北斗奪回中國導航系統主導權

北斗奪回中國導航系統主導權
2022年12月20日 15:01 市場資訊

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  來源:星海情報局

  我多年前來北京的時候,有段時間住在望京。這是一個出租車司機聽了都會撓頭的目的地,因為里面像個迷宮,對望京不熟悉的司機師傅們,為了不耽誤自己拉活的時間都不愛往里扎。

  以至于當年望京街道辦為了“指路”,還曾建過一批造型頗受爭議的雕像。有人為此去采訪望京街道辦,街道辦宣傳科員工接受采訪時心態無比平和,說嗨呀,能指路就行。

  在國內移動互聯網剛剛起步的2012到2013年的時段,我們手機里的的地圖導航軟件基本都是用美國的GPS定位,精度只到道路級。這個精度在美國的道路規劃和密集水平之下,或許并不算太大的問題,但在望京這樣的“迷城”里,它能告訴你哪里有路,但有時可能讓你走得“不是那么爽快”。

  類似的情況,近些年越來越少了。望京不再是“迷城”,像我們手機里的高德地圖已經能夠完成車道級的定位精度,不僅能告訴你哪有路,甚至能知道你在第幾車道,告訴你該不該換道、過馬路。

  過去的十年里,國人幾乎習慣了科技進步給我們生活帶來的變化,但絕大多數人不知道的是,今天中國的導航定位,已經從曾經的美國GPS主導,逐漸變為了北斗主導。越來越精確、越來越先進、越來越方便我們生活的,并不再只是一手遮天的美國GPS,更多是中國的北斗。

  這看似簡單的一點點改變,是中國幾代航天人,幾代“北斗人”,用畢生努力,傾盡熱情與青春換來的技術成果。中國北斗,已經將整個民用導航系統主導權,牢牢掌握在手中。

  潤物無聲的崛起

  2020年6月23日9時43分,我國在西昌衛星發射中心用長征三號乙運載火箭成功發射北斗系統第55顆導航衛星,這是北斗三號最后一顆全球組網衛星。

  衛星定位導航的原理,是由衛星向地面發出信號,而地面上的設備接收到信號,計算從發出信號,到接受信號所用的時間,乘以光速,就是地面設備和這顆衛星的距離。計算三個衛星和同一個設備之間的距離,就可以實現對該設備的定位。

  但在光速的參與下,只要出現20-30納秒的誤差,測距的精準度就會變得完全離譜,所以還需要引入一顆衛星單獨保證天地之間時間數據的同步,四顆衛星就最終構成了一個精準的“時空定位系統”。

  對于普通人來說我們最常用的就是手機和車載導航。2020年6月23日北斗正式完成組網后不久,高德就曾和華為一起發布了業內第一個智能手機上的車道級導航服務,服務由北斗支持。在那之前,國內的地圖導航基本都還只能實現道路級的導航。

  車道級導航的出現,意味著中國民用導航系統在北斗的支持下,精度已經從5-10米的道路級,進化到了1米以內的車道級。再直觀一點,就是從只能告訴你這里有路,但搞不清楚你走的是哪個車道;進化到了不僅知道哪里有路,還能知道你走在哪個車道,是否應該變道,甚至是在什么時候變道。

  支撐車道級導航的是北斗亞米級的高精度定位,這是GPS所達不到的精度水平。到了今年,高德甚至已經可以基于北斗穩定精準的定位能力,通過算力幫助用戶預測當前路口紅燈的倒計時讀秒,估計你所需要等待的輪次數了。

  共享單車是另一個國民級別的應用案例。相信大家都看過共享單車的“墳場”,投放無序,滿街都是,但真到了要找車的時候,卻經常走了半天發現定位不準,顯示有車的地方空空如也。你找不到車,維護人員也找不到車,于是運維又變成了巨大的難題。

