北斗系统出路在哪:隧道等室内条件信号较多

2015-04-14 12:36:09来源: 《财经》杂志
    “北斗”系统出路在哪

  随着全网铺开,北斗系统最终要与对手短兵相接,而两者兼容和互操作或是一个不错的出路

  □本刊记者 凌馨 贺涛/文

  2015年3月30日,首颗新一代北斗导航卫星在西昌成功发射,拉开了2015年北斗卫星导航系统(下称北斗系统)密集组网的序幕。

  北斗系统是继美国GPS和俄罗斯的格洛纳斯(GLONASS)之后,第三个成熟的卫星导航系统。如果美国关闭GPS,特定地区内任何人都无法使用,北斗系统防止了中国军队遇到这样被动的局面。

  作为军民两用系统,北斗计划为客户提供定位、导航、授时和短报文通信服务。这一始于军界、正在走进民间的导航系统有一个野心勃勃的计划,今年将再发射4颗至5颗新型卫星,最终使组网覆盖整个地球,此前,北斗正在服务的16颗卫星,主要集中于中国及周边地区上空。这令其信号强度与定位精度,可能仅在亚洲地区拥有较大优势,而在全球范围内,则不及导航市场的巨无霸GPS。现在,随着全网铺开,北斗系统最终要与对手短兵相接,而两者兼容和互操作或是一个不错的出路。

  更精准

  新上天的这颗卫星,意味着新一代北斗导航卫星开始组网,其最重要的任务,即是对定位精度与灵敏度的提升。

  GPS已经实现了在自己的导航卫星之间建立通信链路,形成一个空中组网。新北斗卫星中也融入了这样的功能,当实现星间链路后,北斗的定位精度将由目前的10米提升至2.5米左右。

  北斗系统自诞生起就先天不足:难以在全球合理布设监测站、星载原子钟技术滞后。这两者都攸关导航系统的定位精度。

  卫星导航的原理是,分别测量用户与3颗卫星之间的距离,利用已知的卫星位置,解3个方程就可计算出用户的位置。众多地面监测站会不断对卫星观测,来确定卫星的轨道,而后按卫星轨道推算出卫星的位置。理想的地面监测站分布,要能观测到卫星运行轨道的全弧段,或者尽量长的弧段。美国在众多海外军事基地布置了监测站,这样可合理分布;中国还无法在全球布点,而境内监测站只能监测GPS卫星约三分之一的弧段,这也极大地限制了对北斗卫星的测控和维护。

  于是,中国积极寻求伙伴,推进海外监测站建设。2014年中俄双方表示,将互设卫星导航站,其中,中国将在俄罗斯境内建设3个北斗系统地面站。另外,中国也在寻求与东盟各国的合作。

  星载原子钟是另一个“卡脖子”的技术,它是最核心的器件,决定卫星定位的精度,必须300万年误差不超过一秒。北斗系统工程副总设计师李祖洪回忆称,国产原子钟达不到需要的技术指标,美国对中国禁售高精度原子钟,欧盟国家也是态度暧昧,设置障碍。为了绕过前述两大瓶颈,北斗系统选择了独特的卫星星座分布。

  GPS、格洛纳斯和欧盟的伽利略(Galileo)都采用均匀分布在3个或6个轨道面的中轨卫星组成卫星星座。而北斗在中轨卫星之外,还利用了地球同步卫星轨道(GEO)和倾斜轨道的同步卫星轨道(IGSO)。这样即使仅在国内布设监测站,也可观测到卫星80%-100%的轨道弧段,这让全球布建监测站的必要性大为减小;同时降低了对星载原子钟稳定性的技术要求,使得国产原子钟也能保障卫星导航的精度要求。

  解放军信息工程大学导航与空天目标工程学院教授许其凤院士分析,这一路线选择,给国内原子钟研发争取了时间。新卫星搭载的原子钟,是为北斗系统量身定制的第二代高性能铷原子钟,性能比上一代提高了5倍-10倍。

  “北斗”的星座设计,与GPS相比有一定独特优势。例如,当用户处于高楼、林地、大坝、山梁的时候,GPS很难正常工作,北斗系统能给用户提供优于GPS的定位服务。

  北斗系统缺点是,由于轨道资源有限,联合国要求卫星偏离指定位置后,要及时调整回来,以免干扰处于同轨道其他位置的卫星。卫星完成一次微调后,需要再观测两三天,才能拿到新的、详细的轨道数据,这样会产生断点,现在的克服办法就是快速定轨,牺牲一点精度,让导航得以顺利进行。

  已开始奔向全球的新一代北斗系统,未来实现星间链路,采用卫星间测距和数据传输技术后,可实现高精度全球导航。

  打破垄断

  自项目启动以来,在中国乃至国际市场与GPS相抗,是北斗系统研发参与者从未掩饰的“野心”。几乎每一位受访者都表示,源自美国军方的GPS导航系统,可能带来国家安全风险。除中国外,欧盟和俄罗斯也都在着力推广自家研发的导航系统。

