讓北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)羽翼豐滿

楊長(zhǎng)風(fēng)

地理信息中的時(shí)間和空間是宇宙萬(wàn)物的基本屬性。現(xiàn)代信息社會(huì)中85%的信息與位置、時(shí)間相關(guān)。從導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展歷史看，在需求牽引和技術(shù)推動(dòng)的雙重作用下，人們一直在尋求更為先進(jìn)的獲取空間位置和時(shí)間信息的手段。目前，衛(wèi)星導(dǎo)航已經(jīng)成為最重要的PNT（positioning navigation timing，即定位、導(dǎo)航、授時(shí)）手段，能夠?yàn)槿虻乇砗徒乜臻g提供服務(wù)。未來(lái)，PNT體系將是定位導(dǎo)航設(shè)施技術(shù)的發(fā)展方向。

性能提升 覆蓋全球

目前正在建設(shè)的“北斗三號(hào)”衛(wèi)星系統(tǒng)跨度大，創(chuàng)新性強(qiáng)。對(duì)標(biāo)世界一流衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，其創(chuàng)新性主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

在建設(shè)、運(yùn)行、應(yīng)用方面，“北斗三號(hào)”衛(wèi)星遵循國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)則、程序均實(shí)現(xiàn)與國(guó)外系統(tǒng)的兼容?，F(xiàn)在使用手機(jī)導(dǎo)航時(shí)，一般看到的都是GPS，實(shí)際上在使用過(guò)程當(dāng)中都是與北斗兼容使用的。如果手機(jī)裝有雙模接收機(jī)，則既能用北斗導(dǎo)航系統(tǒng)，也能用GPS導(dǎo)航系統(tǒng)，我們的民用服務(wù)和有關(guān)信息完全開(kāi)放。

到今年年底，“北斗三號(hào)”衛(wèi)星系統(tǒng)還要發(fā)射11顆星，實(shí)現(xiàn)“一帶一路”沿線國(guó)家的基本服務(wù)。到2020年，完成共30顆星的發(fā)射組網(wǎng)任務(wù)，實(shí)現(xiàn)全球組網(wǎng)目標(biāo)。可以說(shuō)，北斗20多年的發(fā)展跨越了美國(guó)GPS 40多年的歷程。

精準(zhǔn)可靠 兼容互用

定位導(dǎo)航授時(shí)體系是各種PNT技術(shù)、系統(tǒng)和服務(wù)的總稱。它覆蓋和貫穿了時(shí)空基準(zhǔn)的建立、維持、傳遞與應(yīng)用的全過(guò)程，其目的是為人類的活動(dòng)空間提供統(tǒng)一、精確、可靠的時(shí)空信息服務(wù)。

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)就像水和空氣般地深入到我們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€(gè)方面，在導(dǎo)航定位、精確制導(dǎo)、通信、電力、測(cè)繪等方面都得到廣泛應(yīng)用。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已然是當(dāng)今最重要的PNT系統(tǒng)，但是受衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)物理特性的限制，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)并不能作為唯一可依賴的PNT手段。主要問(wèn)題有：信號(hào)接收功率極低，容易受到干擾;障礙穿透能力弱，還不能全面覆蓋水下、室內(nèi)、叢林、峽谷等復(fù)雜環(huán)境;只能覆蓋地球空間，而在為深空探索提供服務(wù)方面仍存在空白。因此，我們迫切需要進(jìn)一步提升以衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)為核心的各類PNT手段的創(chuàng)新發(fā)展，通過(guò)多手段系統(tǒng)集成，形成體系化的國(guó)家級(jí)PNT基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。

我國(guó)PNT體系的總體發(fā)展目標(biāo)是，開(kāi)展技術(shù)先進(jìn)、安全可靠、兼容互用的新一代北斗導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)，實(shí)施多技術(shù)融合增強(qiáng)、多手段補(bǔ)充和備份系統(tǒng)建設(shè)，建成基準(zhǔn)統(tǒng)一、覆蓋無(wú)縫、安全可信、高效便捷的北斗綜合PNT體系，滿足國(guó)家安全、經(jīng)濟(jì)社會(huì)時(shí)空信息保障需求。

從衛(wèi)星導(dǎo)航的角度來(lái)看，PNT體系相當(dāng)于衛(wèi)星導(dǎo)航與各種增強(qiáng)補(bǔ)充的備份系統(tǒng)。增強(qiáng)系統(tǒng)主要增強(qiáng)衛(wèi)星導(dǎo)航性能、完好性和安全性等，補(bǔ)充系統(tǒng)主要填補(bǔ)衛(wèi)星導(dǎo)航在水下、深空、室內(nèi)服務(wù)的空白，備份系統(tǒng)主要在衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù)中斷時(shí)提供一定的應(yīng)急服務(wù)。

