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科学讲堂 | 北斗:献给世界的中国智慧
送交者: 你好毒[♀★★★★ヾ嘟嘟ヾ★★★★♀] 于 2021-05-02 12:42 已读 296 次 3 赞  

你好毒的个人频道

2020年7月31日,北斗三号全球卫星导航系统正式开通。今天的北斗三号,已经开始为全球上百个国家上亿用户在智慧城市、交通运输、减灾救灾、农林渔业、气象环境等方面提供多样化的服务。 6park.com

4月24日是第六个中国航天日,首都科学讲堂邀请到北斗重大专项工程副总设计师、北斗三号卫星首席总设计师谢军,为我们讲述中国北斗卫星导航系统从无到有,从试验到组网,从区域到全球的奋进飞跃之路,展望北斗导航系统服务中国、泽沐世界的美好前景。 6park.com

主讲嘉宾: 6park.com

谢军 6park.com

北斗重大专项工程副总设计师、北斗三号卫星首席总设计师
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时空基准服务: 6park.com

最重要的空间基础设施 6park.com

说到北斗,首先要说一下北斗是干什么用的。时空基准是最重要的空间基础设施,提供时空基准服务,也是我们建立北斗的目标和使命。 6park.com

时间、位置、物质是宇宙的三要素。时间与空间应该是人类一切活动的基础。宇宙,宇描述的是空间,宙描述的是时间。
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作为一个科学研究定义来讲,时间就是人类用于描述物质运动过程或者事件发生的一个参数,是7个基本计量单位之一。空间是物质存在的一种客观形式,由长度、宽度、高度表现出来,要描述这种形式一定要有一个坐标系。时间与空间是宇宙万物的基本属性,是人类一切活动的基础。其中,定位、导航、授时是最基本的任务。 6park.com

定位是精确确定用户或物体在某一标准坐标系下的位置和方向。导航是在精准知道用户或物体在当前位置和目标位置的基础上,确定用户或物体从当前位置到达目标位置的行动路线、方向和速度。 6park.com

定位是对固定位置点而言的,允许较长时间的观测,观测数据可事后处理,提供标准坐标系下的绝对坐标。而导航是对运动点而言的,是对位置点变化进行引导的过程,观测时间短,观测数据要实时处理,提供相对参考位置的相对坐标。定位是导航的基础。 6park.com

授时是利用广播的方式传递标准时间的过程或技术。目前,常用的授时方式有语音授时、网络授时、短波授时、长波授时、卫星授时等。 6park.com

卫星导航技术则是采用导航卫星作为空间位置和时间基准,通过卫星发射的无线电导航信号,为地球表面、海洋及近地空间用户提供高精度的空间位置和时间参数,确定用户在相应时空参考系中的三维位置、速度和时间的技术。 6park.com

卫星导航利用的是无线电的信号,所以一定要有无线电的接收机才能享受到它的服务。这个技术具有非常广阔的应用前景,也代表着一个国家的科研实力、工业基础,更是航天进步的标志,世界上主要的航天国家都在这方面投入了巨资。美国的GPS最早进行规模化的建设和应用,接着是俄罗斯的GLONASS。GLONASS运行的时候由于卫星寿命时间短一些,一度出现服务的不稳定性。接着就是中国的北斗,我们从1994年开始立项,正式启动工程建设,一路走下来,一张蓝图绘到底,今天已经成为世界的一流。四大卫星导航全球服务的供应商还有欧洲的galileo,日本和印度也在建区域的系统。 6park.com

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卫星导航就像我们日常生活中的水、电和网络,是一种基础设施,并因其统一、精确、易用的独特优势,已成为当今最重要的定位、导航、授时手段。提供时空基准服务,正是建立北斗的目标和使命。 6park.com

全球导航的中国方案: 6park.com

从北斗一号到北斗三号 6park.com

1958年5月17日,毛泽东主席在中共八大第二次会议上明确提出,“我们要搞人造卫星”。10年后的1968年,中国空间技术研究院成立。1970年4月24日,我国第一颗人造卫星“东方红一号”成功升空,在空中播放了《东方红》乐曲。自2016年起,将每年的4月24日设立为“中国航天日”。 6park.com

