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北斗衛星導航系統:將中國時空信息掌握在自己手中

信息發布:商務部 創建時間:2021-09-09

   “2020年,北斗系統產業鏈國內產值已超4000億元,海外應用加速落地,已在全球120多個國家和地區得到應用……”5月26日,第十二屆中國衛星導航年會在南昌開幕,當中國衛星導航委員會主席何玉彬談到北斗系統的應用成績時,臺下響起陣陣掌聲。

  去年7月31日,中國向全世界鄭重宣告,中國自主建設、獨立運行的全球衛星導航系統全面建成,開啟了高質量服務全球、造福人類的嶄新篇章。

  至此,中國北斗正式登上世界舞臺,站在了我國用實際行動積極推動構建人類命運共同體的“第一梯隊”。

  走出符合國情的“北斗節奏”

  2020年6月23日上午,四川大涼山腹地,長征運載火箭托舉著第55顆北斗導航衛星“吉星”穿云而去,奔向太空。隨著“吉星”在北斗三號組網“大棋局”的落子定盤,北斗三號30顆組網衛星已全部到位,星座部署全面完成。

  1970年11月,在“東方紅一號”衛星發射后的6個月,中國第一份研制導航衛星的論證報告完成。當時已經做出樣星的導航系統,有著一個生動的代號——“燈塔計劃”。雖然最終因技術方向轉型、財力有限等原因終止,但它卻如同黑夜中的明燈,以十余年的設計和研制,為北斗衛星積累了寶貴的工程經驗。

  1983年,以陳芳允院士為代表的專家學者,提出了利用2顆地球同步軌道衛星來測定地面和空中目標的設想。經過大量理論和技術研究工作,“雙星定位”系統概念逐步明晰。

  其實,為了驗證“雙星定位”的可行性,陳芳允帶領研究小組在新疆、廣西和北京的衛星測控站,利用午夜0至2時之間兩顆通訊衛星的空余時段進行試驗。一張拍攝于1989年9月25日的照片,記錄了中國第一次成功利用兩顆衛星實現定位的功能演示。

  當時對于要不要立即啟動耗資巨大的導航衛星工程,仍有諸多因素需要考慮,認識的轉變發生在1990年。當年震撼世界的海灣戰爭在全世界的注視下打響,美國GPS全球衛星定位系統第一次以武器制導的形式大獲成功,在總結報告中,美國人將海灣戰爭歸結為“GPS的勝利”。中國與世界都從這場現代戰爭中感受到了擁有導航衛星的重要性。

  1994年2月,一份名為關于印發雙星導航定位系統工程立項報告的通知,標志著北斗一號正式上馬。這一年,已經65歲的孫家棟被任命為工程的總設計師。

  此前,美國和俄羅斯都選擇一步到位直接建造全球導航系統的模式。但早期的北斗工程科研經費、技術基礎、人才隊伍均十分匱乏,中國必須尋找一條全新的技術路徑。隨著實踐與摸索的深入,最終,“先區域、后全球”的思路被確定下來,“三步走”的北斗之路由此鋪開。參與了技術路線討論的北斗一號衛星總設計師范本堯院士后來評價說:“全球組網需要大量的時間和資金。當時用戶還集中在國內、周邊,因此‘先區域、后全球’的技術途徑更符合中國國情?!?/span>

  從1994年開始,北斗一號逐步從圖紙變成真正的衛星。2000年10月和12月,兩顆北斗一號衛星先后進入太空預定軌道,這標志著中國成為繼美國、俄羅斯之后,第三個擁有衛星導航定位系統的國家。

  剛剛擁有雛形輪廓的北斗,很快因為一項特殊任務讓人們理解它的巨大價值。2008年5月12日,汶川大地震的震波環繞了地球6圈,汶川、映秀等地的通訊瞬間中斷。數小時后,一支攜帶北斗終端的救援隊伍,通過北斗短報文技術將消息傳遞出來,北斗成為震區當時唯一的通訊方式,大大加快了救援的效率。

  北斗一號擁有其他導航系統沒有的短報文功能,恰好是因為上世紀80年代的“雙星定位”試驗是由通訊衛星完成的。

  打一場漂亮的“翻身仗”

  由于起步較晚,當北斗一號衛星升空時,地球上空80%的“黃金導航頻段L頻段”絕大部分已經被美國和俄羅斯占據。

  2000年4月17日,中國向國際電信聯盟提出頻段申請,同年6月5日,歐盟伽利略衛星導航系統也提出了申請。國際電信聯盟批準了一小段頻率供各國平等競爭,使用規則是從申請日期開始計算,7年內完成衛星發射入軌和信號接收,“先用先得”“逾期作廢”。 這意味著,剛剛起步的北斗二號必須直面一場與時間的賽跑。

  2005年北斗二號衛星的研制生產已經進入最緊張的階段,可供衛星使用的國產銣原子鐘卻依然與實際需求存在差距。

  星載原子鐘為導航衛星提供時間頻率基準,是“心臟”般重要的核心部件,它是決定衛星定位和授時精度的基礎。本打算從歐洲引進核心器部件星載原子鐘,然而國際合作道路卻屢屢受限。這也堅定了北斗人堅持關鍵技術自主可控的決心,我國組織了3家單位同時著手攻關,終于攻克這項關鍵技術!

