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文 | 轩窗

近两年,中国掀起了芯片热潮,新老企业纷纷打出名号,要为国家解决缺“芯”少魂的问题。然而,其实除了芯片,中国在很多领域由于起步较晚,曾经在很长一段时间里处于别人卡脖子的状态。

导航定位系统也一度被美国的GPS系统垄断,尤其在民用领域。可以说,GPS的民用极大地提升了人们的生活品质,许多以往不方便的事情都变得更加容易,比如汽车和手机导航等,人们告别了在纸制地图上找路的历史。GPS尤其对探险航海意义重大,成为迷失在茫茫海洋中的船只的救命稻草。

GPS本质是一个军用卫星导航系统,民用只是它的一部分。试想一下,如果美国突然切断GPS的民用信号供应,中国的所有设备的定位功能将无法实现,已经习惯了现代通信便利生活的我们,将陷入到一片恐惧和无助中。

早在上世纪,我国就已经考虑到了这一问题,从上世纪70年代开始,就在着手构建自己的卫星导航系统。进入20世纪后期,我国正式确立了建立北斗导航系统,并在2000年成功发射了第一颗北斗卫星。

无论是从军事还是民用角度来讲,北斗导航对我国技术发展都有着重要意义,我国自主建设、独立运行的卫星导航系统,打破了美国GPS系统垄断的局面,增强了我国在国际卫星导航领域的话语权和主动权。

不过,相比于GPS,北斗导航现在正处于发展的初期阶段。在北斗导航系统建立的过程中,中国也曾走了一些弯路。从第一代北斗系统的双星结构,因为应用效果不佳被人诟病,到坚定信念自主建立多星的北斗导航二代,并在2018年年底正式实现了全球RNSS服务,提前两年开启北斗“全球时代”,中国用了20年时间终于拥有了自己的导航系统。

本文将揭开北斗导航系统20年布局历史,以及北斗导航系统目前在民用领域的发展情况。

一、全球四大导航定位系统

卫星属于空间探索领域。1957年10月4日,苏联发射了全世界第一颗人造地球卫星,开创了人类的空间世纪。

1978年,美国选择了24颗卫星的中轨道星座,发射了第一颗GPS卫星。1994年GPS完成全球组网,全球覆盖率高达98%。

GPS也分为军用和民用两种定位模式,其中民用方式向全球开放。成熟的GPS系统已经发展了30多年,商业规模化做得非常廉价、高效。

那么我们为什么还要花巨额资金建设自己的北斗系统呢?

中国自主研发崛起之路,起底北斗导航建设20年呕心沥血史

▲美国GPS卫星导航系统星座图

GPS本质是一个军用卫星导航系统,隶属于美国空军,常年保持32颗在轨工作。这个系统主要包含军用和民用两种信号。军用信号和民用单频信号的最高定位精度级别不在一个量级,前者是毫米级别(利用载波相位),后者是分米级别(美国取消信号干扰后)。

此外,GPS还有一个弊端就是单向通信体制,与广播电视塔类似,30颗卫星只管不停地向地面发信号,具体是谁在接收并使用这些信号,卫星本身根本不知情。

GPS最大的问题就在于,这是一军用的卫星导航系统。如果全球的设备无论军用还是民用到将有GPS提供信号,一旦有一天美国突然切断GPS的信号供应,其他国家的所有设备的定位功能将无法实现,甚至危害着国土安全。

从上世纪70年代开始,中国就开始筹划自己的卫星系统。在七五规划中提出了“新四星”计划,随后还曾提出过单星、双星、三星、三到五颗星的区域性系统方案,以及多星全球系统设想。

20世纪后期,中国开始探索适合国情的卫星导航系统发展道路,逐步形成了三步走发展战略:2000年年底,建成北斗一号系统,向中国提供服务;2012年年底,建成北斗二号系统,向亚太地区提供服务;计划在2020年前后,建成北斗全球系统,向全球提供服务。2035年前还将建设完善更加泛在、更加融合、更加智能的综合时空体系。

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▲俄罗斯GLONASS卫星导航系统星座图

除了GPS和北斗系统外,目前比较完善的全球卫星导航系统(GNSS)还有两个:俄罗斯格洛纳斯GLONASS,前苏联于1995年完成组网,2010年正常运行;欧盟伽利略GALILEO,欧盟于1999年初正式推出伽利略计划,现已基本实现全球信号覆盖。

