全国咨询服务热线:15007138798
027-87275172
当前位置:首页 »许其凤:北斗导航卫星系统产业发展需要磨合期

许其凤:北斗导航卫星系统产业发展需要磨合期

文章出处:网责任编辑:作者:人气:-发表时间:2012-09-17 10:54:00

    2012年7月27日,战略性新兴产业(滨海)国际论坛于天津滨海国际会展中心隆重举行,中国工程院院士、解放军信息工程大学测绘学院教授、博士生导师许其凤出席了论坛,就北斗导航卫星系统的产业方向和思路进行了探讨。

下面是专家许其凤院士的精彩发言。 
      许其凤:感谢大会给我这样一个机会,来宣传一下北斗。为什么说这样话呢?因为这两年我接触一些业务圈以外的人士,包括用户。好像他们对整个北斗系统的了解不是特别多,或者说不是特别系统,存在了很多问题,所以我觉得宣传一是方面,建设也很重要,让客户以及更多的人了解北斗,这样才可以使用。
我主要向大家宣传卫星导航系统,也就是北斗系统。因为在座很多都是产业界的人士,我尽量联系一下产业方面的情况和思路。
我是学校工作的,通俗讲叫做“书呆子”这个跟产业不大沾边,有讲的不到位的希望大家理解,同时也请批评。
产业的发展是成败的标志,我指的是卫星导航系统。卫星导航系统成功在于广泛的应用,并且取得效益。这个效益不仅仅是芯片制造商的效益,也不仅仅是整机的提供商的效益,还有应用在铁路上,对铁路性能的提高产生什么样的效益,对大坝监测上以及水力发电有什么效益,我理解这个是有广义的。
另外就是相关产业的发展是广泛应用的标志,作为卫星导航系统,应用的方面很多。但是相关产业的发展,标志着广泛应用的程度如何。比如说卡片相机用的很多,这个说明数字摄影取得很大的应用。现在很多人提出这样的问题,当然可能不是会议的,会议的时候不提,现在GPS已经占领了市场,北斗产业究竟怎么发展?说的更直接了当一点,不说我的身价性命,就是这点家当投进去保险吗?这样的问题我不能回答。我提供北斗的情况,请大家自己做结论。
关于GPS占领市场,北斗到底有没有出路的问题,使我想到彩电的问题。80年代是日本的彩电占领我们国家的市场,那个时候只要看彩电不是东芝就是夏普的,到了90年代国产彩电占领了市场,短短的10年,我们靠什么夺回的市场?一个是相对优越的性能,我说的相对优越,不是整个系统的性能完全超过日本,是说在我们中国显示的更优越。
     日本彩电因为日本发射台离的都比较近,接受机灵敏度不需要很高,信号强度够了。但是在80、90年代的时候,我们国家还不是数字电视,信号并不是很强,距离也比较远,因此就出现一个信号。日本的彩电有雪花,我们国产的彩电没有。优越不优越?优越,老百姓就认这个,其实这个就是局部的优越,就是灵敏度提高了。
     所以相对优越的性能是可以做到的,还有一个就是相对低廉的价格。彩电是做到了,我想我们的卫星导航产业应该也可以做到。另外是方便快捷的服务,因为我们的生产商、销售商就在本地,因此你只要出了问题,你打电话就会有人来维修。靠着这三条,十年的时间我们把日本的彩电市场赶走,我们把彩电市场夺回来了。
卫星导航系统的性能,是性能相对优越的基础,我们说性能要优越包括两个方面,一个是我的接收机、我的用户系统,我的整个系统性能好,还有一方面就是产业界有自主权的,就是心里有数的,但是没有数的就是整体的性能如何。