  后續在監管政策的推動下,整個共享單車行業都基于北斗全面采取了高精度的電子圍欄,加裝了支持北斗的定位芯片,在城市路況下,定位精度達到3米以內,從而規范了整個共享單車行業,讓城市回歸了整潔有序的管理,進行了市政管理的數字化升級,也為大眾提供了更加便利的環境和條件。

  另一個車道級定位的重要應用,離我們的日常生活也很近。我不知道大家有沒有在高速公路上堵過車,當年我有個項目在郊區,每天去現場都要開四十分鐘的高速,過兩個收費站。一旦趕上周末或者早晚高峰,閘口等收費就要20分鐘,兩個收費站的等待時間要比實際車程還多一倍,來回就要多花一個多小時。

  而交通部目前已經基于北斗的車道級定位,推動開發了高速公路的不停車收費系統,第一個規模化應用即將在海南自貿區開始實現。

  上一篇寫中國基建時,有人在評論留言里問,能建設一個系統,把中國的零散的貨運(比如長途汽車),長江及其支流的水運統一起來管理嗎?

  事實是,中國已經有了類似作用的系統在運行。2011年左右,因為重特大交通事故頻發,全國道路運輸安全形勢都比較嚴峻,交通運輸部和總裝備部就聯合啟動了重點運輸過程監控管理服務示范工程。通過和北斗合作,建立了“全國道路貨運車輛公共監管與服務平臺”,來提升中國道路的貨運安全水平。

  這個平臺其實就是要求“兩客一危”(旅游包車、三類以上班線客車和危險品運輸車)加裝北斗終端,進而實現精準識別重載貨車的實時位置和運行狀態,將北斗交通大數據和人工智能相結合,對危險駕駛行為進行提示糾正,最終有效降低了交通事故的發生幾率。目前平臺已經鏈接了全國700多萬輛重載貨車,是交通領域最大的北斗示范工程。

  類似的案例,我可以舉出無數個。比如金融市場的交易,需要極為精準且統一的時間,國內很多交易系統都在由北斗的導航衛星進行精準授時,從而保證交易的即時性。比如高鐵的時空管理,也已經完成了北斗導航系統對GPS的全面替代。我們普通人的每一次出行,都是北斗導航在無聲無息地給我們保駕護航。

  一項技術真正成熟,并開始大規模投入應用的時候,往往是悄無聲息的。據中國衛星導航系統管理辦公室發布消息說,北斗衛星在高德地圖的日均調用量已超GPS。在不知不覺間,中國的導航定位已經從原先的美國GPS主導,變為了北斗主導。但在了解北斗的過程里,我卻總是希望把北斗的成就喊得大聲,再大聲一點。

  因為英雄不該無名,英雄就該得到獎賞。

  中國幾代航天人的北斗夢

  1985年4月15日到18日,在美國華盛頓召開了一個“GPS全球定位系統國際運用研討會”。在會上,美國軍方宣布了三條可能出現的限制應用措施,第一條,可能隨時區域性關閉,第二條,可以降低精度,第三條,必要時會變更編碼。

  參會的時任解放軍總參謀部測繪局局長卜慶君回來后就向上報告,希望能做中國自己的定位系統,避免以后在關鍵時刻被卡脖子。

  但對當時的中國來說,這幾乎是個不可能完成的任務。要知道,美國1973年開始著手組建GPS衛星導航系統,到卜慶軍參會時的1985年,已經在GPS上投入了超過100億美元。而中國整個上世紀80年代,為了大力發展經濟,每年軍費一共也就五十億到六十億美元,哪里有多余的錢撥給全球導航系統這種吞金獸。

  圖源來自:《北斗》紀錄片截圖

  做,沒有錢,沒有人,也沒有技術。不做……1990年海灣戰爭,被美國的總結報告稱為“GPS的勝利”;1993年銀河號事件,又讓中國經歷了巨大的沖擊。

  1993年7月7日,中國遠洋運輸總公司的銀河號萬噸級集裝箱船,從天津新港出發前往伊朗阿巴斯港,這本是一次再普通不過的遠洋貿易。直到7月23日,美國海軍聲稱掌握了確切情報,銀河號上裝有化學武器原料硫二甘醇和亞硫酰氯,在印度洋截停了銀河號,并要求登船檢查。

