定位導(dǎo)航、授時、短報文“撐起”北斗應(yīng)用

圖為加裝有北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的拖拉機在無人駕駛狀態(tài)下播種。

作為其中一項重要功能，北斗的授時功能為電網(wǎng)提供了精確的時間。

漁業(yè)是短報文應(yīng)用的重要領(lǐng)域。據(jù)統(tǒng)計，全國有7萬余艘漁船和執(zhí)法船安裝北斗終端。

 ■北斗“啟航” 今年的全國兩會“委員通道”上，全國政協(xié)委員、中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)工程總設(shè)計師楊長風(fēng)介紹，北斗全球系統(tǒng)最后一顆組網(wǎng)衛(wèi)星計劃于6月?lián)駲C發(fā)射，屆時北斗全球星座部署將圓滿完成。 去年年底的國新辦發(fā)布會上，中國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)管理辦公室主任、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)言人冉承其曾透露，北斗系統(tǒng)服務(wù)覆蓋200余個國家和地區(qū)，用戶突破1億，日服務(wù)達2億次…… “未來北斗將無所不在，小到兒童的定位手表，大到航母……所有需要定位、導(dǎo)航、授時的場景，都會出現(xiàn)北斗。”南京航空航天大學(xué)航天學(xué)院微小衛(wèi)星中心教授康國華如是說。 此外，據(jù)新華社消息，日前西安衛(wèi)星測控中心已經(jīng)完成29顆已入網(wǎng)工作的北斗三號衛(wèi)星星間鏈路測試工作，確保全球組網(wǎng)如期完成。 定位和導(dǎo)航 高精度信號已公開發(fā)布 提及北斗的功能，“定位導(dǎo)航”經(jīng)常并提。但二者的概念其實并不相同。 康國華告訴記者，定位是導(dǎo)航的基礎(chǔ)，導(dǎo)航是定位的應(yīng)用；定位是“告訴你在哪”，導(dǎo)航是“告訴你如何從現(xiàn)在所處的位置，去你想要去的地方”。 中科院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院研究員陳宏宇則表示，“簡單說，導(dǎo)航需要定位后，再結(jié)合地圖和算法來規(guī)劃到達目的地的路線?！?以定位為例，大型基建工程，例如高鐵、大橋、機場的建設(shè)，以及后期的變形監(jiān)測等，都需要衛(wèi)星定位。 例如，橋梁建成后，由于行車荷載、風(fēng)力、溫度、自然災(zāi)害等外界因素，以及混凝土收縮徐變、老化碳化、鋼筋松弛銹蝕、墩臺基礎(chǔ)沉降等內(nèi)在因素的影響，不可避免地將產(chǎn)生幾何變化、內(nèi)力變化和索力變化等各種效應(yīng)。如果這些變化過大，超過了橋梁能夠承受的安全范圍，將會產(chǎn)生災(zāi)難性的后果。為了確保橋梁運營安全，必須對橋梁的變形狀況長期監(jiān)測。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，可以實現(xiàn)這種長期監(jiān)測。一旦變形量指標(biāo)超標(biāo)，可馬上發(fā)出警報。 精度能夠達到多少？根據(jù)中國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)管理辦公室去年12月公開發(fā)布的《北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展報告（4.0版）》，在全球范圍內(nèi)，北斗的定位精度達到水平10米、高程10米；測速精度為0.2米每秒。亞太地區(qū)，定位精度水平5米、高程5米（以上均為95%置信度）。實測結(jié)果表明，北斗系統(tǒng)服務(wù)能力全面達到并優(yōu)于上述指標(biāo)。 這還不是北斗的最高精度。不同應(yīng)用場景結(jié)合星基增強服務(wù)、精密單點定位服務(wù)等，北斗的精度將會更高：冉承其在去年年底的國新辦發(fā)布會上就表示，精密單點定位服務(wù)，將為中國及周邊地區(qū)提供動態(tài)分米級，靜態(tài)厘米級的高精度定位服務(wù)，滿足國土測繪、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、自動駕駛等領(lǐng)域用戶高精度服務(wù)需求。 此外，冉承其還曾表示，北斗在地基增強服務(wù)方面，結(jié)合交通、測繪、地震、氣象、國土等行業(yè)監(jiān)測站網(wǎng)資源，已建成2000多個基準(zhǔn)站，提供實時米級、分米級、厘米級等增強定位精度服務(wù)；已經(jīng)在國土測繪、形變監(jiān)測、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、車道級導(dǎo)航等應(yīng)用領(lǐng)域開始規(guī)模化應(yīng)用?！