從北斗導(dǎo)航系統(tǒng)角度來(lái)看，PNT體系約等于“北斗+”。北斗導(dǎo)航系統(tǒng)能夠提供高精度的定位服務(wù)，覆蓋3000千米以下的近地空間，本身也具備較強(qiáng)的星座生存能力，可以提供精準(zhǔn)的時(shí)空參考框架，是PNT體系的核心和基石?！氨倍?通信”可以進(jìn)一步提高北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的服務(wù)能力;“北斗+慣導(dǎo)”可以提升防電磁阻斷能力，在短時(shí)間內(nèi)保證時(shí)空信息服務(wù)不中斷;“北斗+水聲、脈沖星導(dǎo)航”可以填補(bǔ)北斗導(dǎo)航系統(tǒng)在水下和深空服務(wù)方面的空白。

五層建設(shè) 體系融合

PNT體系的建設(shè)內(nèi)容主要分為五層：在最外層深空領(lǐng)域主要發(fā)展脈沖星導(dǎo)航技術(shù);在中高軌道空間主要發(fā)展下一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng);在近地軌道空間主要開(kāi)展低軌導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)建設(shè);在地表主要開(kāi)展北斗導(dǎo)航系統(tǒng)與5G、數(shù)據(jù)鏈等通信系統(tǒng)的深度融合;在水下重點(diǎn)建設(shè)海底控制點(diǎn)水聲導(dǎo)航、匹配導(dǎo)航等水下導(dǎo)航系統(tǒng)。

去年，我國(guó)發(fā)射了一顆脈沖星，做了大量的試驗(yàn)，可為深空、航天提供自主的導(dǎo)航定位授時(shí)服務(wù)。今后，北斗導(dǎo)航系統(tǒng)時(shí)間和空間的基準(zhǔn)就可以通過(guò)脈沖星來(lái)提供，成為“北斗”的“北斗”。

下一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)要在“北斗三號(hào)”衛(wèi)星的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高基本導(dǎo)航、星基增強(qiáng)、短報(bào)文通信、國(guó)際搜救、精密定位、星間鏈路六個(gè)方面的能力，同時(shí)更好地融入到國(guó)家網(wǎng)絡(luò)信息體系。

增強(qiáng)低軌導(dǎo)航，主要是加強(qiáng)30千米以下空間全球覆蓋的問(wèn)題，輔助提升北斗導(dǎo)航系統(tǒng)抗干擾的能力，實(shí)現(xiàn)全球范圍內(nèi)用戶分米級(jí)定位。同時(shí)，低軌導(dǎo)航本身也具備單獨(dú)的定位授時(shí)服務(wù)能力。

北斗還可以和5G技術(shù)融合。北斗導(dǎo)航系統(tǒng)在室內(nèi)和城區(qū)復(fù)雜環(huán)境下的定位能力不足。融合后，北斗導(dǎo)航系統(tǒng)就可以利用5G高速移動(dòng)通信網(wǎng)，播發(fā)導(dǎo)航電文和分成信息，輔助實(shí)現(xiàn)移動(dòng)通信區(qū)域分米級(jí)、厘米級(jí)高精度的增量。北斗和5G技術(shù)的融合，核心就是要協(xié)同設(shè)計(jì)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范和體系架構(gòu)，一旦降低成本、提高精度后，市場(chǎng)的空間預(yù)計(jì)可達(dá)萬(wàn)億，融合前景非常好。

水下導(dǎo)航的核心主要是慣性導(dǎo)航，同時(shí)通過(guò)水下無(wú)線電導(dǎo)航、水聲導(dǎo)航、重力導(dǎo)航等手段對(duì)慣導(dǎo)長(zhǎng)時(shí)間漂移誤差進(jìn)行校準(zhǔn)，按照解決急需、提升能力的思路逐步發(fā)展。在解決急需方面，補(bǔ)充慣性的缺點(diǎn)，發(fā)展多源校準(zhǔn)的手段;在長(zhǎng)遠(yuǎn)提升方面，發(fā)展高精度、小型化、持續(xù)發(fā)展的慣性技術(shù)。

簡(jiǎn)而言之，就是“5+1+N”。其中的“5”是五大基礎(chǔ)設(shè)施，包括積極發(fā)展下一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、低軌導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)、水下導(dǎo)航系統(tǒng)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和脈沖星導(dǎo)航系統(tǒng)?！?”就是實(shí)現(xiàn)一個(gè)融合發(fā)展，要加快推進(jìn)以5G移動(dòng)通信為代表的網(wǎng)絡(luò)信息體系的深度融合。“N”主要是突破一系列新興技術(shù)的研究，包括超穩(wěn)芯片級(jí)原子鐘技術(shù)、仿生導(dǎo)航等等。

以北斗導(dǎo)航系統(tǒng)為核心的國(guó)家PNT體系不是所有PNT技術(shù)與系統(tǒng)的簡(jiǎn)單集合，更不是另起爐灶，而是要做統(tǒng)籌、融合、協(xié)調(diào)，從滿足最大共性需求出發(fā)，提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的解決方案。提高體系建設(shè)以及維護(hù)和使用的效費(fèi)比。從技術(shù)角度來(lái)看，就是要實(shí)現(xiàn)全空域、全時(shí)域、全信息、高可靠的使用要求。在人類重點(diǎn)活動(dòng)區(qū)域，實(shí)現(xiàn)多種PNT手段的體系融合，使服務(wù)能力更加穩(wěn)固。