ICD咨询邮箱 友情链接

当前位置: 首页 >> 行业动态 >> 正文

以北斗为核心的国家PNT体系拓展中国发展空间

发布时间:2017-08-02

如果没有PNT体系的三个维度和工具,我们追寻的有关“万物互联”的一切则很可能沦为“空中楼阁”——这是中科院院士、北斗系统副总设计师杨元喜在第九届中国卫星导航学术年会上表达的观点。这是一个应该被重视并基于此有所行动的观点。

PNT体系即定位(Positioning)、导航(Navigation)、授时(Timing)体系组成的时空体系,是我们得以在纷繁信息中准确描述时间和空间的关键技术。以大数据为例,其挖掘利用就有赖于用定位、导航、授时来寻找线索、发现规律从而提供决策,否则就是一堆“乱数据”“杂数据”。

目前常见的PNT信息,都是由全球卫星导航系统提供的。不过,不管是美国GPS、俄罗斯格洛纳斯、欧洲伽利略,还是中国的北斗,都具有一个天然的“脆弱性”,即“信号弱、穿透能力差、易被欺骗、易被干扰”。

如此一来,通过多手段建立时空领域的综合PNT体系就显得十分必要。中国卫星导航系统管理办公室透露:未来中国拟加快推进以北斗系统为核心的国家综合PNT体系建设,争取到2030年前后,构建基准统一、覆盖无缝、安全可信、高效便捷的国家综合PNT体系。

在杨元喜的设想里,综合PNT可能的信息源,除了包括北斗系统在内的高低轨天基无线电,还可以包括地基无线电、重力匹配导航、磁力匹配导航以及天文导航,甚至是量子导航等。

 

PNT演进四大方向

综合PNT体系的建设,将在2020年迎来关键时刻。

彼时,中国北斗卫星导航系统完成全球组网,面向世界提供服务,美国的GPS3也会开始投入使用;中国5G通信网络进入全面建设与运营;互联网+、大数据、物联网进入蓬勃发展时期。基于这些基础条件的铺设,国内将迎来以互联网+为代表的智能制造,以自动驾驶为特点的车联网,以大数据为代表的智能服务等大批量应用爆发的新时代,这些应用需求将强烈催生网络PNT体系的快速升级与发展。

基于应用需求,以北斗系统为核心的综合PNT体系建设,将有四大方向:

一是提高时钟精度。人类活动离不开对时间信号的依赖,随着人类对信息量和距离量的要求越来越高,对时间信号精度的要求也越来越高;未来,进入物联网时代,由于物无智慧,对时间信号的要求会更高。

时间信号以卫星信号传输为主要手段。熟悉GPS的人都知道,卫星导航实际上是通过测量卫星和地面站之间的距离以及确定它们之间的时钟关系,来明确卫星的位置信息。在已知卫星的位置和时间信息之后,地面用户同时接收到四颗卫星的导航信号之后就可以解算出自己的位置,这就是卫星导航定位的原理。

对于导航卫星本身来说,极高精度的时间系统是最核心、最关键的设备之一;一旦失去准确的计时能力,一颗卫星就无法提供可靠的定位服务——相反,它会把问题搅得一团糟。为了解决计时的精度问题,导航卫星上目前普遍搭载了精度极高、但重量和体积又可以接受的原子钟。

原子钟的概念,最早在1944年由美国科学家、诺贝尔奖获得者拉比提出。近年来,中国强化了自主开发与研究。目前,星载原子钟技术实现重大突破,研制出高性能的铷原子钟,达到国际先进水平。北斗三号还配置了新一代原子钟,性能指标更高。

到2020年,中国北斗系统的卫星数量将达到35颗,保证在全球任何地方收到4颗以上卫星信号,同时接收到卫星数量越多,解算精度越高。

三是增加导航频率。北斗卫星将采用B1、B2、B3三个工作频率,通过接收机的相位差分算法,进一步减小由于电波传播变化引起的误差,提高时间和定位精度。

四是通过地基增强系统。建立地面无线系统,通过固定CORS站的长期固定观测,减少气候变化的随机性误差,进一步提高精度。建立站点越多,地域分区越小,精度越高。

在迈向北斗全球导航的今天,有科研人员提出了一种新的区域位置编码体系,支持陆、海、空、天和地下空间的“区域”标识。卫星导航的本质就是定位,能否提供高精度的时空基准服务,是验证其成败的标准。而所谓“北斗网格码”,有人比喻称其是空间大数据的集装箱,就是北斗系统专门研发的全球区域位置标识编码。

