衛星導航系統,1983年,著名航天專家陳芳允院士,提出了利用兩顆地球靜止軌道衛星與地面系統相互配合,實現區域性快速導航定位和通信的想法,這為后來北斗的研究提供了理論和技術的基礎。

  1994年,北斗一號系統正式啟動了建設, 2000年,北斗一號的01星和02星接連入軌,中國成為了世界上第三個擁有自己的衛星導航定位系統的國家。北斗系統也開始為我國提供導航、定位、授時和通信方面的服務。2003年,北斗一號系統又發射了一顆備份,即北斗一號的03星,它和前兩顆星組成一個完整的系統,作為前兩顆星的一個備份星,保障這個系統運行的可靠性。北斗一號正式向軍民用戶開放使用了。北斗一號雙星系統,因為只有兩顆衛星來提供服務,所以它是一種有源定位的方式,但導航系統,只依靠有源定位是遠遠不夠的,這就給北斗系統未來建設提出了全新的要求。

第二講 北斗二號:北斗導航的建設與探索

  北斗一號系統在上世紀80年代開始建設,當時很多科技項目都需要經費投入,北斗一號用較少的資金,打破了國外衛星導航領域的壟斷,但由于自身原理的限制,還有一些缺點,一是存在暴露用戶位置的風險;二是用戶容量受限,無法做到實時反饋信息,也就無法發展成為全球系統,所以在第一代系統開始建設的同時,我們也開始了第二代導航系統的建設和論證。

  北斗系統的建設分“三步走”:第一步,2000年建成北斗一號系統,也叫做北斗雙星系統。它主要解決我國衛導系統的有無問題,能夠為我國和周邊地區用戶提供定位,短報文和授時服務。第二步,在2012年年底,建成北斗二號系統,主要把有源定位變為無源定位,去除北斗一號的一些缺陷,使無源定位系統,能夠為我國和周邊地區提供更加穩定的導航、定位、測速和授時服務。第三步,也就是今年,在2020年要建成的系統叫做北斗三號系統,也叫做北斗全球系統,讓北斗系統不僅是中國的北斗,更是世界的北斗,當然也是先進的北斗。因此,在北斗一號系統建設完成以后,按照北斗系統建設的過程,中國就進入了北斗“三步走”中的第二步——構建北斗區域系統。

  2007年,北斗二號系統建設穩步推進,發射了第一顆試驗星,我們叫做北斗系統的04星,它用來接替北斗一號的01星,保證系統連續穩定的運行和不間斷的服務。因為衛星壽命有限,北斗一號的組網衛星的預期壽命是8年。2009年,發射了G2星,接替了北斗系統的02星。2010年,接替01星和03星的G1星和G3星當時順利地接入了北斗系統,操作時間比預計的時間縮短了一半,而系統服務僅僅中斷了1秒,就實現了平穩過渡。

  為什么要強調平穩過渡?因為北斗系統是應用系統,每天都有很多用戶在使用北斗系統來進行導航服務。作為應用系統,在升級換代的過程當中,保證用戶的使用感受至關重要,因此平穩過渡也是系統建設當中非常重要的點。

  北斗二號系統,也就是北斗區域系統共有14顆衛星,其中5顆是GEO衛星,5顆是IGSO衛星,還有4顆是MEO衛星。通過這樣的混合星座,來為我國和周邊的亞太地區提供導航定位服務,同時,星座還采用了“邊建邊用”“以用促建”的工程建設的方式,這也是全世界唯一的一個混合星座系統。

  2012年10月,第16顆北斗導航衛星由長征三號乙運載火箭送入太空,中國的北斗二號正式完成了組網任務,正式躋身于世界四大全球衛星導航系統行列。

  北斗二代比北斗一代有哪些進步?一代因為只有兩顆星,所以需要采用高程輔助,以及有源定位來實現導航定位。二代已經從有源定位的方式變成無源定位的方式,并且可以采用廣播式來解決問題。“廣播式”的意思是,衛星一直在不斷地往下發射信號,地面不管是有10個人、100個人還是1000個人,接收信號不會受到系統容量的限制,也不存在暴露位置的風險。

