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北斗导航全球组网最后一颗卫星发射成功

2020-06-24 13:00:00
北斗导航全球组网最后一颗卫星发射成功

6月23日,第55颗北斗导航卫星在西昌卫星发射中心,搭载长征三号乙运载火箭成功发射。这也是北斗三号最后一颗全球组网卫星,至此北斗三号全球卫星导航系统星座部署全面完成,与美国全球定位(GPS)系统、俄罗斯格洛纳斯(GLONASS)成鼎立之势。

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6月23日9时43分许,由中国航天科技集团有限公司五院抓总研制的第55颗北斗导航卫星,在西昌卫星发射中心搭载长征三号乙运载火箭成功发射。


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这颗卫星为地球静止轨道卫星,距离地面约36000万公里,除了通常发送导航信号外,该卫星还将提供双向短报文通信服务。这也是北斗三号最后一颗全球组网卫星,至此北斗三号全球卫星导航系统星座部署全面完成,后续将为全球提供定位导航授时等服务。


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既延迟了,也提前了


这最后一颗卫星的发射可谓一波三折,因2次航天发射任务失利,发射时间由5月调整至6月。原定发射窗口为 6 月 16 日 10 时 11 分- 10 时 50 分,但由于技术问题,任务再度宣布推迟

在人民日报的专访中,长征三号甲系列火箭副总设计师李聃给出了解答:

“6 月 15 日晚,在进行负 12 小时发射前检查时,发现一处技术问题导致压力数据低于设计指标要求,问题排查工作开始,故障点也迅速找到。但航天人有一个最基本的原则,就是不带疑点加注,不带隐患上天。因此,经北斗工程指挥部慎重研究后决定推迟发射。”

虽然比预定时间推迟了一周执行发射,但升空数小时之后就顺利进入预定轨道,并打开了太阳能电池板。北斗全球卫星导航系统星座部署提半年全面完成


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新华社称,“这一由我国自主建设、独立运行的全球卫星导航系统,将为全球用户提供全天候、全天时、高精度的定位、导航和授时服务。 。

作为全球四大卫星导航系统,北斗三号不只是一个出色的导航,其具有的强大系统功能和一系列特色服务,让它从其它卫星导航系统中脱颖而出,展现了一个国家的综合实力。


打破美俄垄断


北斗三号系统是我国自主建设运行的全球卫星导航系统,由24颗中远地球轨道(MEO)卫星、3颗地球静止轨道(GEO)卫星和3颗倾斜地球同步轨道(IGSO)组成。它是全球唯一由3种轨道卫星构成的导航系统,也是全球首次实现混合的异构星座,美国的全球定位(GPS)系统和欧盟的伽利略(Galileo)都是地球中远轨道卫星。


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北斗三号全球卫星导航系统星座的部署完成后,也成为继美国GPS系统、俄罗斯格洛纳斯(GLONASS)系统之后第三个成熟的卫星导航系统。北斗、GLONASS和GPS鼎足而立, Galileo虽然也是四大“全球系统”之一,但和其他三个的用户数量级差距较大,而且从去年7月份以来就面临全面崩溃的局面。


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公开资料显示,美国GPS系统是建成时间最早、民用市场最成熟的全球卫星导航系统。GPS于1958年开始建设,1964年投入运行,1994年24颗GPS卫星星座己布设完成,全球覆盖率高达98%,主要目的是为陆海空三大领域提供实时、全天候和全球性的导航服务,并用于情报搜集、核爆监测和应急通讯等一些军事目的。

而GLONASS由苏联于1976年启动,后由俄罗斯继续该计划,并于1996年完成24颗GLONAS卫星的布局,系统具备完全工作能力,系统构成和工作原理类似GPS。欧盟的Galileo系统是欧盟为了打破美国在卫星导航领域的垄断地位而研发的国际民间主导的卫星导航系统,其目的是建立共享的、独立于GPS的、适于海陆空的卫星导航系统。

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2020年3月,美国空军作战司令部司令詹姆斯·霍姆斯将军在一次研讨会上承认,美军U-2侦察机已将中国的北斗卫星导航系统作为备用系统,供飞机在GPS失灵时使用。


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据了解,美国U-2侦察机飞行员长期以来,使用世界上最先进的尖端技术在地球大气层边缘飞行,但他们个个都随身携带一个高科技小工具:一种特制导航手表。中国的北斗卫星导航系统正是被美军U-2飞行员戴这款特制导航手表采用为备用系统,以便在GPS受到干扰时为他们提供紧急备用导航。这块手表也能连接俄罗斯GLONASS和欧洲的Galileo系统。