  船員一開始并沒有搭理這種無理的要求,但很快美國關閉了附近海域的GPS信號。茫茫大海之上,銀河號失去了方向,只能停了下來。甚至因為GPS信號被關閉,一度和國內失去了有效通信,使得陸上指揮完全失去了銀河號的具體位置。

  今天,為了能有一個相對不那么炎熱的天氣,世界杯被推到了11月舉辦。而在二十九年前,中東那個極度干燥而又炎熱的8月,中國“銀河”號的38名船員在極度缺水缺糧的情況下,海上漂流了整整22天,才被迫同意在第三方沙特的見證下,由美方登船檢查。

  628個集裝箱,數天的檢查過程,美方除了文具五金和機械零件,什么也沒有找到。最終只好承認情報錯誤,但卻拒絕以任何形式對中方道歉。

  負責溝通的時任中國外交部國際司副司長沙祖康在接受采訪時,連說了十三個“窩囊”。6個月后,一份名為《關于印發雙星導航定位系統工程立項報告的通知》,宣告了“北斗一號”的正式立項。

  54歲的卜慶軍在努力了9年后,終于等來了“北斗”的上馬;65歲的孫家棟,翻過作為“東方紅一號”衛星總體設計師的人生一頁,被任命為了“北斗一號”工程的總設計師;而77歲的陳芳允,于5年前對“雙星定位”理論完成了實際驗證,成為了“北斗”的理論奠基人。

  從1994年立項,到2000年發射北斗一號所需的兩顆衛星,第一代北斗人完成的是中國航天和自主衛星定位導航系統從無到有的突破。

  如果說“北斗一號”最難的是立項;那么“北斗二號”就是一場與時間的賽跑。

  由于起步較早,美國和俄羅斯占用了80%的黃金導航頻段,剩下的一小段頻率,在2000年6月被聯合國國際電信聯盟放出來供世界各國平等申請,啟用時限7年,先到先得。簡而言之,中國必須在2007年4月17日之前發射衛星,并成功播發信號。否則這僅剩的導航頻段使用權就會被取消,此前一切努力皆成泡影。

  而此時,北斗二號工程才剛剛啟動,導航衛星上的“心臟”銣原子鐘還遠遠沒有實現國產化,卻先一步迎來了極為嚴苛的國際禁售。最終留給中國人攻關這項技術的時間只有兩年。

  2007年4月14日4時11分,首顆北斗2號衛星發射升空,卻幾乎沒有歡呼聲傳來。因為此時距離頻率使用權被收回的4月17日,只剩下了88個小時。在軌調試卻通常需要7天。

  信號沒有傳回,誰也沒有歡呼的心情。焦灼的等待持續到了4月17日晚上8點,控制中心的接收機界面突然跳動,北斗2號在發射80多個小時之后,終于傳回了第一組清晰的信號,此時距離國際電聯規定的頻率啟用最后期限,還不到4個小時。

  “北斗”幾乎是在大門關閉的最后一刻,擠進了全球衛星導航系統的俱樂部。

  十年后,另一個人也經歷過同樣焦灼的等待,那個人就是“北斗三號”的總設計師林寶軍。

  那一天,衛星在太空只用了16秒就穩住了姿態,林寶軍卻說這么多年都等了,不在乎這幾分鐘,于是一直等到了原計劃的第8分鐘,才向衛星發出了帆板展開指令。導航設備開機的時候,林寶軍給接收信號的陜臺打電話,說:“咱那個開(機)了嗎?”

  對方答:“開了。”

  林寶軍又問:“信號下來了嗎?”

  “下來了。”

  “星呢?”(衛星信號呢?)