  從2012年12月27日宣布正式提供服務以來,北斗系統就進入了系統建設和應用推廣并舉的階段。性能穩中有升,包括交通、氣象、漁業、林業、電信、水利、測繪等各方面,逐步拓展到我們生活當中各方面的應用。

 第三講 北斗三號:收官之星與全球組網

  順利完成北斗一號和北斗二號建設任務,為我國和周邊地區提供導航定位服務以后,如何把北斗從區域系統轉變為全球系統?答案是建設北斗三號系統,也叫北斗全球系統。

  北斗三號系統是由30顆衛星組成的,包括3顆GEO衛星,也就是靜止軌道衛星。3顆IGSO衛星,即小傾角軌道衛星,還有24顆MEO衛星。

  北斗三號系統建成意味著中國北斗已經變成了世界的北斗。那么從北斗二號到北斗三號,中間又需要解決一些什么問題?比起北斗二號系統這樣一個廣播式的無源系統,北斗三號系統從區域系統走向了全球系統,是一個全方位的技術提升:包括信號體制、高精度的原子鐘、星間鏈路以及搜救功能,這都是北斗二號系統所沒有的。

  北斗三號系統由30顆衛星組成,但在有些地方,我們可能也能看到,北斗三號系統是由35顆衛星組成的,這是怎么回事呢?其實,早在2012年北斗二號系統建設完成以后,北斗三號系統就進入了論證和驗證的階段,也提出了北斗三號試驗星的概念,因為北斗三號系統有很多新技術,而這些新技術需要發射試驗衛星來進行驗證,所以在2015、2016年兩年,北斗三號系統一共發射了5顆試驗衛星。

  在這個過程當中有一個叫做北斗三號的試驗星這樣的概念,也就是說北斗三號系統有很多新的技術,我們需要發射試驗衛星來對這些技術進行驗證。我們總共發射了5顆試驗衛星。這些試驗衛星,對北斗三號的新體制、新技術進行了充分的試驗和驗證,這就是我們常常說的“‘五星’護航,北斗系統走向全球”。在對這些新體制和新技術驗證完成之后,北斗三號系統才正式開始了建設。

  北斗三號系統的建設,也分為“三步走”:第一步是8顆MEO衛星組成的最簡系統,有了最簡系統之后,就可以對北斗三號的性能進行一些相應的驗證。第二步叫做基本系統,它是由1顆GEO再加上18顆MEO這樣的衛星組成的,基本系統在2018年年底建成。第三步就是構建北斗全球系統,即3顆GEO加3顆IGSO,再加24顆MEO,到今年6月,收官星的發射,意味著北斗三號系統正式完成建設,開始提供全球服務。

  到底是基礎技術的進步推動了應用科學的發展,還是應用科學的需求牽引而推動了基礎技術的進步?這一點科學界一直有所爭論。但從北斗系統來講,一定是北斗系統的需求牽引了我國的星載原子鐘技術的進步。

  這里要給大家講一個時間的故事。有人可能會覺得,時間有這么重要嗎?手機上、手表上,無時無刻都在顯示時間。但事實上,我們能夠從有源系統變到無源系統,一個非常關鍵的點就是原子鐘。

  在北斗系統建設之前,我國是沒有星載原子鐘技術的,雖然有地面的原子鐘,但是地面的原子鐘組特別大,而我們是沒有辦法把這樣的原子鐘組搬上天的。這是為什么呢?衛星發射的時候,衛星上的載荷就基本上是1公斤載荷等于1公斤黃金這樣的一個發射成本,所以要把非常大的原子鐘組搬上天,代價和成本都是非常高的。所以我們需要有星載原子鐘,把整個衛星導航定位系統的時間統一到同一個基準上,才能夠實現北斗系統的定位。

