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军工航天新闻

从GPS到BDS,回顾全球导航江湖的蜕变

来源:香港012020-07-03 我要评论(0 )   

01周报作者:刘莉全球科技界有个顶级俱乐部,只有四名会员,却吸引诸多国家的关注,这个俱乐部便是“全球卫星导航系统”(GNSS)。随着北斗三号第30颗、也是最后一颗组...

01周报

作者:刘莉

全球科技界有个顶级俱乐部,只有四名会员,却吸引诸多国家的关注,这个俱乐部便是“全球卫星导航系统”(GNSS)。随着北斗三号第30颗、也是最后一颗组网卫星“北斗系统第55颗卫星”在上周二(6月23日)发射成功,中国提前半年完成了北斗全球卫星导航系统(BDS)部署,与美国全球定位系统(GPS)、欧洲伽利略(GALILEO)、俄罗斯格洛纳斯(GLONASS)构建了全球四大卫星导航系统。作为后起之秀,中国自主研发的北斗是目前发展势头最迅速、被认为极有可能后来居上的卫星导航系统。


2020年是北斗导航系统建设收官之年,随着北斗全面于太空布阵,将择机向全球用户提供完整的全天时、全天候、高精度全球定位导航授时服务。官方资料显示,北斗拥有自主知识产权和核心技术,卫星和关键元件国产化率达到100%。


全球卫星导航系统的源起

上世纪五十年代,在美苏争霸的大背景下,一场以科研为名的意识形态之争悄然上演。1957年10月4日,苏联发射的人类历史上第一颗卫星“斯普特尼克1号”(Sputnik-1)成功进入轨道,震动了西方世界,并引起美国人强烈的恐惧和焦虑感,但美国约翰.霍普金斯大学的盖伊(W.Guier)和威芬巴赫(G.Wieffembach)博士发现:由于卫星与地面之间有着相对运动,接收到电磁波信号存在多普勒频移,若在地面上架设多部接收机,便可根据接收到信号的不同频差推算出卫星的运行轨道。他们将研究成果告诉了应用物理实验室主任麦克卢尔(Frank McClure),这位主任当时正为美国海军研究如何能快速知晓航行在茫茫大海中军舰的具体位置,听到两人汇报后,他眼前一亮,“既然你们能发现卫星在哪里,那么如果把问题反过来,卫星也就能发现你们在哪里,海军军舰定位的问题有思路了。”


这便是卫星导航系统的科学缘起。此前,美国海军使用的是俗称“罗兰”(LORAN)的无线电远端导航系统,但罗兰系统作用范围有限,最远只达2,000公里,定位精度也低,只有百米级,且只能提供二维定位。美国海军敏锐地意识到使用卫星定位的巨大应用潜力,于1958年起与美国国防部高级研究计划局(DARPA)共同进行了对海军导航定位系统(NNSS)的基础研究,成功开发出史上首个卫星导航系统—子午仪卫星系统(Ttansit)。在子午仪卫星系统的基础上,美国国防部于1973年4月提出研究更先进的新一代导航定位系统的想法,全球定位系统(GPS)应运而生。


现在,全球卫星导航系统已是国家安全、经济和社会发展不可或缺的重大空间信息基础设施,能在全球向用户提供全天候导航、授时服务的GPS凭藉技术优势当了多年老大,美国每年因而从全球获得千亿、万亿计的收入。


北斗撼动世界导航格局

有过几次因导航系统受制于他国的不愉快经历后,中国于上世纪后期开始探索适合自身国情的卫星导航系统发展道路,逐步形成了三步走发展战略:第一步是在2000年年底建成北斗一号系统,向中国提供服务;第二步是在2012年年底建成北斗二号系统,向亚太地区提供服务;第三步则是在2020年建成北斗三号系统,向全球提供服务。


北斗系统由空间段、地面段和使用者段三部份组成:空间段由若干地球静止轨道卫星、倾斜地球同步轨道卫星和中圆地球轨道卫星等组成;地面段包括主控站、时间同步/注入站和监测站等若干设施,以及星间链路运行管理设施;使用者段包括北斗相容其他卫星导航系统的晶片、模组、天线等基础产品,以及终端产品、应用系统与应用服务等。


