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        許其鳳:北斗導航衛星系統產業發展需要磨合期

        文章出處:網責任編輯:作者:人氣:-發表時間:2012-09-17 10:54:00

            2012年7月27日,戰略性新興產業(濱海)論壇于天津濱海會展中心隆重舉行,中國工程院院士、解放軍信息工程大學測繪學院教授、博士生導師許其鳳出席了論壇,就北斗導航衛星系統的產業方向和思路進行了探討。

        下面是許其鳳院士的精彩發言。 
              許其鳳:感謝大會給我這樣一個機會,來宣傳一下北斗。為什么說這樣話呢?因為這兩年我接觸一些業務圈以外的人士,包括用戶。好像他們對整個北斗系統的了解不是特別多,或者說不是特別系統,存在了很多問題,所以我覺得宣傳一是方面,建設也很重要,讓客戶以及更多的人了解北斗,這樣才可以使用。
        我主要向大家宣傳衛星導航系統,也就是北斗系統。因為在座很多都是產業界的人士,我盡量聯系一下產業方面的情況和思路。
        我是學校工作的,通俗講叫做“書呆子”這個跟產業不大沾邊,有講的不到位的希望大家理解,同時也請批評。
        產業的發展是成敗的標志,我指的是衛星導航系統。衛星導航系統成功在于廣泛的應用,并且取得效益。這個效益不僅僅是芯片制造商的效益,也不僅僅是整機的提供商的效益,還有應用在鐵路上,對鐵路性能的提高產生什么樣的效益,對大壩監測上以及水力發電有什么效益,我理解這個是有廣義的。
        另外就是相關產業的發展是廣泛應用的標志,作為衛星導航系統,應用的方面很多。但是相關產業的發展,標志著廣泛應用的程度如何。比如說卡片相機用的很多,這個說明數字攝影取得很大的應用?,F在很多人提出這樣的問題,當然可能不是會議的,會議的時候不提,現在GPS已經占領了市場,北斗產業究竟怎么發展?說的更直接了當一點,不說我的身價性命,就是這點家當投進去保險嗎?這樣的問題我不能回答。我提供北斗的情況,請大家自己做結論。
        關于GPS占領市場,北斗到底有沒有出路的問題,使我想到彩電的問題。80年代是日本的彩電占領我們國家的市場,那個時候只要看彩電不是東芝就是夏普的,到了90年代國產彩電占領了市場,短短的10年,我們靠什么奪回的市場?一個是相對優越的性能,我說的相對優越,不是整個系統的性能完全超過日本,是說在我們中國顯示的更優越。
             日本彩電因為日本發射臺離的都比較近,接受機靈敏度不需要很高,信號強度夠了。但是在80、90年代的時候,我們國家還不是數字電視,信號并不是很強,距離也比較遠,因此就出現一個信號。日本的彩電有雪花,我們國產的彩電沒有。優越不優越?優越,老百姓就認這個,其實這個就是局部的優越,就是靈敏度提高了。
             所以相對優越的性能是可以做到的,還有一個就是相對低廉的價格。彩電是做到了,我想我們的衛星導航產業應該也可以做到。另外是方便快捷的服務,因為我們的生產商、銷售商就在本地,因此你只要出了問題,你打電話就會有人來維修??恐@三條,十年的時間我們把日本的彩電市場趕走,我們把彩電市場奪回來了。
        衛星導航系統的性能,是性能相對優越的基礎,我們說性能要優越包括兩個方面,一個是我的接收機、我的用戶系統,我的整個系統性能好,還有一方面就是產業界有自主權的,就是心里有數的,但是沒有數的就是整體的性能如何。