上世纪60年代,我国就开始了自主卫星导航系统设计工作。1983年,陈芳允院士基于此前在无线电测控方面的研究实践提出:能不能用两颗卫星,在实现通信传输功能的同时实现测量功能,以“一星多用”的方式,解决我国有无导航卫星的问题。就这样,中国卫星导航事业在一场关于“双星快速定位通信系统”论证工作中拉开了大幕。 6park.com

北斗一号到北斗三号,分别对应了北斗“三步走”发展战略:北斗一号服务中国,解决有无;北斗二号服务亚太,追赶国外;北斗三号服务全球,比肩超越。到今天,我们整个系统的运行非常稳定,设计的功能和性能相符,实现了“中国的北斗,世界的北斗,一流的北斗”的目标。 6park.com

北斗一号是我国卫星导航发展史上一个里程碑事件。20世纪60年代,在我国航天科技基础非常薄弱的时候,就已经有了要发展卫星导航的规划。最早的卫星导航系统设计不是北斗,而是“灯塔一号”。整个系统在技术体制上采用的也和北斗,以及国际上GPS、GLONASS、galileo采取的技术体制不一样。它是通过卫星发射的无线电信号在运动过程中产生的频率变化情况,基于多普勒频移完成测速。后期的工作进展情况不错,但受限于当时国家财力、物力和科技发展水平,1980年该计划搁浅。 6park.com

导航卫星建设后来得以重新启动,得益于“两弹一星功勋奖章”获得者陈芳允先生。1983年,陈芳允院士基于他在无线电测控方面的研究实践提出,能不能用少量的卫星,也就是两颗卫星,在完成通信和传输功能的同时完成测量的功能,解决我们国家有无导航卫星的问题。 6park.com

经过一系列论证之后,1994年,根据整个在通信卫星实验的情况,北斗一号卫星定位工程正式立项。一个航天工程的实施,前期要做大量的基础工作,因为项目一旦启动实施,对于它的经费要求、建设速度和预期目标是非常明确的。如果不进行科学的论证就盲目实施,可能后面会带来很大的经费浪费,也会影响人才队伍建设。 6park.com

2000年的10月31日,经过关键技术的攻关,解决基础的问题后,北斗一号第一颗卫星成功发射,12月时又发射了第二颗卫星,实现了双星定位的服务。北斗一号有多少颗卫星?双星定位系统从服务的角度来说,有两颗卫星就够了,但从服务的可靠性,对用户负责的角度来说,早期我们建了三颗卫星,两颗卫星正常提供服务,一颗卫星在天上备份,发生异常的话可以互相替代。2007年,又发射了第四颗北斗一号,接替前面在轨的北斗一号的卫星。 6park.com

2000年-2007年,北斗一号发射了四颗卫星,很好地实现了为大众提供导航定位服务的功能。2010年10月,北斗一号完成了历史使命。虽然有的北斗一号卫星还可以工作,但从整个过程规划来看,北斗二号在功能上完全覆盖了北斗一号具有的有源定位和无源导航,可以完全替代北斗一号的功能,也具有了与国际卫星导航系统相兼容的定位。 6park.com

北斗一号是我们国家卫星导航系统发展的里程碑事件,以较小投入、较短时间,独立自主地开展了导航定位的技术试验,这在国际上是第一次。 6park.com

北斗一号在卫星技术上有很大的突破和创新,推进了我国三轴稳定的卫星平台技术的发展。北斗一号验证了重要的展开式太阳翼,以及感热电池片等国产化的技术,解决了芯片大功率热辐射产品的温度控制难题。北斗一号为我国后续卫星事业发展奠定了一个很好的基础。2003年,北斗一号导航定位卫星获得国家科学技术进步一等奖。 6park.com

北斗二号在北斗一号的基础上规划出了北斗系统发展的“三步走”战略,坚持自主开放、兼容渐进地发展,先服务区域,再服务全球。服务功能也从解决基本的导航服务,到拓展服务、特色服务,成为我国为全球公共系统提供的一个基础设施。同时,在服务质量和性能上比肩世界一流的先进空间系统。北斗二号把有源定位、无源导航、短报文通信功能结合在一起,国外是多个系统来做,而我们是一体化的空间段设计,成为世界区域卫星导航系统的建设典范。整个空间的轨道设计非常有特点,我们有静止轨道卫星,有同步轨道卫星,也有跟GPS、GLONASS、galileo一样的中轨道卫星。 6park.com