  2007年4月14日,搭載了“中國鐘”的北斗二號系統首顆衛星發射升空。為了保住頻段,衛星必須在88小時內傳回信號,而在軌調試通常需要7天。一直等到4月17日晚8時,接收機界面突然跳動,北斗二號在發射后80多個小時之后,終于傳回了第一組清晰的信號。此時,距離國際電信聯盟規定的頻率啟用最后時限已不到4個小時。中國北斗幾乎是在大門即將徹底關閉的最后一剎那,擠進了全球衛星導航系統的俱樂部。

  至此,一路蹣跚卻勇敢向前的北斗終于開始迸發出一股磅礴的力量。從2017年11月開始,中國以百分百的成功率在32個月中發射了30顆北斗三號組網星和2顆北斗二號備份星,以月均一顆星的速度創造了世界導航衛星組網發射的新紀錄。

  今天的北斗三號繼承并發展了北斗特色的混合星座設計,擁有世界領先的星間鏈路和信號體制,全部配備國產高精度星載原子鐘,核心器部件百分百自主可控,衛星壽命10年以上,定位精度優于10米,授時精度優于20納秒,可以為全球提供定位、導航、授時、以及星基增強、地基增強、短報文通信、精密單點定位、國際搜救等多樣化服務。

  讓美好的想象成為現實

  北斗已經構成了一個環繞地球的導航星座,由30顆北斗三號衛星、15顆北斗二號衛星以及許多個試驗衛星和備份星共同在軌組成。它們各自飛行在不同高度、不同角度的太空軌道。在人們的日常生活中,使用北斗導航的場景幾乎無處不在。

  汽油和液化天然氣的輸送有著極高的危險性。我國每年通過道路運輸的危險品超過4億噸,這占年貨運總量的30%以上?;诒倍穼Ш郊夹g的終端設備全程監測車輛的精確位置,記錄行駛軌跡。當車輛偏離預定路線或出現異常時,監控中心將及時發出警報。車輛所在位置的天氣、路況、運行狀態都可以掌控,甚至實現主動干預和智能控制,有效降低潛在危險和事故危害。

  在上海洋山深水港,最新啟動的“5G+L4級智能駕駛重卡”示范運營應用了北斗系統。它的高精度導航定位實現了重型卡車一次性精準停車、近距離自動列隊行駛,提升了洋山港智能轉運效率和東海大橋行駛能力,讓人們感受到無人駕駛時代的氣息。

  北斗衛星系統的精準授時功能讓中國人把時間這一物質周期變化的規律掌握在自己手里。

  每顆北斗衛星都裝載著高精度原子鐘,通過原子躍遷計時,代表了目前人類對精準時間計算的極致。每天上午6:10,京張高鐵動車組準時出站。這是中國第一條智能高鐵,出發、過站和抵達,與列車時刻表是否相符,考驗著對時間的精準把控。在每小時350公里的最高速度下,以北斗授時為基準,京張高鐵實現運行、故障、通信和自動化程序的時間同步,列車自帶的北斗多合一天線,將列車的時間位置等信息進行實時監控。

  如今,北斗系統已全面服務交通運輸、公共安全、救災減災、農林牧漁、城市治理等各行各業,融入電力、金融、通信等國家核心基礎設施建設,與新一代通信、區塊鏈、互聯網、人工智能等新技術深度融合,不斷將美好的想象變為現實。

  打造北斗“朋友圈”

  站在全人類角度守望和平安全、為人類社會發展提供支撐保障,是中國北斗義不容辭的使命職責。

  近年來,隨著服務能力的增強,北斗系統積極融入世界事務、履行國際職責,先后進入多個國際組織標準,國際民航組織認可北斗為全球衛星導航系統四大核心星座之一。支持北斗三號全球新信號的首個移動通信國際標準已發布,首個北斗船載終端檢測標準已由國際電工委員會向全球公布,國際海事組織認可北斗系統為全球無線電導航系統,國際搜救組織正在對北斗三號搭載的搜救載荷開展標準文件制定和入網測試……

  黨的十八大以來,作為航天科技產品輸出排頭兵,北斗系統積極響應“一帶一路”倡議走出國門,根據不同國家、不同行業的不同需求,提供定制服務,逐漸成為叫得響的“世界品牌”。

  2013年,緬甸使用了500余臺高精度北斗終端,這是北斗高精度產品首次在東南亞國家批量應用于農業數據采集、土地精細管理。2015年,基于北斗系統的高精度接收機應用于科威特國家銀行總部300米高摩天大樓建設,實現了施工過程中垂直方向毫米級測量誤差。這是北斗首次在海外應用于高層建筑監測。2018年,北斗系統參與馬爾代夫阿拉赫島海上打樁項目,提供全天候、高精度服務,實現海上打樁智能化監控、可視化作業、高精度施工。北斗系統走進俄羅斯,西伯利亞電力巡線實現現場人員與管理中心雙向互動,這可以及時發現設備缺陷和危及線路安全的隱患,保證輸配電線路安全和電力系統穩定。北斗“駛入”歐洲,在中歐班列上,北斗終端裝在集裝箱上,可實時記錄列車及貨品的運行軌跡,定位精度10米以內,實現全程跟蹤無縫中轉。

  新時代,作為我國一張亮麗名片,中國北斗將不負重托,為構建人類命運共同體、推動人類社會發展作出更大貢獻。

  如今,北斗系統已全面服務交通運輸、公共安全、救災減災、農林牧漁、城市治理等各行各業,融入電力、金融、通信等國家核心基礎設施建設,與新一代通信、區塊鏈、互聯網、人工智能等新技術深度融合,不斷將美好的想象變為現實。

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