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除了手機導航,北鬥還有哪些創新應用

馮傑

2020年10月10日 02:11

李德仁 刘经南 谭述森
光明日报( 2020年10月05日 04版)

從打開地圖導航,到外賣點餐,再到車庫裏停車,現在北鬥衛星導航系統在老百姓的生活中已經無處不在。目前,全球應用北鬥系統導航的手機已經超過3.72億部。少有人知的是,助力疫情防控是今年北鬥應用的新亮點。北鬥系統在疫情防控的“武漢保衛戰”中發揮了極其特殊的作用:從火神山、雷神山醫院的建設應用到方艙醫院的改造,從醫療物資的調配到生活用品的保障供給,從病毒的流行病學調查到武漢健康碼的應用都有北鬥的身影。國慶前夕,中國北鬥應用大會在湖北武漢舉行,李德仁、劉經南、譚述森三位院士分享了北鬥的諸多創新應用。

中国科学院、中国工程院李德仁院士:北斗系统精准助力疫情防控   

PTN的概念,包括定位、導航、授時服務。一般指基于統一時空基准網絡和不同通信網絡,能獨立或與移動終端結合,爲各類用戶提供實時動態及空間位置和授時的綜合信息服務,又稱導航位置服務。北鬥三代系統就是提供全球PTN應用服務,特點是信息已經從120個漢字擴展到1000個漢字,實現厘米級以上的高精度定位。

今年,北鬥系統精准助力湖北的疫情防控,比如火神山、雷神山醫院選址,醫院的物資、生活物品的調配,包括無人機送東西,還有醫院送藥的機器人,都用到了北鬥系統。老百姓停車也都用到北鬥導航定位,通過設備的衛星定位、室內的傳感器和信號的定位在手機上實現融合的綜合定位。

疫情期間,武漢還應用北鬥系統和交通大數據,建立了武漢的智慧城市交通系統,實現對350萬到450萬輛汽車,6萬多條道路的有效管理。今年還利用北鬥技術做了一個疫情跟蹤軟件,在手機上自動生成健康碼。可以說,北鬥支持湖北人民成功抗擊了新冠病毒疫情。

PNT的服務現在還有不足,比如服務的內容是一個點定位,一條線是導航,授時也是一個時間點,沒有覆蓋地表的各種要素,沒有辦法提供圖像視頻代表的目標信息和面信息,未來要做實時的導航增強,做精密授時、快速遙感、天地一體移動寬帶通信服務。未來我們要解決八個方面的核心技術問題,比如智能對地觀測技術,對地導航定位新方法,地球時空基准建立與維持,空天環境,衛星資源組織與調度,網絡通信與安全,智能衛星平台與載荷等。

現在正在研發一個北鬥應用的軟件,把12種定位的信息集合在一起,在手機App上提供服務。可以把這個系統應用到醫院去,實現對病人的設備跟蹤、處理、自動化,這樣的系統應用在手機上,手機就成了智能助理,有老人在外面摔倒了,手機能告訴醫生在什麽時間什麽地點摔倒,也可以應用到物聯網上去定位充電樁位置,保證新能源汽車的充電安全。

還可以做高精度導航定位地圖實現智能駕駛。北鬥可以解決測路系統的智能化問題。汽車開在路上,路上的標牌是給人看的,所以利用北鬥建立測路系統是實現智能駕駛的關鍵。

從當前需求來看,從PNT發展到PNTRC,建設我國自主的通導遙一體化天基信息實時智能服務系統,中國不能等,要抓緊時間搞好基礎研究和應用。

未來,PNT的需求從事後走向實時和瞬間,從靜態走向動態和高速,從粗略走向精准和完備,從室外走向室內,從陸地走向海洋和天空,從區域走向廣域和全球。北鬥應用還會把移動互聯網、智能制造融合于一體,將深入到經濟的各個領域,深入到老百姓的生活中。

中国工程院刘经南院士:北斗可实现全球双向通信   

定位和授時分別是空間和時間與起始原點相關的絕對位置概念,導航是空間和時間兩個位置上的相對時空度量概念。北鬥系統是世界上唯一實現了通導遙一體化的衛星導航系統。

北鬥系統的性能優勢是功能多,全球短報文通信可以用于搜救。導航定位+全球雙向通信可以向呼救者快速通告救援安排。還有遙感應用,有主動式遙感,配備星載太空環境遙感和電離層異常遙感載荷;被動式遙感,電磁波通過大氣、海洋、陸地反射或漫反射遙感大氣水汽、海洋河湖水位。