  “星也下來了,很好。”

  沒有人看到,林寶軍的眼淚在那一刻嘩地流了下來。

  時任科技部副部長相里斌曾經有一天晚上到林寶軍的房間去,說寶軍啊,你想想,做這個東西,全國人民,包括所有的人,對咱們有多大的期望?如果這個星要不成,咱倆應該從樓上跳下去。

  而直到聽到那句“很好”的時候,林寶軍才終于確定:不會不成了,北斗首發星的一切都成了。

  從2017年11月開始,中國以百分之百的成功率,在32個月中,發射了30顆北斗三號組網星,和兩顆北斗2號備份星,以月均一顆衛星的速度,創造了世界導航衛星組網發射的新紀錄。

  北斗三號完成全球組網的時候,很少有人知道,全國有400多家單位,30余萬名科研人員參與其中。那一天距離卜慶軍赴美參加那場GPS研討會,已經過去了35年,距離陳芳允先生提出的雙星定位構想過去了37年,距離北斗一號工程立項,過去了26年。

  中國終于建成了屬于我們自己的自主全球衛星導航定位系統。

  終端遷移里的時代機遇

  在中國之前,美蘇都是按照一步到位的方式建立的全球導航系統,但中國考慮到自身所能投入的有限的資源,以及自身的人才和技術儲備,最終選擇了分階段進行了系統的上線,簡稱“三步走”戰略:

  • 第一步,“北斗一號”完成從無到有,在中國本土實現區域衛星定位零的突破。

  • 第二步,“北斗二號”完成進階任務,覆蓋亞太,實現定位、導航、測速、授時、通信等綜合功能。

  • 第三步,“北斗三號”完成全球組網,進一步實現上述功能的完善和進階。

  上線的過程,也伴隨著地面應用的不斷發展,一個系統不用,就沒有了其存在的意義,只有用起來,才能真正體現價值。

  而地面應用的基礎,首先需要定位芯片的支持。智能手機作為最廣泛被使用的導航定位終端,在其中起到了巨大的作用。

  在芯片不占主導的情況下,過去二十年中國手機市場的大爆發,和消費電子產業及華為、小米、OV等一大批手機終端廠商突飛猛進的發展,推動了三星、高通等基帶芯片廠商對北斗系統的硬件支持,為北斗系統地面應用的順利鋪開帶來了巨大的時代機遇。

  2014年1月,三星電子宣布GALAXY Note 3國行版的兩個型號(N9006和N9008V)正式支持北斗衛星導航系統,這也是首款支持全球三大衛星導航系統(美國的GPS、俄羅斯的Glonass和中國的北斗)的智能手機,奠定了一個導航系統在智能手機上競爭基調:

  各憑本事,誰強用誰。

  世界四大全球導航定位系統,美國GPS,俄羅斯格洛納斯,歐洲伽利略,和中國北斗,誰的信號質量更好,反應更快,你的手機就會優先調用哪個系統提供的數據。

  而在中國,乃至整個亞太,北斗系統無論是衛星數量,還是信號傳輸的質量,都有著明顯的優勢。

  近日,中國衛星導航系統管理辦公室發布高德地圖基于北斗衛星導航系統(以下簡稱“北斗系統”)的應用相關數據:截至2022年11月,高德地圖調用北斗衛星日定位量已超過2100億次,北斗調用率在所有衛星導航系統中居于首位。

  而高德地圖發布的車道級導航服務,應用北斗系統亞米級的高精度定位技術,結合參考站修正信息,經過融合和解算后,實現定位精度從5-10米的道路級,進化到1米以內的車道級別。這也是國內首個可完全在智能手機上實現的車道級導航服務。

  在同時支持北斗和其他衛星導航系統的手機用戶中,高德地圖平均每次定位所調用的衛星,北斗衛星的數量占比最高,比排名第二的GPS多出了30%。

  曾經堅持不愿支持北斗導航系統的蘋果,曾經因為只依賴GPS和格洛納斯,在中國市場上以導航不準而飽受詬病,最終也在2020年的iPhone12上宣布支持北斗。今年上半年我國境內申請入網的智能手機中,有128款支持北斗定位,其出貨量占上半年總出貨量的98%以上。