  军事领域是卫星导航系统最初和最基本的应用。越来越多的高端武器装备需要在卫星制导下,对目标实施精确打击。拥有卫星导航系统的国家在必要情况下,可以选择性地关闭对外的信号频段,限制敌军的武器装备和作战能力。

  负责俄罗斯格洛纳斯民用项目开发的机构格洛纳斯联合会向《财经》记者证实,目前处在不稳定状态的乌克兰地区,出现了GPS信号错误,将定位对象所处位置标示在数百米外。类似的事情也曾发生在1999年北约对南斯拉夫的战争、2011年北约轰炸利比亚。格洛纳斯联合会首席分析师安德烈(Andrei Ionin)认为,美方没有屏蔽冲突区的GPS信号,但加入了错误的信号,致使真实位置出现偏差,类似的人造“错误”在民用GPS信号中也出现过。

  “拥有本国的卫星系统,或者确保自己能使用友方国家的卫星信号,在上述情况下能够保证民用和军用领域的导航主权。所以格洛纳斯对我们这个追求国内外政策自主的国家很重要,中国的北斗也是同样道理。” 安德烈说。

  为了打破GPS的垄断地位,正式开始于2002年的欧盟伽利略计划亦有类似考虑。欧洲宇航局在回复《财经》记者采访时强调,“对于导航信号的认证将会帮助服务提供商保护基于地点的服务功能而免受欺骗。”

  伽利略计划创立之初,即邀请了韩、日、中、俄及阿根廷、澳大利亚等国参与。2004年中欧正式签署技术合作协议,中方承诺投入2.3亿欧元。但此后该项目进展缓慢,且中国被排除在核心技术项目外,至2014年,欧洲宇航局都未明确透露与中方的具体合作情况。

  与中欧合作受阻不同,中俄合作正在飞速发展。2014年,两国导航系统主导者频繁接触,并就互设地面站等问题达成了协议。据安德烈介绍,至少有两个项目可能已经执行:一是在中国的一个机场部署地基增强系统(GBAS),利用北斗和格洛纳斯的卫星导航数据,这个着陆和监控系统能给飞机起降提供指引;二是为内陆水道交通管理系统建立的信号增大站。开发者为俄罗斯公司的行业领导者Transas。这种信号放大器将被用于在中国河流上检测船只来往,提高航行精度。

  此外,中俄双方还就两国技术标准的改善与统一、导航微电子以及格洛纳斯/北斗设备的共同研发、运输领域的卫星导航等问题不断磋商中。备忘录还画出一个位于边境地区的导航试点项目的大致轮廓,并达成了合作建立中俄导航产业园的大致意向。

  格洛纳斯联合会强调,在格洛纳斯的全球化发展中,与中国及其他金砖国家之间的合作,是其首要也是最重要的任务。李祖洪也表示,不会立刻与GPS展开全局较量,北斗系统的优势仍在亚太区域。

  兼容难题

  同时兼容不同导航系统的终端,可大大提高某一时刻的可见卫星数量,实现更好的定位。这对用户来说,不需要增加太多成本,就可享受两个以上导航系统提供的服务。无论是政府决策者还是从业者,都认为早期的商业开发,以北斗/GPS兼容产品为宜,让用户能够在北斗系统和GPS之间进行切换。

  更为吸引用户的还有“互操作”。“同一个终端收两个系统的卫星,比如收了两颗GPS的卫星信号,收了两颗北斗的,一共四颗星,也能定位,就叫互操作。”中国卫星导航系统管理办公室高级工程师吴海玲介绍。

  一年多前,深圳的一家公司推出了首款个人用户的车载北斗/GPS导航仪K320,老客户可以免费试用。

  体验者最感兴趣的是“北斗+GPS”互操作模式,用户能够同时利用两大系统的卫星信号进行定位。然而,这一“双核”模式的使用满意度低于使用单一模式。试用者反映,在选用“双核”模式时,会出现搜不到任何卫星信号或定位较慢的情况。一位业内人士亦承认,在极端恶劣天气下,或是信号较弱的情况下,双模产品的灵敏度不如GPS单模产品。

  用户体验后在论坛中表示,行车过程中多数情况下能够搜索到的GPS卫星信号要多于北斗,在隧道等室内条件下,则北斗信号较多。大多数体验者指出,单一的北斗导航模式足以支持一般路况的行车导航需求。

  对于研发者而言,要实现卫星定位双模互操作,需要先解决信号、系统设计包括坐标、时间以及信号之间的兼容问题。

  无论如何,加强“兼容和互操作”,已成为全球卫星导航领域的热点话题。安德烈透露,八个月前,格洛纳斯联合会已与中国车载信息产业应用联盟签署备忘录,决定在信息通讯标准互认、电子地图绘制及格洛纳斯/北斗双模芯片研发生产等领域展开合作。

  预计2020年前后,天上将有120余颗导航卫星,兼容和互操作可以大大提高用户的体验。

关键字:北斗系统  出路

编辑:北极风 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/xfdz/2015/0414/article_41249.html
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