北鬥是全球唯一宣布標准位置服務精度優于5米的衛星導航系統。北鬥3三類異軌衛星之間都實現了星間自組織測距和數傳,采用Ka頻段鏈路,測距精度高,通信頻帶寬,遠優于UHF鏈路,下一代將用激光鏈路,測距更准。

目前,北鬥3星間鏈路已全面啓動,效果顯著,在GNSS中精度最高,確保了標准PNT服務精度高。北鬥系統中軌衛星三個軌道面各有2顆確保全球域內能收到求救者上傳UHF頻段求救信號,然後下傳給國際搜救中心,24顆中軌衛星都能接收國際搜救中心的搜救信號並通知求救者,同時可向求救者發送相關施救短報文。

在創新設計方面,因爲北鬥的頻段是豐富的,現在北鬥2和北鬥3有五個頻段。再就是設計了兼容互操作信號,創新調制技術,信號質量國際領先,它接收的時候能夠和GPS的功能一樣。總的來說,這些研發都有利于提高北鬥3的PNT精度。

根據北鬥的優勢特點,怎麽利用它開展應用呢?要通導遙一體化,充分利用北鬥的多頻段導航信號優勢開展多用或專用高性能低成本PNT研發,提升PNT服務能力,充分利用星間鏈路測距,研究或分離不同軌道和不同型號的衛星系統,充分利用全球和中國周邊短報文雙向服務能力拓展服務內涵,研發傳圖像、傳語音、傳視頻等方法形成專利,發揮雙向通信與PNT集成服務功能,利用通導遙一體化,開發多任務多目標的協同智慧調度應急應用,充分利用北鬥GNSS衛星的L波段和S波段載波作爲遙感輻射源開發新型遙感,特別是目標遙感。

北鬥RDSS雙向鏈路定位授時,可大幅提升北鬥定位授時抗幹擾、抗欺騙性能,RDSS二維定位精度已到10米左右,時間比對精度相對于單向被動接收方式,授時精度可提高一倍,到10納秒左右,對于一些時間比對頻度不求太高而絕對時間精度要求較高的用戶,如金融、通信、區塊鏈平台,應急救援指揮中心運控平台等最有需求,可拓展這類防幹擾要求甚高的絕對授時服務。

利用RDSS雙向通信功能,可開發共享的多部門協同調度系統,比如綜合智慧運營控制平台。

北鬥3的創新設計、服務能力、精度優勢、運行穩健構成了強勁的後發優勢和發展潛力,被“一帶一路”沿線國家和地區接受,無愧“中國的北鬥,世界的北鬥,一流的北鬥”的美譽,體現了“北鬥導航,世界共享”的理念。

北鬥系統作爲時空技術,既是對地球資源環境及其動態變化信息感知認知,也是實現對所感知對象精准時空、調配管理的核心基礎。北鬥開拓應用的第一個重點是給其他技術,如信息、網絡、能源、資源、環境、交通等技術,賦予精准時空位置的感知認知,使他們提升到智能化管理控制階段,同時實現管理控制過程的時空智能化。

北鬥應用的另一個重點,是綜合開發其通導遙一體化的優勢,發揮其跨技術跨領域甚至跨時間跨空間的空間智能作用,未來的目標,是研究PNT自然智能,開發出智能PNT技術,以開發新的應用。

中國工程院譚述森院士:中國的5G會成功,6G也一定能夠成功  

什麽叫空間基准?空間基准它用來確定軌道參數,連通坐標原點、地球自轉參數共同構建起GNSS系統空間基准,中國北鬥空間基准與中國大地坐標系爲同一個坐標框架。全球實用的基准我認爲只有兩個,一個是GPS時空基准,另一個就是北鬥時空基准。時空基准是互聯網升級爲物聯網的基礎條件,如果沒有統一的時空基准,很難想象物與物如何聯結。

北鬥系統的發展是一個持續創新、開拓進取的曆程。北鬥一號主要成就是兩顆衛星實現大範圍高精度定位授時服務,它覆蓋了中國及周邊地區,按GPS定位原理需12顆衛星,雙向授時精度10ns,國際領先。一秒內完成定位及報文通信,成爲國際航行跟蹤、生命救援的亮點定位與報告在同一信道同時完成,用戶知道我在哪裏,指揮部門知道我們在哪裏,定位報告是北鬥區別于GPS的最大特色。