静止轨道是指相对地球上的人来说,卫星的位置是固定的;同步轨道是指卫星的运行轨道时间和地球一样,都是24小时;人在地球上一天是24小时,那这个卫星的运行轨道也是24小时;中轨道卫星属于地球非同步卫星,北斗系统的中轨道设计的是12小时的轨道周期,每天围着地球绕2圈。 6park.com

北斗二号在卫星上首次实现了我国天基时空基准技术,把时间台账和位置台账搬到天上,突破了长寿命、高可靠导航卫星平台技术。如2010年1月17日发射的北斗一号第一颗卫星的设计寿命是8年,但至今仍在轨工作。在卫星运行期间,能够将温度变化控制在±0.5℃的范围内,高精度、高稳定度的热控技术也是北斗二号卫星的重要创新点之一。更重要的是,北斗二号打破了国外技术垄断,实现了星载铷原子钟技术自主可控。 6park.com

在北斗二号系统建设的过程中,两颗运用了新技术的卫星完成了相应的试验,为后期建设提供了良好的基础。2010年-2012年,完成了5颗静止轨道卫星,5颗同步轨道卫星和4颗中轨道卫星发射任务,共14颗卫星。2012年12月27日,北斗二号正式开通运行。2016年,北斗二号卫星工程获得国家科学技术进步特等奖。中共中央、国务院、中央军委对北斗二号卫星导航系统开通服务给予了高度肯定,指出系统建成并投入使用,是国家和军队信息化建设的重要里程碑,标志着我国在建立自主可控卫星导航系统的进程中,又迈出了一大步,意义重大,影响深远。 6park.com

根据“三步走”战略规划的蓝图,2009年12月,在北斗二号首颗卫星正式发射前,北斗三号项目正式启动,中国北斗必须从区域走向全球,北斗团队开启了从并跑到领跑的新征程。 6park.com

2015年9月前,我们有5个试验卫星进行了新技术体制的验证,主要是在星间链路、核心器部件国产化和新的技术体系方面完成了可靠性方面的任务。从2018年11月起,我们就在不停地对北斗三号全球导航、定位、授时的功能进行测试和验证,同时有一批用户参与评价。2018年至2020年上半年,测试结果表明,随着卫星的不断增加,系统的性能稳中有升。 6park.com

北斗三号全球系统由“3GEO+3IGSO+24MEO”卫星组成混合星座,通过星间链路等手段实现全球服务。我国率先提出了国际上首个高中轨道星间链路混合型新体制,形成了具有自主知识产权的星间链路网络协议,自主定轨、时间同步等系统方案,填补了国内空白;研发国内首个适用于一箭多星直接入轨卫星平台,建立了器部件国产化从研制、验证到应用的一体化体系,让核心器部件长期依赖进口、受制于人的局面,被彻底打破。同时,国产化铷原子钟也从最初30万年误差1秒,提升到300万年误差1秒,创造了中国精度新的纪录。 6park.com

2020年7月31日,习近平总书记宣布北斗三号全球卫星导航系统正式开通的仪式。从此,北斗系统进入了全球服务的新阶段、新时代。 6park.com

26年,44箭,59星,北斗走完了全球组网之路。中共中央、国务院、中央军委又一次发来贺电,对工程全线始终秉承航天报国、科技强国使命情怀,团结协作、顽强拼搏、勠力创新、攻坚克难,成功克服新冠肺炎疫情影响,提前完成系统建设给予了充分肯定。整个工程凝结着一代代航天人接续奋斗的心血,饱含着中华民族自强不息的本色。 6park.com

北斗三号在国际卫星导航系统中独具特色。我们可以提供六大星基服务,还有地基服务。六大星基服务包括三种全球服务,即定位导航授时、全球短报文通信、国际搜救;三种区域服务,即星基增强、精密单点定位、区域短报文通信。基本导航服务定位精度水平优于6米,高程约优于8米。 6park.com

区域短报文通信支持低容量随遇接入,具有每小时1000万次短报文服务能力,可传输1000个汉字,成功率大于95%。全球短报文通信可传输40个汉字,时延小于60秒。 6park.com

星基增强能够为民航等涉及到人的生命安全的领域提供高安全、高可信的服务。北斗三号 3 颗GEO卫星,按照国际民航组织要求,为我国及周边地区民航 I 类精密进近提供完好性服务。 6park.com