  可以說,至少在中國本土,我們已經通過最公平的競爭,重新奪回了中國民用導航系統的主導權,今天中國手機地圖導航定位已經全面實現了北斗主導。而在國際上,北斗也正在獲得舉足輕重的地位。相關產品和服務已輸出到120余個國家和地區。

  北斗地面應用的初步推廣,得益于上一輪以手機為主要節點的終端遷移;而北斗未來的廣闊前景,則必將得益于以智能汽車為主要節點的新一輪的終端遷移。

  以特斯拉為例,當年剛進入中國時自動駕駛表現極為糟糕,最重要的就是因為其導航定位依賴的是谷歌地圖和GPS,精度和準度都極為堪憂。

  而中國新一代車企,如蔚來、小鵬、理想,則大多使用的是高德等本土地圖軟件,調用的是北斗的車道級精度導航數據。這種高精度的定位,有著極為廣闊的應用前景。

  小鵬汽車上的高德車道級導航

  比如青島港,在整個37平方公里的碼頭上,無人駕駛的AGV全自動引導車,和全自動的空中空軌運輸系統,都由北斗提供定位支持,最高定位精度可以達到2厘米,全程自動進行集裝箱的裝卸和運輸。在青島港,只需要9個遠程操控的技術工人,就可以取代傳統碼頭作業需要八十多個工人才能實現的工作。

  全球百分之八十的貿易,都是通過海運來完成的。而世界上最忙碌的十個港口里,有七個都在中國。而未來港口發展的智能化解決方案,基礎就在于導航定位系統的精度和反應速度。

  北斗在青島港的應用,和對無人駕駛引導車提供的導航支持只是一個縮影,終端遷移帶來的下一個時代機遇,被北斗牢牢地抓在了我們自己手里。

  結語

  當今的國際規則,大部分是美國制定的,其它大部分國家和美國之間的關系,類似應用開發者和蘋果(或者谷歌安卓系統)之間的關系。當依賴于美國系統的其他國家要和美國發生沖突的時候,幾乎毫無招架之力。

  但就像國際手機主流操作系統,有安卓和蘋果iOS兩大系統并存一樣,我們認為中國未來努力的方向,是和美國形成“雙操作系統”模式。

  在互聯網領域,已經有了這種模式的雛形,比如美國有Meta,中國有騰訊;美國有亞馬遜,中國有阿里巴巴;美國有谷歌,中國有百度;美國有Uber,中國有滴滴。

  中國的互聯網產業,在美國之外,形成了一套獨立的產業體系,并且頗有獨到之處,在海外也相當具有競爭力。

  而在其他領域,中國也正在建立一套獨立于美國之外的普適性標準,比如美國有GPS,中國有北斗,而我并不比你差,甚至在某些領域,某些功能上,具有很強的不可取代性。

  在一年前新疆棉事件時,我曾經提出過,不只要做產品上的國產替代,更要做標準上的國產替代。北斗對中國民用導航定位系統主導權的重新掌握,就是這種“標準的國產替代”的第一步。

  越是中國被國外“卡脖子”、“技術脫鉤”,中國越是要擴大開放,越是不能閉門造車。要積極在產業和經濟上接入日本、韓國、新加坡、泰國、德國、法國、俄羅斯、印度、巴西、阿根廷、印尼、越南、土耳其、捷克、波蘭、西班牙、意大利、荷蘭這些國家,通過與這些國家的經貿和技術往來,建立我們自己的一套操作系統,進而走向中美“雙系統”。

  中國古代十大名劍里,排名第一的是軒轅,并不是湛盧,但林寶軍用湛盧來形容北斗,因為湛盧是仁者之劍,他說中國人建造北斗,并不是為了稱霸,而是為了造福。這句話或許正應了一句被寫進了中國人骨血里的文化精神內核:

  貧,則獨善其身;達,則兼濟天下。

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責任編輯:劉萬里 SF014

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