        關于北斗衛星導航系統怎么樣,有人說不錯,又是我們國產的、自主知識產權、雙贏等等一大堆,如果有人對我這么說我是不信的,你光給出這樣的結論和標題我信不過,就是得拿出具體的東西,我自己會判斷,就是究竟有沒有優勢,我試圖在這方面做點嘗試,因此我的報告沒有結論,我只介紹情況。
        在座的可能差距比較大,我簡單把衛星導航系統說一遍,衛星導航系統是由一定數量分布的衛星,包括衛星的高度、衛星的傾角、衛星的軌道組成的空間部分,這個叫做衛星星座,比如GPS是由24顆組成的,叫做中軌衛星MEO。還有一部分是地面監測站不斷觀測所有的衛星,對所有衛星計算軌道,計算鐘差。
        通過注入站將軌道、鐘差參數注入到衛星,用戶接收機利用衛星發播的測距信號測距,依靠衛星的位置,用測量的距離解算自身的位置。如果簡單點就是這三點。
        避短揚長的北斗星座設計,一般都是揚長避短,為什么是避短揚長呢?這個是故意的,合適不合適大家來判斷。首先說發展的瓶頸,我這里側重講不利條件,這個也是和大家習慣不是很一致,首先強調我們有多少有利條件,然后再想有什么不利條件。作為我的觀點來講,不利條件更重要。
        因為你漏掉一個有利的條件,后果很可能是沒能錦上添花的。如果你漏掉一一個不利的條件,后果可能是顛覆性的。作為發展衛星導航,因為我們是后發展的,在我們前面有GPS,我們完全可以發展GPS發展我們國家自己的系統,我們也學習,但是不能完全照搬。全部照搬是簡單的問題,也是省事的問題。但是我們學習GPS還是遇到一些問題,這個是很難在全球布設監測站,我們說高精度定軌需要衛星全弧段的監測。比如我就測一小段,這個圓畫不準的。
        有一個實際的數據,衛星位置的誤差,左邊是有監測數據的,右邊是沒有監測數據,完全靠外推的,我觀測一小段推一段,這個位置誤差會很大,一旦沒有監測數據,誤差會急劇增加。
             對于繞地球的GPS衛星是中軌道衛星,東西旋轉。對于這樣監測站要全球分布,這一點美國可以做,我們做起來有困難。我們很難做到全球分布。
             第2個問題就是星載原子鐘相對滯后,依靠衛星的位置,通過測距來解算定位,測距怎么測?就是依靠信號傳播的距離,距離=傳播時間×光速,如果數字錯一點,那個誤差就大多了。所以對于星上的鐘,所有的信號都是根據鐘來發播的,那就要求很穩定的度星載原子鐘,那就是10的13次方,大約就是百萬年差一秒。
        我們國家星載原子鐘發展相對滯后,我們也都從美國、歐洲進口很高精度的原子鐘,他們知道我們要搞衛星導航系統,結果就禁運了,一臺也不賣給我們。像這樣的兩個問題,我說可以算是兩個瓶頸問題,這樣的問題很難在短時間解決。全球布站,我們很難短時間內發展,這個確實有一定困難。
              我們是想試圖從星座設計來尋求繞過瓶頸的辦法,當然試圖的途徑很多,都曾經進行過探視,但是這條路我們走通了。
              提到星座設計我們首先有三種衛星軌道,這是全球的圖。一種是中軌衛星軌道MEO,高度是兩萬千米,像GPS,計劃鐘伽利略都是這樣的高度,繞著全球轉。
              還有一種軌道是同步衛星軌道,這個是3萬6千千米,就是要在赤道面上,同時要維持這個高度。同步衛星就是跟著地球一起轉的高度,只有在這個高度才能跟地球自轉一致起來,從地球上來看就是不動的。
              還有傾斜軌道的同步衛星IGSO,這個高度同GEO一樣,只不過不在赤道上,GEO是在赤道上,傾斜的角度我們采用是55度,在地面上觀察軌道是像“八字型的”的軌道,從地面上觀察來講是有不同的特點。MEO是從東到西繞著全球轉,GEO衛星是始終不動的,在我們國家上空發一個GEO,我們隨時隨地都可以看到的。IGSO衛星是南北轉,而且有一定的弧度范圍.