 

移动通信运营网络需进一步完善与升级

要实现综合PNT体系的发展,离不开移动通信运营网络的同步升级。未来,移动通信运营网络仍需在以下几个方面着重开展工作:

一是升级基站的时钟系统。基站时钟板升级到具有B1、B2和L1、L2四频接收,具有相位差分计算能力。时钟精度至少提高一到二个数量级,位置精度可以达到毫米级。

与之配套的卫星接收天线要采用具有多星多频的测量级天线,第一代简易的GPS单频天线,北斗单频天线或将两个天线叠加在一起的双频天线,由于其具有窄带特性和相位中心误差太大,带来时钟和定位解算误差太大,不能满足需要,需要进行更换。

二是增加CORS功能模块。增加多星多频的综合解析运算和固定点的统计分析能力。CORS站的精度在1-10mm,终端距离CORS站越远,结算精度越差,由于现在建设的CORS站太少,结算精度只能达到分米级。如果将基站增加具有CORS功能,终端距离基站非常近,定位精度可以达到厘米级。

三是建立基站与终端之间的修正误差因子发布机制。增加给终端发布基站所在区域的电波传播误差因子/修正因子的发布功能,使得终端能够及时获得结算所需当地电波传播的参数,使得终端结算精度达到厘米级。

完成这些工作之后,真正的物联网,车联网、高速数据传输才能进入实用阶段,万紫千红的应用将迸发出来。比如车联网,通过这些升级之后,基站位置自我位置测量可以达到毫米级;车载终端位置达到厘米级。

如果车载终端定位精度达到10cm,将车的图像输入接收机,再加上电子地图的匹配技术,自动驾驶将变得更加容易。

 

拓展中国发展的机遇空间

受科技与经济实力限制,目前世界上仅有个别发达国家将构建PNT体系上升为国家战略。中国加快推进以北斗系统为核心的网络PNT体系升建设,将有效拓展中国发展的机遇空间。

今年年初,洛克希德·马丁空间系统公司(简称洛马公司)宣布,经历过长时间拖期的美空军下一代导航、定位和授时卫星GPS-3卫星通过了一项关键测试,已经“成功完成”热真空测试。

洛马公司是GPS-3项目的主承包商,计划建造8颗GPS-3卫星,此外承包内容还存在可能建造最多达4颗卫星的额外选项。美国空军已经向美国国会表示,期望执行其中额外的至少2颗卫星的建造。

美国空军目前正处于开展下一批次GPS-3卫星合同竞标的早期阶段。第11颗GPS-3卫星是该批次的首颗星。美空军预计2017年之前不会执行首颗GPS-3卫星的发射。

美国从GPS1.0升级到GPS2.0,目前尚不知其代际之间的兼容性如何处理与运作,对于普通用户的影响,有但可接受;对于重要的系统比如武器系统、通信系统、电力系统等的影响,还需要进一步观察与评估。

2020年以后,中国应快速采用以北斗为主用,GPS 等为备用的安全策略,以有效规避GPS可能带来的战略风险。

这中间涉及到北斗与GPS的同台竞技。众所周知,GPS提供服务的等级大致三类:美国自己;美国盟友;其他国家。中国就属于其他国家,只能享受到三等服务。

在不友好的情况下,GPS可以利用降低部分区域的数据精度、干扰部分区域的GPS信号产生盲区、关闭部分功能等,使得第二类和第三类用户的部分战略设备、重要设施或网络瘫痪,为国家战略服务。

2020年以后,随着国内综合PNT体系的建设,中国应该不再担心电力、通信等重要国家战略安全行业应用的安全问题,大幅提升国家应对危机能力、国家战略生存能力。

此外,由于自主的PTN体系形成,国外PNT低等级服务的限制解除,中国战略产业的设备的能力也将大幅提升。在5G通信、物联网、大数据、远洋航行以及众多领域,可以更便利地进行高端创新,实现产业升级与超越,在全球高技术产业中,由跟随迈向平等竞争,乃至超越与引领。

(来源:人民网 作者:马瑞东-西安圣佳禾科技有限公司总工程师 编辑:陈飚)

北斗卫星导航系统政府网站独家稿件说明:本作品(文字、图片、图标、PPT、PDF及音视频)仅供北斗卫星导航系统政府网站使用,未经授权任何媒体和个人不得全部或部分转载。