关于北斗卫星导航系统怎么样,有人说不错,又是我们国产的、自主知识产权、双赢等等一大堆,如果有人对我这么说我是不信的,你光给出这样的结论和标题我信不过,就是得拿出具体的东西,我自己会判断,就是究竟有没有优势,我试图在这方面做点尝试,因此我的报告没有结论,我只介绍情况。
在座的专业可能差距比较大,我简单把卫星导航系统说一遍,卫星导航系统是由一定数量分布的卫星,包括卫星的高度、卫星的倾角、卫星的轨道组成的空间部分,这个叫做卫星星座,比如GPS是由24颗组成的,叫做中轨卫星MEO。还有一部分是地面监测站不断观测所有的卫星,对所有卫星计算轨道,计算钟差。
通过注入站将轨道、钟差参数注入到卫星,用户接收机利用卫星发播的测距信号测距,依靠卫星的位置,用测量的距离解算自身的位置。如果简单点就是这三点。
避短扬长的北斗星座设计,一般都是扬长避短,为什么是避短扬长呢?这个是故意的,合适不合适大家来判断。首先说发展的瓶颈,我这里侧重讲不利条件,这个也是和大家习惯不是很一致,首先强调我们有多少有利条件,然后再想有什么不利条件。作为我的观点来讲,不利条件更重要。
因为你漏掉一个有利的条件,后果很可能是没能锦上添花的。如果你漏掉一一个不利的条件,后果可能是颠覆性的。作为发展卫星导航,因为我们是后发展的,在我们前面有GPS,我们完全可以发展GPS发展我们国家自己的系统,我们也学习,但是不能完全照搬。全面照搬是最简单的问题,也是最省事的问题。但是我们学习GPS还是遇到一些问题,这个是很难在全球布设监测站,我们说高精度定轨需要卫星全弧段的监测。比如我就测一小段,这个圆画不准的。
有一个实际的数据,卫星位置的误差,左边是有监测数据的,右边是没有监测数据,完全靠外推的,我观测一小段推一段,这个位置误差会很大,一旦没有监测数据,误差会急剧增加。
     对于绕地球的GPS卫星是中轨道卫星,东西旋转。对于这样监测站要全球分布,这一点美国可以做,我们做起来有困难。我们很难做到全球分布。
     第二个问题就是星载原子钟相对滞后,依靠卫星的位置,通过测距来解算定位,测距怎么测?就是依靠信号传播的距离,距离=传播时间×光速,如果数字错一点,那个误差就大多了。所以对于星上的钟,所有的信号都是根据钟来发播的,那就要求很稳定的度星载原子钟,那就是10的13次方,大约就是百万年差一秒。
我们国家星载原子钟发展相对滞后,我们也都从美国、欧洲进口很高精度的原子钟,他们知道我们要搞卫星导航系统,结果就禁运了,一台也不卖给我们。像这样的两个问题,我说可以算是两个瓶颈问题,这样的问题很难在短时间解决。全球布站,我们很难短时间内发展,这个确实有一定困难。
      我们是想试图从星座设计来寻求绕过瓶颈的办法,当然试图的途径很多,都曾经进行过探视,但是这条路我们走通了。
      提到星座设计我们首先有三种卫星轨道,这是全球的图。一种是中轨卫星轨道MEO,高度是两万千米,像GPS,计划钟伽利略都是这样的高度,绕着全球转。
      还有一种轨道是同步卫星轨道,这个是3万6千千米,就是要在赤道面上,同时要维持这个高度。同步卫星就是跟着地球一起转的高度,只有在这个高度才能跟地球自转一致起来,从地球上来看就是不动的。
      还有倾斜轨道的同步卫星IGSO,这个高度同GEO一样,只不过不在赤道上,GEO是在赤道上,倾斜的角度我们采用是55度,在地面上观察轨道是像“八字型的”的轨道,从地面上观察来讲是有不同的特点。MEO是从东到西绕着全球转,GEO卫星是始终不动的,在我们国家上空发一个GEO,我们随时随地都可以看到的。IGSO卫星是南北转,而且有一定的弧度范围.