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▲欧盟伽利略GALILEO卫星导航系统星座图

在这四大卫星导航系统中,GPS、北斗以及GLONASS的成熟度比较高,在民用领域,GPS更是占据着巨大的市场份额。

二、北斗导航系统20年呕心沥血史

整个北斗卫星导航系统由空间段、地面段和用户段三部分组成。

中国自主研发崛起之路,起底北斗导航建设20年呕心沥血史

空间段包括5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星。地球静止轨道卫星分别位于东经58.75度、80度、110.5度、140度和160度。非静止轨道卫星由27颗中圆轨道卫星和3颗倾斜同步轨道卫星组成。

上文我们说到,从上世纪70年代开始,我国就在不断讨论导航定位系统的构建方案,到2018年北斗导航系统正式实现全球服务,其间北斗导航系统的方案也不是一下敲定的。

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▲北斗卫星导航系统星座图

在过去的20年时间里,北斗导航一共出现了两代,我们今天所熟知的北斗导航系统其实是第二代。

第一颗北斗导航卫星发射于2000年10月31日。在20年时间内,北斗导航系统发生过两次相对集中的发射情况,2010年一年时间内发射了五颗卫星。2018年一年之内发射了10颗卫星,这也创下了全球卫星导航系统组网最快纪录。

在此之前,世界四大卫星导航系统中,美国GPS系统最快纪录为一年6星,苏联/俄罗斯格洛纳斯(GLONASS)系统为一年9星,欧洲伽利略GALILEO系统为一年6星。

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▲北斗卫星导航系统各卫星发射时间表

1、卫星导航探索的起步——北斗导航一代

80年代初期,以“两弹一星”元勋成芳允院士为首的专家团体提出了双星定位方案。这也是当时大家公认的最优方案,但因经济条件等种种原因又搁置了十年。

1991年对于中国卫星导航建设来说是一个重大转折点。在海湾战争中,美国在作战中应用GPS非常成功。这也将国人敲醒,被搁置十年的双星定位方案于是马上启动。

可是,为什么我们不是建立像GPS一样的30多颗的卫星系统呢?

90年代初期,中国经济情况刚刚有所好转。在卫星导航系统建设上,中国的经验也非常浅,处于尝试和探索的初期,所以格外小心谨慎。

不过,在空间中定位最少需要三个坐标,两颗卫星是否够用呢?

双星定位方案中有个高度仪,用户需要自测高程,并将结果作为第三个坐标。这就像是在地球中心装了一个虚拟卫星,由此实现三星定位。同时,高度仪的价格也十分便宜,比发射三颗卫星方案更省钱。

美国的GPS采用的是中轨道方案。我国采用的是双星方案,由于轨道低了覆盖面就小,两颗中轨道卫星多数时间会在中国上空以外的地方飞行,中国大陆的信号接收时间就会很短,所以我们的双星方案只能搞高轨道,而且还得是静止的方案,这样才能让其停在中国大陆的上空。

静止高轨道是双星定位的必须选择,从技术上讲这毫无疑问是正确的,但却埋下了性能不强的隐患,这也导致了北斗一代后来被诟病。

由于中国的这两颗卫星是静止轨道的,这也属于通信卫星轨道,所以北斗一代的两颗卫星可以与国际通信卫星一样完成通信任务,于是既能定位又能通信成为了北斗一代的技术特点。

不过,美国的GPS等其它定位导航系统都是不支持通信功能的,不是技术上不先进,GPS的卫星系统各司其职,定位卫星和通信卫星两套系统的性能都很优异。

虽然,北斗一代可以定位也可以通信,但毕竟定位才是北斗一代的主业。因此,北斗一代大部分的信道资源都必须让给定位数据的传送,留给通信的信道资源很少,使其无法完成实时的话音通信,只能完成短信功能。

此外,由于这两颗星的轨道很高,导致了地面被测物体与卫星的相对速度很低,于是多普勒效应就不明显,其定位精度自然远远比不过GPS。

不过,北斗一代已经达到了设计指标,工程是非常成功的,毕竟就只有两颗星,不能和几十颗的海事通信卫星和GPS卫星相比。所以,在相当长的一段时间里,北斗一代并没有激起多少浪花。

2、北斗导航二代

北斗一代的使用体验不如人意,于是专家们思索着该如何办?