北斗三步走


北斗是我国迄今为止规模最大、覆盖范围最广、服务性能要求最高的巨型航天系统,从确定战略至今已有近 30 个年头。

由于GPS的建设早于北斗20余年,已渗透入我们生活的方方面面。然而对GPS产生过度依赖,一旦GPS停止对国内的服务,将会造成灾难性的后果,尤其在军用层面。而在民用层面,上至航空航天,下至工业、农业、渔业和日常生活等也都依赖于卫星。此外接收信号所需要的GPS芯片、GPS设备的生产商、GPS导航软件等等,均需缴纳GPS专利费用。基于以上考量,无论从国家安全或者经济角度,拥有自主独立的卫星导航定位系统为重中之重。

所以在20 世纪 80 年代,我国便开始探索、建设卫星导航系统,确定了“三步走”发展战略,主要是指:

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2000年底,建成北斗一号卫星导航系统:试验验证系统,向中国提供服务;

2012年底,建成北斗二号卫星导航系统:区域导航定位系统,向亚太地区提供服务;

2020年,建成北斗三号卫星导航系统:全球导航定位系统。

北斗一号系统的攻关研究,始于 1994 年。在 2000 年和 2003 年前后共发射 3 颗地球静止轨道卫星后,系统得以建成并正式投入使用。

中国自主卫星导航系统的从“无”到“有”,打破了美国、俄罗斯的垄断地位。

2004 年开始进入北斗二号的历史阶段,如果说第一代北斗是伟大的尝试,那么第二代则做出了显著的改进。

2019 年 5 月 17 日,也像今天一样值得被记住——第 45 颗北斗卫星、北斗二号第 4 颗备份卫星搭载长征三号丙运载火箭成功发射,北斗二号导航系统建设圆满收官。

实际上,就在第二代北斗创造历史之际,第三代北斗的建设也于 2009 年拉开帷幕。

第三代北斗有两个高光时刻:一是 2018 年 11 月 19 日,长征三号乙运载火箭在西昌卫星发射中心“一箭双星”,第 42、43 颗北斗卫星成功发射,北斗三号基本系统完成建设;二是2020年6月23日,同一架运载火箭、同一个发射中心,北斗三号最后一颗全球组网卫星点火升空。

从北斗二号到北斗三号,不仅仅是卫星数量的增加,而是将服务区域从局部扩展到全球,并实现与GPS、GLONASS和Galileo的兼容互操作,精度也从区域系统的10米精度提升到了2.5-5米。

另外,星载的时频就是导航卫星最根本的指标。举个例子,机器表的时间是有误差的,每一天可能会偏差一秒;石英表可能好一点,每一天偏差在0.1秒;而铷原子钟每一万秒的偏差在十乘以负十四次方,氢原子钟精度更高,万秒偏差在十乘十的负十五次方秒。

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北斗三号卫星配备了更高精度的氢原子钟和铷原子钟。



卫星上天的重要意义


历经 26 载终于完成的全球卫星导航系统星座部署全面完成,究竟会带给我们多大的影响,还需从每一代北斗各自的表现说起。

北斗一号系统是主动式双向测距二维导航,能快速确定目标地理位置,向用户及主管部门提供导航信息。

2008 年汶川地震抗震救灾期间,救灾部队携带 1000 多台“北斗一号”终端机,不断从前线发回灾情报告,为指挥部提供了重要信息支援。

但也正是受到这一工作原理的限制,北斗一号在定位时失去了无线电隐蔽性,不能满足军事需求;另外由于设备必须含发射机,其体积、重量、价格和功耗等有很大的提升空间;此外,北斗一号无法覆盖两极地区,赤道附近定位精度差。

北斗二号系统解决了上述不足,而且并不只是第一代的简单延伸,能够提供海、陆、空全方位的全球导航定位服务。

中国全球定位系统技术应用协会咨询中心主任曹冲研究员曾表示:

“北斗二号就是国产 GPS,只要现在 GPS 应用的地方,我们的北斗二号就能应用。”

值得一提的是,2005 年测量珠峰高程时,测量队进行 GNSS 卫星测量主要依赖的是 GPS 系统。而今年,测量同时参考了北斗、GPS、欧洲 GALILEO 和俄罗斯 GLONASS 四大全球导航卫星系统,并以北斗的数据为主,可见北斗的精度和可靠性完全不输 GPS。

在应用方面,北斗二号系统最典型的民用场景便是车载导航仪。这一领域中,GPS 占据着很大的市场份额,而北斗的入局,必将改变这一局面。

北斗三号卫星导航系统主要提供两种服务:

开放服务:可在服务区中免费提供定位、测速和授时服务,定位精度为 10 米,授时精度为 50 纳秒,测速精度 0.2 米/秒;

授权服务:可向授权用户提供更安全的定位、测速、授时和通信服务,以及系统完好性信息。


你手机导航时,可能就在用“北斗”

