让北斗卫星导航系统羽翼丰满
作者:杨长风
来源:《科学24小时》2018年第10
        地理信息中的时间和空间是宇宙万物的基本属性。现代信息社会中85%的信息与位置、时间相关。从导航技术发展历史看,在需求牵引和技术推动的双重作用下,人们一直在寻求更为先进的获取空间位置和时间信息的手段。目前,卫星导航已经成为最重要的PNTpositioning navigation timing,即定位、导航、授时)手段,能够为全球地表和近地空间提供服务。未来,PNT体系将是定位导航设施技术的发展方向。
        性能提升 覆盖全球
        目前正在建设的北斗三号卫星系统跨度大,创新性强。对标世界一流卫星导航系统,其创新性主要体现在以下几个方面。
        在建设、运行、应用方面,北斗三号卫星遵循国际标准,规则、程序均实现与国外系统的兼容。现在使用手机导航时,一般看到的都是GPS,实际上在使用过程当中都是与北斗兼容使用的。如果手机装有双模接收机,则既能用北斗导航系统,也能用GPS导航系统,我们的民用服务和有关信息完全开放。
        到今年年底,北斗三号卫星系统还要发射11颗星,实现一带一路沿线国家的基本服务。到2020年,完成共30颗星的发射组网任务,实现全球组网目标。可以说,北斗20多年的发展跨越了美国GPS 40多年的历程。
        精准可靠 兼容互用
        定位导航授时体系是各种PNT技术、系统和服务的总称。它覆盖和贯穿了时空基准的建立、维持、传递与应用的全过程,其目的是为人类的活动空间提供统一、精确、可靠的时空信息服务。
        卫星导航系统就像水和空气般地深入到我们日常生活的各个方面,在导航定位、精确制导、通信、电力、测绘等方面都得到广泛应用。卫星导航系统已然是当今最重要的PNT系统,
但是受卫星导航信号物理特性的限制,卫星导航系统并不能作为唯一可依赖的PNT手段。主要问题有:信号接收功率极低,容易受到干扰;障碍穿透能力弱,还不能全面覆盖水下、室内、丛林、峡谷等复杂环境;只能覆盖地球空间,而在为深空探索提供服务方面仍存在空白。因此,我们迫切需要进一步提升以卫星导航系统为核心的各类PNT手段的创新发展,通过多手段系统集成,形成体系化的国家级PNT基础设施建设。
        我国PNT体系的总体发展目标是,开展技术先进、安全可靠、兼容互用的新一代北斗导航系统建设,实施多技术融合增强、多手段补充和备份系统建设,建成基准统一、覆盖无缝、安全可信、高效便捷的北斗综合PNT体系,满足国家安全、经济社会时空信息保障需求。
        从卫星导航的角度来看,PNT体系相当于卫星导航与各种增强补充的备份系统。增强系统主要增强卫星导航性能、完好性和安全性等,补充系统主要填补卫星导航在水下、深空、室内服务的空白,备份系统主要在卫星导航服务中断时提供一定的应急服务。
        从北斗导航系统角度来看,PNT体系约等于北斗+”。北斗导航系统能够提供高精度的定位服务,覆盖3000千米以下的近地空间,本身也具备较强的星座生存能力,可以提供精准
的时空参考框架,是PNT体系的核心和基石。北斗+通信可以进一步提高北斗导航系统的服务能力;“北斗+惯导可以提升防电磁阻断能力,在短时间内保证时空信息服务不中断;“北斗+水声、脉冲星导航可以填补北斗导航系统在水下和深空服务方面的空白。
        五层建设 体系融合
北斗手机号定位        PNT体系的建设内容主要分为五层:在最外层深空领域主要发展脉冲星导航技术;在中高轨道空间主要发展下一代卫星导航系统;在近地轨道空间主要开展低轨导航增强系统建设;在地表主要开展北斗导航系统与5G、数据链等通信系统的深度融合;在水下重点建设海底控制点水声导航、匹配导航等水下导航系统。
        去年,我国发射了一颗脉冲星,做了大量的试验,可为深空、航天提供自主的导航定位授时服务。今后,北斗导航系统时间和空间的基准就可以通过脉冲星来提供,成为北斗北斗
        下一代卫星导航系统要在北斗三号卫星的基础上进一步提高基本导航、星基增强、短报文通信、国际搜救、精密定位、星间链路六个方面的能力,同时更好地融入到国家网络信息体系。
        增强低轨导航,主要是加强30千米以下空间全球覆盖的问题,辅助提升北斗导航系统抗干扰的能力,实现全球范围内用户分米级定位。同时,低轨导航本身也具备单独的定位授时服务能力。
        北斗还可以和5G技术融合。北斗导航系统在室内和城区复杂环境下的定位能力不足。融合后,北斗导航系统就可以利用5G高速移动通信网,播发导航电文和分成信息,辅助实现移动通信区域分米级、厘米级高精度的增量。北斗和5G技术的融合,核心就是要协同设计有关标准、规范和体系架构,一旦降低成本、提高精度后,市场的空间预计可达万亿,融合前景非常好。
        水下导航的核心主要是惯性导航,同时通过水下无线电导航、水声导航、重力导航等手段对惯导长时间漂移误差进行校准,按照解决急需、提升能力的思路逐步发展。在解决急需方面,补充惯性的缺点,发展多源校准的手段;在长远提升方面,发展高精度、小型化、持续发展的惯性技术。
        简而言之,就是“5+1+N”。其中的“5”是五大基础设施,包括积极发展下一代卫星导航系统、低轨导航增强系统、水下导航系统、惯性导航系统和脉冲星导航系统。“1”就是实现一个
融合发展,要加快推进以5G移动通信为代表的网络信息体系的深度融合。“N”主要是突破一系列新兴技术的研究,包括超稳芯片级原子钟技术、仿生导航等等。
        以北斗导航系统为核心的国家PNT體系不是所有PNT技术与系统的简单集合,更不是另起炉灶,而是要做统筹、融合、协调,从满足最大共性需求出发,提供一个标准化的解决方案。提高体系建设以及维护和使用的效费比。从技术角度来看,就是要实现全空域、全时域、全信息、高可靠的使用要求。在人类重点活动区域,实现多种PNT手段的体系融合,使服务能力更加稳固。