经历了和欧洲伽利略的不圆满的合作,中国下定决心退出自己单干,开始发展北斗二代。

北斗二代计划在2020年前发射35颗卫星,形成全球性的定位导航系统,比GPS还多5颗。多出的这5颗是在赤道上空的静止高轨道卫星,主要是完成短信任务的,其它30颗跟美国GPS的30颗一样,都是中轨道的运动卫星。

北斗二代的规模与GPS相当,申请的轨道和频率与欧洲伽利略比较一致,这就不可避免地遇到了卫星轨道和频率争夺的问题。

卫星轨道和空间频率是人类共有的资源,那该如何分配呢?国际规则是既不按国家来分,也不按人口来分,而是谁先占了算谁的。

2005年伽利略计划的第一颗卫星上天了,但并没有开通,只是占了轨道但没占频率。原因则开通需要花钱,欧洲手头有点紧。中国北斗二代的第一颗星也随后上天了,并且当即开通了,将轨道和频率都占上了。

GPS和北斗的中轨道运动卫星都是30颗,它们各在太空上织就了一张网,GPS网眼最密处是在美国上空,北斗二代网眼最密处在中国上空,为本土提供服务是第一要务,这个道理当然很好理解。加拿大和墨西哥当然会选择GPS,而对于亚太国家来说,北斗却比GPS更有优势。

亚太国家也都认识到了北斗的覆盖优势,中国政府也积极推动北斗二代在亚太地区的应用,于是泰国、马来西亚、文莱、印度尼西亚、柬埔寨、老挝等国家派出了19名专家,于2014年7月来到中国考察北斗二代,研究讨论合作的事项。

三、北斗导航的设计思路

北斗卫星导航系统由空间段、地面段和用户段三部分组成,可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠定位、导航、授时服务,并具短报文通信能力,已经初步具备、定位和授时能力,定位精度10米,测速精度0.2米/秒,授时精度10纳秒。

中国北斗卫星导航系统是继美国全球定位系统、俄罗斯之后第三个成熟的卫星导航系统。北斗和美国GPS、俄罗斯GLONASS、欧盟GALILEO,是联合国卫星导航委员会已认定的供应商。

在我国长期航天技术积累和导航系统技术发展的后发优势下,我国采取了一套与其他任一导航系统都截然不同的思路。

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▲GPS星座(左)和北斗星座(右)的对比(左图来源:Wikipedia)

1、三种轨道

目前另外三个全球卫星定位系统都采用距离地面20000千米左右的中圆卫星轨道,而北斗是唯一采用三种轨道搭配的星座:27颗卫星处在距离地面21500千米的中圆轨道,分布在三个轨道面上,保持55度倾角;5颗卫星采取赤道上空35800千米高的地球静止轨道;3颗卫星处在地球同步轨道(也接近35800千米高)、保持约55度倾角。

这样带来一定好处:卫星定位需要接收机收到至少4颗卫星信号。27颗中圆轨道卫星为主力,围绕地球一圈的轨道周期约为12小时,可以保持对全球范围内任一点的稳定覆盖,在任意时间、任意地点观测到6颗星以上,符合常规卫星定位系统需求。55度倾角的设计,也增加了对人口稠密的地球中低纬度区域覆盖。

北斗的地球静止轨道和倾斜同步轨道则是为中国乃至亚太地区特殊定制而来,在设计之初就有亚太专属服务。相比之下,GPS却没有这种优势,日本为了提高GPS在日本的应用精度,发射了四颗倾斜同步轨道的准天顶系统。

两种高轨卫星的轨道周期与地球自转24小时周期完全同步,因而相对而言5颗卫星静止在赤道上空,3颗卫星由于倾角设置相对地面做固定周期的运动,投影轨迹始终留在亚太及沿赤道对称区域,抗遮挡能力强。因而在亚太地区可以几乎永久保持至少12颗卫星可见,大幅提高该区域定位精度。在配合地面建设的增强基站情况下,实现分米乃至厘米级定位亦很现实。

2. 三种工作频率

电离层会影响电磁波传播,是卫星导航定位的最大误差源,必须消除。电离层的干扰与卫星信号频率相关,因而采用至少双频信号可以构建电离层延迟修正模型最大限度去除这部分干扰因素,对定位精度的提升非常显著,三频则可以构建更复杂模型消除高阶影响。

此外,在三个频段上发射也增加了不同信号(军用、民用)的调制选项,抗干扰能力得到提升,也提高定位可靠性,对于厘米级乃至毫米级定位中最核心的载波相位模糊度解算也大有益处。正因如此,近些年来原本双频信号的GPS系统也在扩展成三频系统。可见,北斗的后发优势不言而喻。