             我們說如果選擇MEO或者IGSO軌道,如果可能繞過前面講的兩個瓶頸。因為這兩個衛星不是東西跑,是南北跑,這個總跑不出我們國家,會離開我們國家的境內,但是不遠,我們可以看得見,就是可以監測的到。這樣我們就增加了跟蹤弧段,IGSO和GEO我可以跟蹤,如果和GPS一樣的MEO,我們觀測的弧段那只占全弧段的40%,那個精度就差了。
              在國內設站的情況下,可以實現對GEO和IGSO的全弧度監測,這樣就解決了我們沒有辦法在全球布站的問題,這樣降低了星載原子鐘的要求,要想取得準確的時間,我可以表好,比如說是歐米茄,我也可以天天和中央人民廣播電視臺對表,一個是表好,一個是勤對,如果不能勤對,那就是表好。但是如果GEO和IGSO我隨時可以看得見,我隨時都可以對表,因此在國內設站的條件下,可以實現勤對表。這樣降低了對星載原子鐘的技術要求,給我們國家發展高精度原子鐘爭取了時間,不是不發展,我們還是要發展。但是想立刻拿出來,這個拿不出來。這個不像包餃子,這個需要一個國家,有時候需要十年,甚到更長。國外比我們時間還要長,我們要一個發展的時間。
              我們既然避開了兩個發展的瓶頸,我們還要充分發揮GEO和IGSO的利用率高的特點,我們不是搞全球系統,而是一個區域系統,我們一會可以看到這個區域系統究竟有多大。
              對于區域系統來講,我們說這兩種衛星的利用率是可以達到80%以上的,對于MEO我們國家的區域系統來講40%,差了一倍。利用率高就意味著我們可以用比較少的衛星來達到同樣的效能,這個是劃算的,投入性能比也比較好。
        在具體設計當中,經過了很多的探測,五個GEO和五個IGSO也就是十個衛星取得了滿意的效果,對于覆蓋區域大體上也接近地球的三分之一。
        作為北斗二號,期就是區域系統,第2期就是全球系統。期星座就是5GEO+5IGSO。在赤道上分布了五個紅點,就是地球同步衛星,同時在藍色的地方是IGSO衛星,紅色是不動,藍色是沿著軌道運動。
              如果說按照測距誤差是兩米的話,我們可以達到,甚到更高一點,我們估計一下這個系統究竟怎么樣?我們給了一個圖,這里分成幾種顏色,綠色、藍色、紅色,綠色里面是由數字組成的。如果是6,這個就表示24小時之內大的標準差是6米。藍色的6,這個就不是6米了,是定位精度16米,紅色6是26米。我們關心的是橙色的,為什么關心這個呢?這里有很多的藍色的符號,都是美軍在我們國家周邊的軍事基地,美軍軍事基地放在這里我們不關心行嗎?不關心我們很可能會得到和伊拉克、利比亞、科索沃一樣的結局。所以把關心的放在這里,我們基本上6米到7米的樣子,我們精度GPS也是一樣。
        剛才我們還講了,采用這種衛星是利用率非常高,充分利用了利用率高的特點,其實這不是早的方案,早的方案是采用地球同步衛星和美國GPS一樣大MEO衛星,這個方案已經上報給江澤民,而且得到了首肯。
              4GEO+12MEO效果是一樣,我們關心就是北半球,也就是說用16顆衛星還趕不上10顆衛星的性能好,就是我們重新發揮了IGSO和GEO利用率高的特點??偨Y起來就是前面的避短揚長,避開我們的瓶頸,揚長高利用率。
              區域系統有區域系統的優勢,系統級的廣域差分,這個是美國人為了降低民用精度搞的SA,這個就是人為加入軌道誤差和鐘差誤差,就是從30米降低到100米,美國民用開始測試是30米,結果達到的是20多米。但是美國軍方認為這個不行,因為民用美國人可以用,那世界其他軍方也可以用,那就是降低到100米,當時為了解決這個問題,其實也是美國先提出來的,就是差分。后發現比較好就是廣域差分,廣域差分原理很簡單,就是布測一些參考站,這些站我是精確知道的,我也是利用GPS定位,利用你不對我來反求出來衛星軌道偏了多少。為了做到這一點,需要建立差分參考站,像我們國家需要20來個。
        另外需要計算中心,還要通過注入站向地球同步衛星發射,把數據發射給衛星,地球同步衛星再告訴用戶,這個同步衛星是GPS以外的。參考站觀測衛星,通過注入同步衛星向用戶發播修正參數,精度從100m提高到5m左右。