作为中国自主研发、独立运行的卫星导航系统,北斗系统打破了其他国家对中国的技术封锁。虽然起步较晚,但北斗“小老弟”成长很快,随着国际海事组织海上安全委员会于2014年11月审议通过对北斗卫星导航系统认可的航行安全通函,北斗卫星导航系统正式成为继GPS、GLONASS后第三个向世界航海使用者提供服务的全球卫星导航系统。


“北斗”系统具有短报文通信、精密授时、定位精确、系统容纳用户数四大优势功能,其定位精度、授时精度、抗干扰能力等都与GPS相当,且北斗具备的无源定位和短报文通信功能独门绝技,较之其他导航系统能更广泛地应用于野外作业、突发灾害等场景。2008年汶川大地震发生后,其他通讯方式纷纷失效,只有北斗能以短报文形式与指挥中心保持联系。


北斗系统首创三种轨道构成混合星座,与全球其他卫星导航系统相比,高轨卫星更多,抗遮挡能力强,尤其低纬度地区性能优势更为明显,系统融合了导航与通信能力,其星间链路实现星星互联、星地互联,具备定位导航授时、星基增强、精密定位、地基增强等多种功能,可实现即时米级、分米级、厘米级的导航定位增强服务能力。又因北斗和GPS相容,从而保证了其应用范围如同GPS一样广泛。更引人瞩目的是,北斗用二十多年走完了其他全球卫星导航系统四十多年的发展之路,其建设实现两年17箭29星高密度发射组网且连战连捷,成为科技领域“中国速度”的象征。


大国重器不能受制于人

北斗的目标是成为世界一流的卫星导航系统,从远景规划来看,2035年前北斗还将建设完善更泛在、更融合、更智慧的综合体系。


长期以来,美国的GPS垄断了中国民用的、与日常生活息息相关的定位服务,诸如电子商务、社交网站定位签到、搜寻附近服务等应用都是基于GPS的位置服务,在定位服务全方位渗透的当下,美国一旦对中国关闭GPS服务,便会在中国造成极大混乱,于军事领域而言更是致命性打击。


在中西关联式结构性变化外溢作用深刻影响世界的当下,中西方在制造业、科技等领域的博弈已不可避免地融入了时代的宏观叙事场景。自中美贸易战开启之后,“脱鈎论”、“文明对抗论”甚嚣尘上,中美之间结构性对抗已从贸易战蔓延到以5G、晶片等为代表的高科技领域。近年来,美国对中兴、华为等中国企业频频出招,通过断供等一系列遏制招数,向中国高科技企业心脏刺上一把把利刃。如果中国企业没有晶片、作业系统等“备胎计划”,哪怕已贵为全球最大电信设备制造商的华为,也会被美国一招致命。凡是过往,皆为序章。美国这些动作证明了中国在导航系统这种“大国重器”领域,坚持“独立自主,自力更生”原则的必要性和先见之明,中国人有了自己的卫星导航系统,才可不用再为他国何时关闭卫星导航系统服务而提心吊胆。


北斗系统提供服务以来,已在交通运输、农林渔业、水文监测、气象测报、通信授时、电力调度、救灾减灾、公共安全等领域广泛应用,其导航服务愈来愈多地被电子商务、移动智能终端制造、位置服务等厂商采用,广泛进入中国大众消费、共享经济和民生领域。资料显示,中国新入网的智能手机中已有70%以上提供北斗服务。


在发展自己的卫星导航系统时,中国也在开发其他诸如侦察监视、指挥、协助攻击等“纯军用”能力。近年来,北斗已成为重要的信息化指挥手段,不仅嵌入到各种大型武器发射平台,还广泛应用于单兵侦察和分队作战之中。有英国媒体感叹北斗系统更安全可靠,将使中国军方的精确打击能力迅速提升数十倍。


作为中国迄今为止规模最大、覆盖范围最广、性能要求最高的巨型复杂航天系统,总体来看,北斗系统当前还不太可能完全取代美国的GPS,但很明显,随着北斗向全球提供服务,这个世界的卫星导航系统江湖已变,而且随之而变的将不只是这一片江湖。

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