3. 短报文系统

北斗还有一个独门绝活:短报文系统,简而言之是通过卫星实现天地双向通信。其他三大系统都不存在接收机和卫星之间的双向通讯,只是单向接收。

北斗这功能意味着卫星可以向拥有此项授权服务的接收机发送专属讯息,例如大洋之上、深山老林等特殊情况并没有任何手机信号,发生紧急情况时高轨北斗卫星可以及时与地面互动。对于军事行动的意义更是无法形容。

此外,部分北斗卫星还携带了国际Cospas-Sarsat卫星辅助搜索和应急救援计划的有效载荷,在发生紧急情况时可以参与国际合作的应急救灾工作中。

4. 星间链路通信

导航卫星系统需要长期维持,这意味着需要地面监控站、主控站、注入站等系列部分。对于全球性导航定位系统而言,这些站点位置分布也有要求,但这会进一步增加系统运营成本。

例如GPS就拥有5个监控站,1个主控站和3个注入站,几乎均匀分布在全球的美国领土/军事基地中,每年开销不菲。

对于北斗而言,不仅有全球建站安全性的问题,还有运营成本的问题,有必要最大限度开发自身优势:高中轨道搭配的卫星星座,使它们之间可以互相联络,彼此不再孤立。

这意味着北斗只需实现中国境内主控、监控和注入,而高轨卫星“登高望远”可以与系统内其他卫星进行星间链路链接。此外,星间链路本身也可以用来测距,对于提高星座轨道精度大有裨益。系统内部的自我通信也可以使得整体抗干扰能力大大增强。

2019年6月,中国正在建设的北斗卫星导航系统进展顺利,计划于2020年向全球提供服务。北斗卫星正在布局全球组网,到2020年就可以为世界各地的人们提供全球定位、导航、授时、短报文等服务。

北斗的首次成功应用是2008年5月12日的汶川地震,甭看我们平时的通信非常方便,电话、短信、互联网等手段很多,但其实都是高度依赖光纤和基站的,当这些基础设施遭到大面积损坏时,你会发现QQ、微信、微博、短信…..所有平时很方便的通信手段全都完蛋了,除了靠吼之外简直就没有一点办法。

那时候北斗还是一代系统,虽然因为性能指标比不过GPS和海事卫星而被骂出了翔,但北斗一代在地震时却发挥出了不受地面影响的优势,它的定位和短信能力充分发挥了作用,成为了救援指挥部队和前线救援人员最得力的通信助手,最大限度地保证了“72小时黄金抢救时间”的有效利用,彰显了北斗服务民生的技术优势。

四、北斗导航的民用之路

GPS免费对全世界的民生来说是个福利,但在军事方面却是个挑战。美国敌对国家的军机战舰上当然也可以安装,美国人也禁止不了,这对美国是不是一个威胁呢?

自主建设、独立运行的卫星导航系统,是为全球用户提供全天候、全天时、高精度的定位、导航和授时服务的国家重要空间基础设施。

无论是GPS,还是我国的北斗导航系统,都有所谓的军码和民码,简单来理解的话,军码就是主要应用与军事,对军方部门开放,其他人根本不可能进入,高度保密的部分。其实无论是GPS还是北斗,诞生之初的目的就是军用。

民码就是开放给普通民众日常导航使用的,那么好多人想知道军码和民码有什么区别,其实军码和民码最大的区别不在于精度上,虽然军码码长确实要短(码长越短测距精度越高),但卫星导航定位误差的大头儿不在测距误差上。

军码测距误差再小,也是分米量级,民码再差也是一两米的量级(不算多径等其他外界干扰)。加上其他大气延时、星历误差、多径等因素,民码和军码的定位误差真的是相差不大!

军码和民码最大的不同在于码的周期,民码的序列是已知的,而且很短,容易捕获。而军码的周期非常长,而且未知,只能通过特殊的解密模块才能捕获到。因此,军码是安全的!在特殊时期可以把民码关闭,这样只有安装解密模块的设备才可以捕获到军码,并通过军码进行定位。

其实GPS开放的只是民码,精度比美国军方使用的军码差了十倍。设想一下,如果GPS民码一停,我们的指南针都不能用了。如果GPS不停的话,但发个欺骗码,这个后果也是不可想象的。

所以说,处于军事的安全考虑,拥有自己的导航系统非常重要。由于全球定位导航系统工程浩大,只有综合国力强大的国家才可以建造。

中国自主研发崛起之路,起底北斗导航建设20年呕心沥血史

▲北斗导航系统示意图

北斗卫星导航芯片、模块、天线、板卡等基础产品,是北斗系统应用的基础。通过卫星导航专项的集智攻关,我国实现了卫星导航基础产品的自主可控,形成了完整的产业链,逐步应用到国民经济和社会发展的各个领域。