              廣域差分有一個特點,就是區域的,不是全球的,我的用戶在監測站范圍之內用這個東西,另外是用戶級的系統,GPS系統已經建成了,如果要增強,就是進差分站搞注入中心,再發同步衛星,但是發播的信號是一樣的,所以不是原來的系統級,是一個用戶級的系統。它的功能是可以提高軌道和鐘差的精度。它只能提供參考站內的用戶,站外就不靈。你是靠站來監測衛星,求出修正值,我們說MEO衛星是東西轉的,如果轉到東邊,你東邊用戶可以看到這個衛星,但是你監測站測不到這顆衛星,因此就沒有修正值,用起來就不太好用,用戶跑到美國在我們這豪無辦法。
              美國人像歐洲搞的系統都是這樣,要建立廣域差分系統,需要建立參考站、計算中心、注入站、同步衛星,我們計算中心有了、導航系統本身有計算中心,導航系統本身有注入站,導航系統本身就有五顆地球同步衛星,因此我們就建立一個系統級的廣域差分的系統,就在建北斗系統的時候,就把廣域差分系統融在里面。一般叫做二級監測站,指的就是這個。
           應該說這是我們建成的個系統級的廣域差分系統,顯然這個投資要少的多,性能也會好的多。同時不僅僅是對一個系統,只對北斗進行廣域差分服務,因為同步衛星多,因此在信號編排格式的時候,既可以為北斗發播差分信息,也可以為GPS,同樣也可以為伽利略發播差分信息,就是有可能能夠為三個系統服務的廣域差分系統。
              同時可以為北斗全覆蓋區提供差分服務,就是我們覆蓋區是比我們國土要大的多的區域,按照一般的廣域差分你在國土內。不管用戶在東邊還是在西邊,你看到的衛星就是十顆IGSO和GEO,這十顆在國內監測站隨時隨地都可以監測,我可以為廣大的區域提供廣域差分服務,這個是以前的廣域差分系統所沒能做到的,當然只限北斗,對GPS不靈,對伽利略也不靈,也就是監測站的范圍之內,對北斗可以更廣泛一些。
        另外在建設階段可以規避一些風險,主要的技術風險就是軌道開始的時候可能測不準,我們的鐘差也可能測不準,廣域可以進行很好的修正,可以規避一時達不到設計指標所帶來的影響,達到很好的結果。正像我們前面講的,在GPS做廣域差分的時候,我們可以從100米提高到5米,我們開始做也不到于差到這個程度,從某種意義上講,這個是很主要的規避風險的的措施。
             我們講到北斗的情況,盡管是很簡略的,我們可以把北斗的特點綜合的講的敘述一下。實際上衛星導航系統是很復雜的系統,有很多方方面面的問題。
             個是繞過發展階段技術瓶頸,充分利用區域的有利條件。
             第2個是性能投入比比較高的系統。
             第三個是具有系統級廣域差分的系統,覆蓋大的差分導航系統。
              另外能夠規避主要的技術風險,具有位置報告的功能。位置報告北斗1號就具備,北斗2號繼續使用下來。位置報告就是搞GPS,如果一個車出去了,我可以知道我現在在哪?但是我家里不知道,要想讓我家里知道,那就需要通訊設備。但是作為一個系統本身,就具備這樣的功能,這個是很重要的。
        如果說我需要位置報告,需要把我的位置報告給指揮部,比如我漁船出海了,我需要把位置隨時報告給指揮部,如果有臺風指揮部會隨時告訴我,這個就很重要了。手機系統到海上都不靈了,因為沒有基站,衛星系統可以,可以通過衛星系統。但是衛星設備有多大呢?GPS用戶機手掌這么大,GPS輔助設備大很多,我說的是衛星通訊設備,而不是手機。如果沒有基站怎么辦?還有就是很重要的備份手段。
              比如說汶川地震的時候,很多通訊手段不靈了,所以中央不知道汶川震到什么程度,災情怎么樣,多大范圍都不知道。早把消息傳出來的是我們搶險部隊帶的北斗接收機,相當于短信發播出來的,這個是早得到的消息。當然也有遺憾,這種消息報了幾天就沒有了,因為沒電了。當然北斗1號耗電量比較大,這個也是不足的地方,這個也是具有優勢的地方。
               北斗是個實現三頻發播的衛星導航系統,美國人GPS現代化要增加一個頻率,為什么發播這個頻率,因為民用用處很大,只有一個頻率,消除不了電頻層。當然第三頻還有一個作用就是搜索。盡管美國人個提出來的,但是很可能我們是個實現的。美國人這么早提出來,為什么實現不了呢?這里我猜可有點原因,因為美國系統已經發上去了,壞一個發一個三頻衛星上去,要全壞了,那得壞30個。那倉庫存了十幾、二十個衛星,那些存的衛星不是第三代的,不是現代化的,因此從經濟上考慮,現在把庫存放上去,開始達到壽命期的衛星補發還不是現代化的,這樣看來可能還需要一段時間,但是我們現在就是三頻發射。