北鬥是全球第一個擁有三頻完整服務能力的導航系統,在2012年實現B1、B2、B3三個頻率的導航定位全星座播發,GPS什麽時候完成三頻導航,現在還不好預測。原來是說2020年完成,現在還看不到它哪一年可以完成。北鬥是世界上第一個連續導航與定位報告雙模融合的系統,雙模用戶機發揮了巨大的社會和經濟效益。

北鬥三號主要成就是獨立構建全球時空基准,這裏爲什麽說只有北鬥三號可以稱得上中國向全球提供了衛星導航的時空基准?因爲只有全球系統才具有對全球系統的代表性描述,那些區域系統不具備構建時空基准的能力,所以說北鬥三號系統實際上是完成了從第一階段到第四階段的導航,所以說北鬥的成就是跨代的。

北鬥三號有六大功能,包括基本導航爲根基,將SBAS、PPP、MSS等融爲一體,精度增強、完好性增強、信息增強將更好地服務于各類用戶。北鬥MMS就是短報文通信,采用了RDSS的方式。北鬥的星間鏈路實際上就是全球移動通信系統在中國的共享,它既是全球移動通信的雙向數據鏈,也是中國時空星間鍾差的系統,還可以進一步擴展爲時空基准的維持系統。

中國的北鬥建成了,基本上處于L頻率米級導航精度水平。在2030年或2035年間,一個導航、通信、遙感深度融合的航天系統將出自中國,中國高速空間網絡加5G地面網,實現全球天空地物與物的互聯互通,即第6代移動通信,6G中國走的路跟西方國家走的路不一樣,中國是先建地面系統,然後再建空間系統,中國的空間系統是建在北鬥時空基准之上的,所以中國的5G會成功,中國的6G也一定能成功。

在未來北鬥新的導航系統上,在LEO軌道上,實行導航通信深度融合,並服務遙感的方針,達到全球物聯網和數字地球的目標。

將來還會有北鬥全球物聯網。互聯網是人與人之間的聯接,人是非常囊括的,要實現全球動態物與物的互聯互通,必須在時空基准的維持下才能實現全球的物聯網。靜態厘米級、動態分米級世界一流衛星導航系統在北鬥三號系統裏面已經實現了,提供統一時空基准的天基物聯網,獲得對地球認知的天基無線電全球系統,未來北鬥天基物聯網模塊將實現太空物與太空物的互聯、太空物與地球物的聯網,任務超越對地球導航手段的研究。它的意義就是要充分發揮北鬥時空基准的基礎性價值,打破世界導航、通信、遙感獨立建設行業固化的這種狀態,要爲大部分行業包括遙感提供公共數據鏈。

總之,北鬥多業務衛星無線電系統,是國家重要的空間信息基礎設施,北鬥三號在基本導航、星基增強、精密單點定位、報文通信、國際搜救等業務的融合創新是未來發展的良好開端。北鬥時空基准鏈路與高速數鏈路構建完善,將成爲我國航天體系的“智能高速公路”。

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生活中的北鬥應用

現在,地圖查詢、手機導航、叫車服務、共享單車、快遞外賣等往往都要應用手機中的北鬥衛星定位功能。未來結合5G、人工智能和穿戴式設備的發展還將極大擴展北鬥的大衆化應用,實現室內外一體化定位導航,包括實現遠程醫療監護、智能出行服務、智慧旅遊服務、個人安全保障和應急救援等。

2019年以北鬥應用發展爲核心的我國衛星導航與位置服務産業總體産值達到3450億元,與2012年北鬥剛剛提供服務時相比,總體産值增長了4倍,其中隨著北鬥+和+北鬥的發展不斷深化,由疫情衍生帶動的關聯産值就高達2284億元,顯示了我國北鬥應用與産業化發展融合的生態已經初步形成。

此外,近年來北鬥創新應用已經深入融合到許多産業的轉型升級之中,在汽車、高鐵、能源、礦産、郵政、移動通信、交通物流、互聯網服務等領域的骨幹企業,正在主動“+北鬥”發展,成爲産業新生力量,從而極大促進了我國衛星導航與位置服務産業的整體發展,行業經濟效益的貢獻顯著提高。北鬥海外應用合作及貿易交往也更加頻繁,基于北鬥的土地確權、精准農業、智慧施工、智慧港口等,已在東盟、南亞、東歐、西亞、非洲等地得到成功應用。

未來新基建、“一帶一路”等國家戰略的發展和推進,北鬥技術應用和時空服務將更加普及,並將與5G、物聯網、大數據等相融合,將更加深刻改變人們的生活,展現出更廣闊的應用前景。


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2020年10月10日 10:04
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解密北鬥“成長之路”,這些瞬間很硬核!