精密定位服务是北斗特有的高精度服务,相对地基服务来讲,它的服务面更广。目前,我们的精密单点定位精度是0.36米,后续还有不断提高的可能性。如果将北斗和GPS联合起来使用,能够提到0.2米。 6park.com

从应用的角度来讲,由于卫星导航系统北斗系统是基础设施,因此应用领域非常广泛。其中,“导航定位”“导航定位+短报文位置报告”“导航定位+星基增强”是应用的三种基本模式。基于这三种基本的服务模式,可以派生出各种应用的终端。特别是北斗特有的短报文通信功能,在抗震救灾和公共安全的特殊事件中应用得非常好。在大众消费和民生领域,我们也在广泛地渗透,相应的终端企业也在开发一些穿戴式的设备。北斗卫星导航的应用,如同我们日常生活中的水和电,在大家周围无时无刻不在服务着人类的生活。
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说到北斗卫星导航系统的关键技术创新,不得不提的是星载原子钟的技术攻关。 6park.com

原子钟是世界上已知的最精确的计时仪器。每个原子都有一个原子核,核外分布着高速运动的电子。当原子从一个能级跃迁至另一个能级时,原子以光量子或电磁波的形式辐射或吸收电磁能量。随着量子物理与波谱学的发展,科学家们认识到:如果将原子或分子内部高度稳定的跃迁能级作为频率参考,通过锁定晶振或激光器的频率,将可获得更高精度的时间频率标准信号。 6park.com

我国的原子钟研发起步于20世纪60年代,但都是在地面进行研制工作。北斗一号利用的是通信卫星的原理,就像“镜子”一样,下面发一个信号,它反射下来就可以,整个时空基准都是建立在地面的。星载原子钟的研发成为了决定整个工程能不能继续往前走的关键技术。 6park.com

在铷原子钟研制过程中,想长期监测频率并绘出测试曲线非常难。刚开始测试时,发现铷钟输出信号存在突跳等问题,就像人的心脏跳动不均匀一样。为了解决这样的情况,我们不断地进行物理部分的改进,电路部分监测控制的改进。每台上天的铷原子钟,在地面至少会进行30天的真空罐的测试,我们对物理部分有很长时间的考核,还会进行相应的力学和振动等一系列实验,为的就是保证上天12年的铷钟是稳定的,不发生跳动的现象。这个工作需要有恒心,有理论的基础,有科学的工作方法和试验方法。经过大家的集智攻关、砥砺奋进,2007年4月14日北斗二号试验星终于装上了我们自己的星载铷钟,装上了“中国心” ! 6park.com

星载铷钟研发过程非常不容易,这里面有科学家的智慧、有工程师的坚韧、有制造者的精益求精、有各级管理部门和保障部门的大力协同、无私奉献。此后在国内各研究单位的共同努力下,星载铷钟的性能指标在10年里又提升了10倍,达到国际先进水平。 6park.com

不忘初心,赓续奋斗: 6park.com

新时代北斗精神的形成与弘扬 6park.com

建设北斗卫星导航系统,大家目标一致,团结协作,互相配合。我们所有的坚持都是为了保证整个工程的质量,是对科学研究的一种坚持。北斗系统在科学上、工程上取得了丰硕成果。参与工程研制的人员不忘初心,共同铸就了“自主创新、开放融合、万众一心、追求卓越”的新时代北斗精神。 6park.com

自主创新。陈芳允先生最早基于中国科技工业的基础提出的双星定位就是一种创新。国外是多颗卫星才能完成这样的功能,我们提出了用少量的卫星实现同样的功能。我们也把这个思想落实在了北斗二号、北斗三号的研制过程中。我们坚持通信与导航,通信与定位结合。我们率先提出了国际上首个高中轨道星间链路混合型新体制,发挥了各种空间轨道资源的特点,形成了具有自主知识产权的星间链路网络协议,自主定轨、时间同步等系统方案。研发了国内首个适用于一箭多星直接入轨卫星平台,建立了器部件国产化从研制、验证到应用的一体化体系。 6park.com

国外的工程建设采用的是全球布站。而我们为了保护地面的资源,受条件限制,只是在国内布站,对于其他见不到的卫星,通过星间链路,实现星上和星上的卫星手拉手对一颗卫星的精确测量,并能够通过它传递到另外的卫星。这个传递过程在技术上能够做到无损传递。通信控制也是通过可见的卫星来对其他的卫星实现控制,全球短报文的传输都是通过星间链路做的。我们还很好地解决了时延的问题,这一系列技术体制和建设思路充分彰显了中国智慧。 6park.com