        剛才說了優勢的地方,也有不足的地方。一個是GEO衛星工作期間有斷點,按照規定GEO需要軌道微調,因為天上只有一個赤道,高度是三萬六千公尺,所有通訊衛星都擠在圓弧上,所以電聯有規定,每個衛星有一個規定,你向左、右不能偏出一度,衛星一偏0.1度,就馬上調整回來。這是按照規定要做的,這個不是我們的事,我們只是遵守。但是有一段時間會影響到定軌精度,我們能夠達到衛星導航的系統,需要兩天到三天的觀測數據,但是只要進行軌道微調,這個從現在開始就不是原來的軌道,而是新的軌道。
              對于新的軌道觀測兩天到三天的數據,你才能訂出比較準確的有滿足條件。那這三天你衛星怎么辦?這衛星不能用了,這就是一個問題。
        對于這個問題,現在的辦法就是快速定軌,就是精度差這么一點,但是我也能用,而且這個工作還再繼續進行,我們爭取更短的時間,使得工作的斷點盡量縮短。我們通過系統級廣域差分,新軌道廣域差分不需要很長的時間,很短時間就可以測出來,甚到幾秒鐘就可以測出來,這時候一旦發生軌道微調,我就可以用這套系統及時發布修正值,這個需要更高的數據更新率,原來就不太適用,這個是可以解決的技術。
        第2位置報告或者短信通信含有小功率的發射,這個比北斗1號壓縮更短了,而且資源有限。我們在北斗1號宣傳的時候講,通訊可以進行短報文,用戶真的發展起來,你會發現不夠用。那時候說是150萬/小時次服務,但是我們時間每小時的數還除3600秒,就是每秒可以服務多少,這樣的容量大家都用,都用就塞滿了,就服務不了。北斗2號同步衛星5個,另外在報文上可以做點文章。
              還有一個問題,因為發射功率,就容易暴露。從軍事來講容易被對方偵查到,或者有被偵查到的可能。再有就是功耗體積都不容易下來,解決辦法就是按需求分配。并不是所有的用戶都需要報告,并不是所有的用戶都需要短信,你不必都拿這種接受器,也不必都生產這種接受器,而且我也不是每秒都來發報,或者每分鐘都報告,你汽車跑出去了,三五分鐘報告一次足夠了,有的甚到半小時都沒有動。比如我指揮全球的系統,就沒有必要幾秒鐘報告一次,這個也是按需求分配。另外合理的控制和利用資源,這個資源是有限的,就是怎么樣合理的控制。
              比如普遍的短信不能發了,這個不是笑話,真有這種事。還有局部地區功率增強遜于GPS,我在天津地區的信號可以增強,GPS可以增強30分貝,我們只可以增強15分貝的樣子,我們抗干擾能力不如GPS,這個等待二期工程的改進。
        還有就是一些技術細節和銜接的問題,作為一個復雜系統,需要發現和改進的磨合期,請大家耐心一點,不是系統發在天上就達到系統指標,對于復雜的系統不大容易做到這一點。我們的技術指標是按照美國GPS差不多的指標來定的,但是美國人從發射衛星開始,到達到所謂的技術指標,是發展二三十年,一開始就沒有這個精度,也沒有這個性能,所以對于各級領導和級別用戶要有耐心。
              當然也有性急的同行,去年我就聽到這樣的報告,就是北斗和GPS放在一起比,北斗不如GPS,這個話不是這么說的。我說你做實驗的時候,北斗做實驗的時候有幾顆,他說有5顆,如果用GPS相比,你用GPS12顆衛星和北斗5顆比,這個怎么對比?這個就是年輕同志太性急,如果對比我建議放在見面,這種實驗做的很有意義,但是不能用來對比,而是證明北斗系統可以工作的,到于精度以后再說。
              也就是說北斗系統不會像GPS這么成熟,也就需要一定的磨合期。我認為優勢的地方和不足的地方都如實報告給大家。
              我們2020年要搞全球系統,北斗2號的二期工程,我們區域增強的全球系統,全球都可以導航,就是在我所關心的區域的精度好、性能好超出其他地區。因為軍用、民用都是我國在內的較大的區域性,我們增強就是把類似于GPS的系統,比如27顆MEO全球轉的衛星,又把IGSO和GEO加起來了,這樣就是兩個區域星座的疊加,這個性能要好多了。比如說GPS衛星27顆我可以全都看到,再疊加這8顆衛星我就可以看到35顆衛星。
               星際鏈路示意,我們衛星對衛星進行測距,這樣就構成一個高精度的多面體,我監測站觀測可以看的見的衛星,中心站對諸衛星進行定軌,這就是一種方式。
        此文關鍵字:北斗衛星導航系統   北斗衛星接收機   北斗導航產業   許其鳳院士

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