     我们说如果选择MEO或者IGSO轨道,如果可能绕过前面讲的两个瓶颈。因为这两个卫星不是东西跑,是南北跑,这个总跑不出我们国家,会离开我们国家的境内,但是不远,我们可以看得见,就是可以监测的到。这样我们就增加了跟踪弧段,IGSO和GEO我可以跟踪,如果和GPS一样的MEO,我们观测的弧段那只占全弧段的40%,那个精度就差了。
      在国内设站的情况下,可以实现对GEO和IGSO的全弧度监测,这样就解决了我们没有办法在全球布站的问题,这样降低了星载原子钟的要求,要想取得准确的时间,我可以表好,比如说是欧米茄,我也可以天天和中央人民广播电视台对表,一个是表好,一个是勤对,如果不能勤对,那就是表好。但是如果GEO和IGSO我随时可以看得见,我随时都可以对表,因此在国内设站的条件下,可以实现勤对表。这样降低了对星载原子钟的技术要求,给我们国家发展高精度原子钟争取了时间,不是不发展,我们还是要发展。但是想立刻拿出来,这个拿不出来。这个不像包饺子,这个需要一个国家,有时候需要十年,甚至更长。国外比我们时间还要长,我们必须要一个发展的时间。
      我们既然避开了两个发展的瓶颈,我们还要充分发挥GEO和IGSO的利用率高的特点,我们不是搞全球系统,而是一个区域系统,我们一会可以看到这个区域系统究竟有多大。
      对于区域系统来讲,我们说这两种卫星的利用率是可以达到80%以上的,对于MEO我们国家的区域系统来讲40%,差了一倍。利用率高就意味着我们可以用比较少的卫星来达到同样的效能,这个是划算的,投入性能比也比较好。
在具体设计当中,经过了很多的探测,五个GEO和五个IGSO也就是十个卫星取得了满意的效果,对于覆盖区域大体上也接近地球的三分之一。
作为北斗二号,第一期就是区域系统,第二期就是全球系统。第一期星座就是5GEO+5IGSO。在赤道上分布了五个红点,就是地球同步卫星,同时在蓝色的地方是IGSO卫星,红色是不动,蓝色是沿着轨道运动。
      如果说按照测距误差是两米的话,我们可以达到,甚至更高一点,我们估计一下这个系统究竟怎么样?我们给了一个图,这里分成几种颜色,绿色、蓝色、红色,绿色里面是由数字组成的。如果是6,这个就表示24小时之内最大的标准差是6米。蓝色的6,这个就不是6米了,是定位精度16米,红色6是26米。我们最关心的是橙色的,为什么最关心这个呢?这里有很多的蓝色的符号,都是美军在我们国家周边的军事基地,美军军事基地放在这里我们不关心行吗?不关心我们很可能会得到和伊拉克、利比亚、科索沃一样的结局。所以把最关心的放在这里,我们基本上6米到7米的样子,我们精度GPS也是一样。
刚才我们还讲了,采用这种卫星是利用率非常高,充分利用了利用率高的特点,其实这不是最早的方案,最早的方案是采用地球同步卫星和美国GPS一样大MEO卫星,这个方案已经上报给江泽民,而且得到了首肯。
      4GEO+12MEO效果是一样,我们最关心就是北半球,也就是说用16颗卫星还赶不上10颗卫星的性能好,就是我们重新发挥了IGSO和GEO利用率高的特点。总结起来就是前面的避短扬长,避开我们的瓶颈,扬长高利用率。
      区域系统有区域系统的优势,系统级的广域差分,这个是美国人为了降低民用精度搞的SA,这个就是人为加入轨道误差和钟差误差,就是从30米降低到100米,美国民用最开始测试是30米,结果达到的是20多米。但是美国军方认为这个不行,因为民用美国人可以用,那世界其他军方也可以用,那就是降低到100米,当时为了解决这个问题,其实也是美国先提出来的,就是差分。最后发现比较好就是广域差分,广域差分原理很简单,就是布测一些参考站,这些站我是精确知道的,我也是利用GPS定位,利用你不对我来反求出来卫星轨道偏了多少。为了做到这一点,需要建立差分参考站,像我们国家需要20来个。
另外需要计算中心,还要通过注入站向地球同步卫星发射,把数据发射给卫星,地球同步卫星再告诉用户,这个同步卫星是GPS以外的。参考站观测卫星,通过注入同步卫星向用户发播修正参数,精度从100m提高至5m左右。