开放融合。北斗卫星导航系统在技术体系、星座设计、应用模式方面都是开放融合的。在国际服务方面,我们和美国的GPS进行了兼容互操作的协商,资源服务互不干扰。我们跟俄罗斯也已经完成兼容互操作,与欧洲的兼容互操作的工作正在进行中。每年召开的中国卫星导航年会,都会邀请国外的专家以及卫星导航管理部门进行交流,充分体现了北斗是一个全球的基础设施,是中国人为全球公共基础设施作出的一个贡献。 6park.com

万众一心。参与建设北斗工程建设的单位非常多,包括卫星系统、火箭系统、地面系统的工作人员,也包括像孙家栋院士那样的工程设计师、我这样身份的卫星总设计师和产品设计师,以及做原材料、元器件的工作人员,也包括学校的老师和提供理论模型的基础工作者。我们团结协作,发挥举国优势,攻艰克难,万众一心,将北斗星载产品的国产化率,由原来80%左右提升到现在的100%。卫星上所有的产品都是我们自己生产出来的,包括核心器部件。多家产品提供单位也提供了非常重要的支持,保证密集发射系统能够有足够的供应链资源。 6park.com

追求卓越。我们提供的服务一定是一流的服务,我们采用的技术一定是先进的技术。北斗系统在四大卫星导航系统里是名列前茅的。航天讲究从源头抓起,从过程控制抓起,只有早期打好基础,后期严格控制,最后的结果才能圆满。严慎细实,才能确保结果万无一失。为了进行高精度的测试,哪怕出现了1纳秒的差距,我们也会通过比对多个产品,认真查找原因。在操作过程中,关键部件每次进行连接时都要确认状态。因为这个状态一旦闭合,以后就再也不能检查了。用户满意、任务圆满成功,才是硬道理。 6park.com

新时代北斗精神集中反映了中国航天人站在国家安全和民族利益的高度,坚持自主可控、实现不再受制于人的坚强意志、瞄准一流、实现超越发展的坚定决心,是航天精神在新时代丰富发展的生动实践。 6park.com

仰望星空,服务全球: 6park.com

北斗系统未来可期 6park.com

如今,北斗卫星导航系统已融入国家核心基础设施,广泛应用于交通运输、农林渔业、水文监测、气象测报、通信电力、救灾减灾、公共安全等领域,产生了显著的经济和社会效益。基于北斗的导航服务,已被电子商务、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和民生领域,改变着人们的生产生活方式。
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按照“系统相互赋能、体系融合发展”的思路,未来,北斗将加强与5G、大数据、人工智能等技术的融合发展,为我国智慧社会的发展提供强大支撑。 6park.com

“十四五”规划和2035年远景目标纲要中明确,面向服务国家重大战略,要实施北斗产业化等重大工程,推进重大科研设施、重大生态系统保护修复等项目建设,突破通信导航一体化融合等技术,建设北斗应用产业创新平台,在通信、金融、能源、民航等行业开展典型示范,推动北斗在车载导航、智能手机、穿戴设备等消费领域的市场化规模化应用。
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新技术、新环境和新要求对北斗系统的发展提出了要求。现在的卫星是朝着地面辐射信号,虽然可以通过地球把信号再传过去,但卫星导航目前在水下、室内和深空的使用中具有一定的局限性。除了要把现在的混合星座做得更好,还得有一些新的理念。我国提出了构建国家综合体系的目标,这是一项非常重要的基础工作,要在工程设计和系统建设中运用智能架构的思想。
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下一步,北斗系统将致力于打造天地一体化的时空基准网和导航信息服务网,建设“基准统一、覆盖无缝、高效便捷、安全可信、智能精准、弹性互备”的国家综合PNT核心体系,提供“更精、更强、更广、更智”的服务。 6park.com

习近平总书记提出,探索浩瀚宇宙,发展航天事业,建设航天强国是我们不懈追求的航天梦,航天梦是中华民族伟大复兴中国梦的一部分。中国北斗人将继续秉承“中国的北斗,世界的北斗,一流的北斗”的发展理念,不忘初心、不负韶华,接续奋斗、砥砺前行,筑梦新北斗,筑梦新时代。
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