  我們知道北斗系統當中衛星導航定位系統的原理是“三球定位”的原理,也就是說,通過測量我和衛星之間的位置后,我就知道自己的位置一定是在以衛星位置為球心,以我們之間的距離為半徑這樣的一個球體上,三個球將在一個點,這個點就是我的位置。我和衛星之間的距離,其實是沒有辦法直接測量的,是通過無線電在介質當中的傳播,用測量到達時間差的這種方式,來測量我和衛星之間的距離。知道了無線電從衛星傳到我的一個時間,這個時間乘以光速,就可以得知我和衛星之間的距離。光速是3×10的8次方,所以這個時間一定要非常精準,才能夠達到現在的衛星導航定位系統的米級、厘米級,甚至是毫米級,這樣的一個定位精度。在最開始的時候,我國是沒有這樣的一個星載原子鐘技術的,那個時候打算從國外來購買這樣的一個技術,瑞士的手表做得不錯,原子鐘做得也不錯。但是在購買的時候會發生一些問題,瑞士一定要取得對華銷售的許可證,然后我們才能夠購買原子鐘。但是什么時候能取得這個許可證,我們這個許可證有什么條件才能頒發?

  其實會有很多限制條件,也沒有任何的已知的努力的方向。所以在這個時候,我們意識到核心關鍵技術真的是買不來、要不來、求不來的,只能夠靠自己。所以,當時為了解決這個問題,北斗團隊經過了大概兩年時間的攻關,然后解決了星載原子鐘的技術?,F在,我們國家的星載原子鐘技術已經做得非常成熟,像北斗三號上面用的氫鐘等,以及天宮二號上面用的冷原子鐘等,已經實現了高精度原子鐘的技術。有了星載原子鐘之后,我們終于解決了衛星上的時間問題,可以開始進行無源系統的建設了。但是衛星發射也是一個不可預知的過程。到2020年,北斗系統密集發射了53顆衛星,再發射2顆衛星,就可以完成整個北斗三號的建設任務,雖受到疫情影響,但倒數第二顆衛星的發射其實還是很順利,北斗工程師們的辛苦付出,保障了這一顆衛星的正式發射。

  就這樣,北斗的最后一顆衛星,就成為全國乃至整個航天史上所矚目的衛星,原定的發射計劃是5月底,鑒于之前有兩次航天發射任務失利,其中一次包括長征三乙火箭,它發射時還搭載著一顆外國的衛星,由于火箭第三極出現了問題,這顆衛星沒有能夠到達預定軌道,由于這個影響,發射時間從5月份推遲到了6月份,時間確定在6月16日。

  但6月16日早上發射檢查當中,發現火箭還存在一些隱患,北斗官方再三權衡之后,做出了一個艱難的決定,使這顆衛星的發射又一次推遲了。在一周之后,經過技術排查,在技術歸零之后,6月23日,最后一顆北斗衛星終于在萬眾矚目下正式上天了。北斗系統所有的衛星都是在西昌衛星發射中心發射的,西昌衛星發射中心也在這20年來承接了北斗系統的所有的衛星的發射,也順利地送最后一顆衛星上天。在這顆衛星發射之后,就意味著我國提前完成了北斗全球衛星導航定位系統的星座的部署。北斗系統在2010-2012年的三年期間,總共發射了15顆衛星,在2018年的一年當中成功地發射了19顆衛星,它的成功其實不僅意味著中國已經進入了世界衛星導航技術強國之列,也意味著中國開始為全世界提供導航服務,這是中國科技發展對亞太地區乃至世界的巨大貢獻,也是中國人在世界航天史上留下的濃墨重彩的一筆。

第四講 展望未來:“潤物細無聲”的北斗應用

  北斗系統為我們帶來中國精度,中國速度,也在生活的方方面面為我們帶來中國溫度。

  大家有時候經常會問,我什么時候才能用上北斗系統,或者什么時候北斗系統才能開始提供服務?事實上,北斗系統很早就已經開始為我們提供服務了,其更多的是以一種“潤物細無聲”的方式出現在我們的生活當中,你可能還不知道自己已經用上了北斗,但是你已經在生活中的方方面面享受到北斗服務了。

  北斗非常典型的一個行業應用叫做漁船航運,舉個例子來說,目前南海70%的漁船都用上了北斗系統,因為在茫茫大海當中沒有手機信號,衛星電話的成本又太高,這時北斗系統就派上了用場。北斗系統不僅可以給漁民定位,還可以給家人發短信、報平安,如果在海上遇到危險,還可以及時向海警求救,因此漁民都把北斗系統叫做“海上保護神”。