      广域差分有一个特点,就是区域的,不是全球的,我的用户在监测站范围之内用这个东西,另外是用户级的系统,GPS系统已经建成了,如果要增强,就是进差分站搞注入中心,再发同步卫星,但是发播的信号是一样的,所以不是原来的系统级,是一个用户级的系统。它的功能是可以提高轨道和钟差的精度。它只能提供参考站内的用户,站外就不灵。你是靠站来监测卫星,求出修正值,我们说MEO卫星是东西转的,如果转到东边,你东边用户可以看到这个卫星,但是你监测站测不到这颗卫星,因此就没有修正值,用起来就不太好用,用户跑到美国在我们这豪无办法。
      美国人像欧洲搞的系统都是这样,要建立广域差分系统,需要建立参考站、计算中心、注入站、同步卫星,我们计算中心有了、导航系统本身有计算中心,导航系统本身有注入站,导航系统本身就有五颗地球同步卫星,因此我们就建立一个系统级的广域差分的系统,就在建北斗系统的时候,就把广域差分系统融在里面。一般叫做二级监测站,指的就是这个。
   应该说这是我们建成的第一个系统级的广域差分系统,显然这个投资要少的多,性能也会好的多。同时不仅仅是对一个系统,只对北斗进行广域差分服务,因为同步卫星多,因此在信号编排格式的时候,既可以为北斗发播差分信息,也可以为GPS,同样也可以为伽利略发播差分信息,就是有可能能够为三个系统服务的广域差分系统。
      同时可以为北斗全覆盖区提供差分服务,就是我们覆盖区是比我们国土要大的多的区域,按照一般的广域差分你必须在国土内。不管用户在最东边还是在西边,你看到的卫星就是十颗IGSO和GEO,这十颗在国内监测站随时随地都可以监测,我可以为广大的区域提供广域差分服务,这个是以前的广域差分系统所没能做到的,当然只限北斗,对GPS不灵,对伽利略也不灵,也就是监测站的范围之内,对北斗可以更广泛一些。
另外在建设阶段可以规避一些风险,最主要的技术风险就是轨道开始的时候可能测不准,我们的钟差也可能测不准,广域可以进行很好的修正,可以规避一时达不到设计指标所带来的影响,达到很好的结果。正像我们前面讲的,在GPS做广域差分的时候,我们可以从100米提高到5米,我们开始做也不至于差到这个程度,从某种意义上讲,这个是很主要的规避风险的的措施。
     我们讲到北斗的情况,尽管是很简略的,我们可以把北斗的特点综合的讲的叙述一下。实际上卫星导航系统是很复杂的系统,有很多方方面面的问题。
     第一个是绕过发展阶段技术瓶颈,充分利用区域的有利条件。
     第二个是性能投入比比较高的系统。
     第三个是具有系统级广域差分的系统,覆盖最大的差分导航系统。
      另外能够规避主要的技术风险,具有位置报告的功能。位置报告北斗1号就具备,北斗2号继续使用下来。位置报告就是搞GPS,如果一个车出去了,我可以知道我现在在哪?但是我家里不知道,要想让我家里知道,那就需要通讯设备。但是作为一个系统本身,就具备这样的功能,这个是很重要的。
如果说我需要位置报告,需要把我的位置报告给指挥部,比如我渔船出海了,我需要把位置随时报告给指挥部,如果有台风指挥部会随时告诉我,这个就很重要了。手机系统到海上都不灵了,因为没有基站,卫星系统可以,可以通过卫星系统。但是卫星设备有多大呢?GPS用户机手掌这么大,GPS辅助设备大很多,我说的是卫星通讯设备,而不是手机。如果没有基站怎么办?还有就是很重要的备份手段。
      比如说汶川地震的时候,很多通讯手段不灵了,所以中央不知道汶川震到什么程度,灾情怎么样,多大范围都不知道。最早把消息传出来的是我们抢险部队带的北斗接收机,相当于短信发播出来的,这个是最早得到的消息。当然也有遗憾,这种消息报了几天就没有了,因为没电了。当然北斗1号耗电量比较大,这个也是不足的地方,这个也是具有优势的地方。
       北斗是第一个实现三频发播的卫星导航系统,美国人GPS现代化要增加一个频率,为什么发播这个频率,因为民用用处很大,只有一个频率,消除不了电频层。当然第三频还有一个作用就是搜索。尽管美国人第一个提出来的,但是很可能我们是第一个实现的。美国人这么早提出来,为什么实现不了呢?这里我猜可有点原因,因为美国系统已经发上去了,坏一个发一个三频卫星上去,要全坏了,那得坏30个。那仓库存了十几、二十个卫星,那些存的卫星不是第三代的,不是现代化的,因此从经济上考虑,现在把库存放上去,开始达到寿命期的卫星补发还不是现代化的,这样看来可能还需要一段时间,但是我们现在就是三频发射。