按蠹蚁胂?，厘米級和毫米級的高精度服務(wù)，會帶來定位應(yīng)用方面多大的變化，比如說車道級導(dǎo)航，甚至樓房的形變監(jiān)測等方面都會有很好的應(yīng)用?！?　　授時 從電網(wǎng)到股市，北斗能提供“納秒級時鐘” 北斗的定位、導(dǎo)航功能，我們在生活中能夠直接接觸。但北斗遠不止于此。例如，北斗的“授時”功能就是非常重要的“幕后英雄”。 “授時，就是給出準(zhǔn)確的時間，對一些儀器設(shè)備來說就是進行時間的校準(zhǔn)。”康國華說。 北斗如何提供授時？清華大學(xué)電機工程與應(yīng)用電子技術(shù)系教授謝小榮介紹，北斗衛(wèi)星上一般搭載3到4臺高精度（約0.3納秒級）原子鐘作為基準(zhǔn)時間源。衛(wèi)星播發(fā)的電文中含有軌道坐標(biāo)和衛(wèi)星時間，結(jié)合接收機的空間坐標(biāo)，通過求解方程組，就能夠?qū)崿F(xiàn)授時功能?！氨倍返氖跁r精度可達到10納秒級，這一精度與GPS相當(dāng)。”謝小榮說。 康國華介紹，時間基準(zhǔn)是一個國家安全的保障，如高鐵、電網(wǎng)、股市、計算機網(wǎng)絡(luò)通信、跨海大橋和海底隧道建設(shè)等等，都需要時間同步?！翱梢哉f，現(xiàn)代社會離開統(tǒng)一時間基準(zhǔn)是不可想象的?！笨祰A說。 時間基準(zhǔn)有多重要？以電網(wǎng)為例，謝小榮給記者舉例：一條100公里的500千伏輸電線路，如果兩端電壓相量測量的時間基準(zhǔn)差0.1毫秒，就可能產(chǎn)生27萬千瓦的功率差異，相當(dāng)于30多萬戶城鎮(zhèn)三口之家的平均用電；電力系統(tǒng)故障分析時，要求變電站時間同步精度優(yōu)于1微秒，否則可能導(dǎo)致錯誤的故障原因分析結(jié)果。 謝小榮表示，據(jù)不完全統(tǒng)計，目前已有上千套變電站時間同步裝置接收北斗授時信號；超過20%的電力通信頻率網(wǎng)接收北斗授頻信號；相關(guān)產(chǎn)業(yè)估計達到數(shù)百上千億元規(guī)模，并處于快速發(fā)展中。 　　短報文 北斗特色，用導(dǎo)航衛(wèi)星“發(fā)短信” “短報文”服務(wù)是國外其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)均不具備的，堪稱北斗特色。 簡單地說，GPS等系統(tǒng)對于用戶來說，只能接收衛(wèi)星發(fā)出的信號，但無法向衛(wèi)星發(fā)信息。而北斗的短報文功能可以實現(xiàn)雙向通信，以類似于手機短信的形式，只要在服務(wù)范圍，就能夠?qū)ⅰ岸绦拧卑l(fā)到衛(wèi)星上。 “最初的北斗一號僅對短報文系統(tǒng)進行了驗證，二號、三號則分別實現(xiàn)區(qū)域和全球短報文服務(wù)?！标惡暧畋硎?。顧名思義，所謂區(qū)域短報文，就是服務(wù)中國及周邊地區(qū)（東經(jīng)75°至135°，北緯10°至55°），而全球短報文服務(wù)則是向全球提供服務(wù)。 在手機短信都使用越來越少的今天，為什么北斗的短報文功能被如此看重？ 顯然，短報文服務(wù)并不是面向城市普通用戶“上網(wǎng)聊天”的。它主要面向普通移動通信信號不能覆蓋的地區(qū)（如無人區(qū)，荒漠，海洋，極地等）或通信基站遭受破壞的情況（如地震，洪水，臺風(fēng)等）。 在這些情況下，裝有北斗短報文模塊的北斗終端，就可以通過短報文進行緊急通訊，不僅能讓用戶知道自己“在哪兒”，也能告訴別人“發(fā)生了什么”。 漁業(yè)是北斗短報文應(yīng)用的重要領(lǐng)域。在沒有移動通信信號的海域，使用北斗系統(tǒng)短報文功能，漁民能夠通過北斗終端向家人報平安，有力保障了漁民生命安全、國家海洋經(jīng)濟安全、海洋資源保護和海上主權(quán)維護。2019年的中國衛(wèi)星導(dǎo)航年會上，冉承其提到，全國7萬余艘漁船和執(zhí)法船安裝北斗終端，累計救助1萬余人。 另外，林業(yè)巡防、災(zāi)情通信，乃至電力等需要信息回傳的領(lǐng)域，都是短報文應(yīng)用的場景。 值得一提的是，在北斗二號時期，已經(jīng)有相當(dāng)成熟的民用短報文產(chǎn)品出現(xiàn)。據(jù)記者了解，目前市面上，幾千元即可購入短報文終端，每條短報文信息服務(wù)費幾角錢左右，更有“包年包月”等套餐。相對于昂貴的衛(wèi)星電話，短報文服務(wù)費用較低，在“驢友”群體中，短報文相關(guān)產(chǎn)品有普及的趨勢。