  第二個應用就是精準授時,有了非常高精度的時間之后,就可以做非常精準的授時,有人會覺得,要這么準確的時間有什么用?手表只要能精準到秒,甚至精準到分鐘,對我們日常生活來說,不就已經足夠了么?但其實在很多行業當中,是需要納秒級授時的,比如金融行業,如果金融結算的時間差一毫秒,最后結算的金額,可能就會差出好幾千萬美元。此外,電力、通信這些關系到國計民生的基礎行業,也都需要非常精準的時間信息,在這些時間系統當中,如果用GPS授時,我們肯定會覺得不放心,不能把這些行業當中的   關鍵命脈,依托在別國建立的衛星導航定位系統基礎之上,所以北斗系統也能夠在關系到國計民生的重要行業當中為我們提供保障和支持。

  在防災減災和氣象監測預報方面,北斗系統也發揮了積極的作用:汶川地震、舟曲泥石流等特大自然災害當中,都有北斗系統的身影;而在氣象預報領域,在邊遠臺站和海島,氣象實測數據最先通過北斗導航系統試驗衛星傳到中心預報服務部門,在北斗導航衛星的技術支持下,近年來我國氣象災害預報和防災減災的能力也有了較大的提高。

  在交通物流領域,北斗還有一個功能就是可以監測橋梁的形變,比如說這個橋它可能發生了一些非常微小的形變,用肉眼是不可視的,但這個形變可能會帶來一定的安全隱患,為了解決這樣的隱患,我們用北斗的高精度測量功能,毫米級的形變都能夠被檢測出來,能夠判斷這個橋梁或者是這個地基是否還處于一個安全的范圍。

  再比如動物保護領域,北斗系統曾經給藏羚羊、丹頂鶴等保護動物做過項圈,有了北斗項圈以后,可以實時追蹤這些保護動物在無人區的生活狀態和路徑,并且能夠把實時位置進行反饋,對動物保護起到了良好的促進作用。

  北斗系統在我們生活當中的應用,可以說是全方位覆蓋的。因為它提供給我們的是一個最基本的時間和空間信息,而我們在所有的應用當中,時間和空間恰恰是最基本的信息。隨著2020年北斗系統的建成,未來北斗系統將從建設和應用并舉的狀態,變成大力推廣和應用北斗的模式。在這個過程當中,我們也希望北斗不僅在各個行業當中廣泛應用,也希望北斗系統出現在大眾生活中,也就是有一天我們每個人的手機上,都會有中國北斗系統來提供服務。

  目前市面上70%以上的智能手機中,都已經裝載了北斗系統,典型的如小米、華為、魅族、聯想,還有三星。但大家可能并不知道北斗系統的存在,因為手機總會提示,衛星導航信號弱,或者是GPS信號弱,好像很少提到北斗,這是因為,手機上的芯片大多是系統芯片,也就是說手機不僅能夠接收GPS信號,也能收到北斗的信號,更能收到GLONASS的信號,再往后可能還能收到Galileo的信號,是利用所有的衛星信號來提供這樣的服務。這也是為什么說兼容和互操作是北斗的基本原則之一。

  如果想要單獨使用北斗導航,可以用安卓系統手機下載北斗助手等App,并在空曠的地方打開手機,如果帶有中國國旗的小圖標被點亮,說明手機里就是北斗系統在提供服務。

  北斗三號建成之后,未來的導航技術將會往什么方向發展?現在導航科學家們正在論證的技術叫做中國國家PNT體系,P是positioning定位,N是navigation導航,T是time時間,即導航定位和授時體系。衛星導航定位系統解決了室外90%以上的導航和定位的需求。但同時它還存在很多盲區和問題,比如說在室內導航收不到信號,沒有辦法提供服務。比如說在水下,比如說在外太空,這些都是導航的盲區。而在這些盲區當中,如何用新技術和新手段來解決這些問題,有待發現和探索。最終真正形成以中國北斗為核心,其他新技術作為補充、增強和備份的完整的中國國家PNT體系,這是導航的未來,也是大家為之努力和奮斗的方向。

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