刚才说了优势的地方,也有不足的地方。一个是GEO卫星工作期间有断点,按照规定GEO需要轨道微调,因为天上只有一个赤道,高度是三万六千公尺,所有通讯卫星都挤在圆弧上,所以国际电联有规定,每个卫星有一个规定,你向左、右不能偏出一度,卫星一偏0.1度,就马上调整回来。这是按照规定要做的,这个不是我们的事,我们只是遵守。但是有一段时间会影响到定轨精度,我们能够达到卫星导航的系统,需要两天到三天的观测数据,但是只要进行轨道微调,这个从现在开始就不是原来的轨道,而是新的轨道。
      对于新的轨道必须观测两天到三天的数据,你才能订出比较准确的有满足条件。那这三天你卫星怎么办?这卫星不能用了,这就是一个问题。
对于这个问题,现在的办法就是快速定轨,就是精度差这么一点,但是我也能用,而且这个工作还再继续进行,我们争取更短的时间,使得工作的断点尽量缩短。我们通过系统级广域差分,新轨道广域差分不需要很长的时间,很短时间就可以测出来,甚至几秒钟就可以测出来,这时候一旦发生轨道微调,我就可以用这套系统及时发布修正值,这个需要更高的数据更新率,原来就不太适用,这个是可以解决的技术。
第二位置报告或者短信通信含有小功率的发射,这个比北斗1号压缩更短了,而且资源有限。我们在北斗1号宣传的时候讲,通讯可以进行短报文,用户真的发展起来,你会发现不够用。那时候说是150万/小时次服务,但是我们时间每小时的数还除3600秒,就是每秒可以服务多少,这样的容量大家都用,都用就塞满了,就服务不了。北斗2号同步卫星5个,另外在报文上可以做点文章。
      还有一个问题,因为发射功率,就容易暴露。从军事来讲容易被对方侦查到,或者有被侦查到的可能。再有就是功耗体积都不容易下来,解决办法就是按需求分配。并不是所有的用户都需要报告,并不是所有的用户都需要短信,你不必都拿这种接受器,也不必都生产这种接受器,而且我也不是每秒都来发报,或者每分钟都报告,你汽车跑出去了,三五分钟报告一次足够了,有的甚至半小时都没有动。比如我指挥全球的系统,就没有必要几秒钟报告一次,这个也是按需求分配。另外合理的控制和利用资源,这个资源是有限的,就是怎么样合理的控制。
      比如普遍的短信不能发了,这个不是笑话,真有这种事。还有局部地区功率增强逊于GPS,我在天津地区的信号可以增强,GPS可以增强30分贝,我们只可以增强15分贝的样子,我们抗干扰能力不如GPS,这个等待二期工程的改进。
还有就是一些技术细节和衔接的问题,作为一个复杂系统,需要发现和改进的磨合期,请大家耐心一点,不是系统发在天上就达到系统指标,对于复杂的系统不大容易做到这一点。我们的技术指标是按照美国GPS差不多的指标来定的,但是美国人从发射卫星开始,到达到所谓的技术指标,是发展二三十年,一开始就没有这个精度,也没有这个性能,所以对于各级领导和级别用户要有耐心。
      当然也有性急的同行,去年我就听到这样的报告,就是北斗和GPS放在一起比,北斗不如GPS,这个话不是这么说的。我说你做实验的时候,北斗做实验的时候有几颗,他说有5颗,如果用GPS相比,你用GPS12颗卫星和北斗5颗比,这个怎么对比?这个就是年轻同志太性急,如果对比我建议放在见面,这种实验做的很有意义,但是不能用来对比,而是证明北斗系统可以工作的,至于精度以后再说。
      也就是说北斗系统不会像GPS这么成熟,也就需要一定的磨合期。我认为优势的地方和不足的地方都如实报告给大家。
      我们2020年要搞全球系统,北斗2号的二期工程,我们区域增强的全球系统,全球都可以导航,就是在我所关心的区域的精度最好、性能最好超出其他地区。因为军用、民用都是我国在内的较大的区域性,我们增强就是把类似于GPS的系统,比如27颗MEO全球转的卫星,又把IGSO和GEO加起来了,这样就是两个区域星座的叠加,这个性能要好多了。比如说GPS卫星27颗我可以全都看到,再叠加这8颗卫星我就可以看到35颗卫星。
       星际链路示意,我们卫星对卫星进行测距,这样就构成一个高精度的多面体,我监测站观测可以看的见的卫星,中心站对诸卫星进行定轨,这就是一种方式。
此文关键字:北斗卫星导航系统   北斗卫星接收机   北斗导航产业   许其凤院士

同类文章排行

最新资讯文章