导航的核心功能其实就是定位和授时,如果一个国家的时间和空间基准信息全部由他人来提供,那么无论是军事、通信还是金融等都将面临巨大安全隐患。

所以北斗在军事上的应用是最为迫切的。导航主要用于部队机动、武器发射、边防巡逻和生命救援等,这就要求导航的过程中必须能够实时提供载体的位置、速度、姿态等状态信息,如果这些信息发生偏差,就相当于武器装备没有了眼睛、部队失去了方向。

军用方面,目前北斗导航终端为北斗一号、北斗二号产品,2020 年下半年,军用北斗三代终端产品也将进入供货阶段。

民用方面,随着 5G 商用时代的到来,北斗必将广泛应用于各个行业领域,从测绘、渔业、公安、农业、机械,到智能网联汽车、民航、海洋观测等。北斗系统能够为这些场景提供精确的时间、导航、所处位置的监测,以及短报文通信等服务。

尤其在交通运输上,北斗系统可以为车辆提供实时的位置和速度信息,在车辆行驶过程中,车内的北斗终端设备可以记录行车信息,得出车辆行驶的里程、速度、行车时间、路线等信息,防止出现超速或疲劳驾驶等危害安全的违规驾驶情况发生。

23日,高德方面透露,目前大部分手机的芯片都支持多个卫星定位系统,80%的手机芯片支持北斗,在这些手机上使用高德地图,即可使用到北斗系统的定位服务。

高德介绍,常规的卫星定位只能实现10米精度,北斗在出行领域的另一个应用场景是高精定位,以采用了高德高精定位的汽车AR导航为例,当用户出行时,可以知道何时并线,走哪个车道。

数据显示,截至2019年12月,国内已有超过660万辆(666.57万)道路营运车辆、5.1万辆邮政快递运输车辆、1356艘部系统公务船舶、8600座水上助导航设施、109座沿海地基增强站、300架通用航空器应用了北斗系统

在首架运输航空器上也安装使用了北斗系统,实现了零的突破。

交通部还将持续推动北斗系统的国际化应用。在国际海事组织框架下,我国成功推动北斗系统纳入全球卫星搜救系统。

交通部等部门还将持续开展,北斗短报文服务系统,加入全球海上遇险与安全系统(GMDSS)工作,推进中俄北斗-格洛纳斯国际道路运输应用。


上游元器件自主研发

截至2019年,我国卫星导航与位置服务产业总产值达到3450亿元人民币,较2018年增长14.4%,其中北斗对核心产值的贡献率超过80%。在北斗系统提供服务一年多来,国家各个行业应用北斗的信心在增强,北斗全产业链的布局已经开启,使得“北斗+”的产业生态体系逐渐完善,其规模和国际化程度进一步提升。

长江证券指出,随着北斗全产业链所有关键元器件已经基本实现国产化。北斗导航芯片、模块、天线等核心产品性价比与国际主流产品相当。截至2019年底,我国卫星导航专利申请累计总量已突破5.4万件,跃居全球第一位。北斗导航芯片、模块、天线等核心产品性价比与国际主流产品相当。支持北斗三号系统信号的28 纳米芯片,已在物联网和消费电子领域得到广泛应用。22纳米双频定位芯片已具备市场化应用条件,全频一体化高精度芯片已经投产。

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从当前产业链各公司布局来看,业内的大型企业大都是涵盖“天线-芯片-板卡-终端-解决方案”全产业链或者部分产业链的经营模式,国防和高精度行业终端厂商都在积极布局射频基带芯片、板卡和天线等上游基础元器件。北斗板块主要上市公司,包括海格通信、振芯科技、北斗星通、华力创通和合众思壮,均实现从芯片到终端的全产业链布局。

北斗三号系统的整机包括核心器件实现自主研发,已经形成北斗基础构件、终端集成、系统集成以及下游应用服务构成的全产业链。其中卫星单机和关键元器件国产化率为 100%。

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结合我国大力推广”一带一路“倡议,成本优势和性能优势并存,北斗系统在“一带一路”沿线国家优势明显。鉴于“一带一路”沿线区域的人均GDP水平相对较低、人口众多,未来经济发展需要大量的基础建设,定位导航增长潜力巨大。由于GPS的先发优势,仍占据大片市场。

而在“一带一路”地区,北斗系统的成本优势以及性能优势明显,因此“一带一路”国家有望成为北斗海外布局的突破口,打开增长空间。据长江证券统计,截至2019年年底,国产北斗导航型芯片模块出货量已超1亿片,季度出货量突破1000万片。北斗导航型芯片、模块、高精度板卡和天线已输出到100余个国家和地区。

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