伴随着互联网、大数据、云计算物联网等技术的发展,北斗基础产品的嵌入式、融合性应用逐步加强,产生了显著的融合效益。

北斗导航的相关产品已广泛应用于交通运输、海洋渔业、水文监测、气象预报、测绘地理信息、森林防火、通信时统、电力调度、救灾减灾、应急搜救等领域。

五、北斗导航民用产业链发展情况

在民用方面,北斗系统主要有行业市场、大众市场及特殊市场三大应用市场。

1)行业市场:主要包括交通运输、电力应用及农业等行业,目前行业市场处于规模化应用发展期,未来增长速度有望加快;

目前,北斗导航的位置、导航及授时功能已经成功应用于车船监管、电力、农业等市场。当前,很多北斗行业细分市场目前仍处于起步阶段,主要成长动力来自国家政策及重点示范项目的推动,但随着交通运输、精准农业、市政管理、安全监测、电力等细分领域的稳定增长,更多市场机会将不断涌现,市场未来潜力巨大。

目前我国已建成全球最大的营运车辆动态监管系统,已有超过617万辆道路营运车辆,3。56万辆邮政和快递车辆,36个中心城市8万辆公交车,370艘交通运输公务船舶、近6万渔船、3230座内河导航设施,2960座海上导航设施安装使用或兼容北斗系统。

2)大众市场:主要包括智能网联汽车、智慧城市及可穿戴设备等市场,大众市场处于标配化应用启动期,未来增长潜力巨大;

在智能网联汽车行业,北斗系统主要应用于:自动驾驶、智能座舱、车路协同等方面,北斗系统的高精度定位是智能网联汽车感知的关键基础技术。

据《2018中国卫星导航与位置服务产业发展白皮书》显示,2017年我国北斗车联网的市场渗透率为7。1%,北斗在未来无人驾驶预计将达到50%的渗透率,若假设北斗车联网的市场渗透率仍达到7%,预计2021年我国北斗车联网产值将超过100亿元。

与此同时,在智慧城市行业,北斗系统主要应用于智慧交通、智慧养老、城镇供热、供水排水等方面,国家北斗服务网已经为全国超300座城市的各种行业应用提供北斗服务。

而在可穿戴市场方面,目前,小米华为等市场主导企业的产品也已全面支持北斗系统,并于2018年上市了中国首创的“北斗芯”智能腕式手机。2021年中国穿戴式设备产值有望超500亿美元。

3)特殊市场:主要包括公安、防灾减灾等市场,特殊市场处于维持稳定增长期,仍是北斗行业需求扩张的重要领域之一。

特殊市场涉及军用、警用、防灾减灾、应急救援、公共安全等,是国产替代最关键的领域,也是北斗应用最快、最稳定的市场之一。目前三级北斗公安应用体系已建成,2020年北斗警务车载终端的配备率预计达100%。

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目前,我国卫星导航与位置服务领域企事业单位数量保持在14000家左右,从业人员数量超过50万。截至2018年底,业内相关上市公司(含新三板)总数为51家,上市公司涉及卫星导航与位置服务的相关产值约占全国总产值的10.74%。

空间段由由航天科技集团下属单位主抓,地面段的研制生产以中电科集团等为主导,用户段的产品及系统市场化特征较为明显,参与主体众多,包括军工集团下属公司、地方国企参军公司及较多民参军企业。

在用户段方面,北斗系统产业链又包括北斗兼容其他卫星导航系统的芯片、模块、天线等基础产品,以及终端产品、应用系统与应用服务等。

用户段又可以细分为上中下游产业:

1)上游基础部件是产业自主可控的关键环节,基础部件作为自主可控最关键的部分,主要由基带芯片、射频芯片、板卡、天线等构成;
2)中游主要包括终端集成和系统集成,是产业发展的重点;
3)下游的解决方案和运维服务提供众多行业应用。

结语:北斗导航民用生态潜力巨大

对于我国而言,建设自主的卫星导航系统在国家安全、经济效益、技术储备等方面有重要的战略意义。

2018年年底“北斗三号”完成发射35颗卫星,实现了全球组网,北斗导航系统也实现了全球覆盖、向全球提供服务。

此次,随着“北斗三号”中圆地球轨道卫星全部发射完毕,“北斗三号”全球系统核心星座宣布部署完成。未来上游产品配套需求及下游场景应用领域将进一步得到拓展,北斗产业将迎来发展新机遇。