用北斗打開想象
衛星導航的應用不應受限于想像。從牛郎織女的星河傳說開始，中國人就在用無盡的想像勾畫著未來，而北斗組成的星座，也將打開未來的想像之門。
文｜錢麗娜 陳茜
2020年6月23日9時43分，第59顆北斗組網衛星在西昌衛星發射中心發射成功。至此，中國歷時26年建設的自研衛星導航系統完成了組網，結束了依賴GPS的歷史。
從1994年12月北斗導航試驗衛星立項開始，到2020年完成全球組網，衛星定位導航技術正隨著中國數字化、智能化的浪潮展示出強大的商業動能。
北京正弦空間技術有限公司總經理，原中國空間技術研究院研究員、北斗三號衛星主任設計師何善寶博士說，“北斗是基礎設施的基礎設施，是時空基準，在廣大的國土中你得知道自己在哪里，有自己的參照系和標準。國家已經投資幾百億元鋪設完成。”
圍繞北斗產業，2015年中國衛星導航與位置服務產業總體產值已超過1900億元。衛星導航與位置服務領域企事業單位數量超過13000家，從業人員近40萬人。行業內上市公司（含新三板）總數達21家，上市公司涉及衛星導航與位置服務的相關產值約占全國總產值的6%。上海北斗導航創新研究院副院長裴凌說，“這一領域的機會剛剛展露頭角。”
北斗的歷史
1990年代，中國決定上馬衛星導航系統。彼時中國在很多領域需要投入，在財力薄弱的情況下，衛星導航系統的研發很難擁有充裕的資源。
為此，中國開始探索適合國情的衛星導航系統發展路徑，形成三步走的戰略：2000年年底，建成“北斗一號”系統，為中國提供服務；2012年年底，建成“北斗二號”系統，逐漸覆蓋亞太區域；2020年，建成“北斗三號”系統，向全球提供服務。
何善寶說，中國的北斗工程在起步之初受經費影響，與GPS的設計思路不同，但反倒走出了一條創新之路。
中國上馬“北斗一號”系統時，采用的是陳芳允院士提出的“雙星定位”，由兩顆地球靜止軌道衛星（GEO）覆蓋中國區域，創造性地提出集定位、通信和授時三大功能于一體的建設方案，比GPS多了通信功能。
鑒于技術和成本，“北斗一號”系統采用有源定位技術。衛星接收到地面發出的信號后送到中心控制系統再返回地面，通過一來一往的雙向短報文對終端進行定位。“有源定位和短報文特色服務”曾被稱為北斗系統的“最大特色”，在氣象、水文監測上有了較為廣泛的應用。然而不足也很明顯，在定位時需要地面保持無線電靜默，且設備必須包含發射機，使用不便，用在軍事上容易暴露目標，此外還有用戶容量有限、定位精度不足、實時性較差的缺點。
“北斗二號”并不是“北斗一號”的簡單延伸，它克服上一代系統的缺點，提供海、陸、空全方位的導航定位服務，采用無源定位技術，主要覆蓋亞太區。“北斗三號”則實現了無源導航系統的全球覆蓋。
北斗采用混合星座，由地球靜止軌道衛星（GEO），傾斜地球同步軌道衛星（IGSO）和中軌道（MEO）衛星組成。GEO覆蓋面積廣，與地球保持相對靜止，在衛星通訊領域有優勢，但是無法覆蓋高緯度，特別是兩極地區，星間鏈路損耗大，通訊時延長；MEO具有較小傳輸損耗和通信時延；IGSO的傾角設計影響到覆蓋范圍，中國軌道傾角設計為55度，以便衛星和定位終端之間形成有一定體積的立體空間，立體空間體積越大，越有助于提升定位系統的質量。何善寶說，“由于有三個軌道，北斗在某些地區比如赤道和東南亞地區，測量精度要優于GPS。”
何善寶說，“北斗的短報文通信和混合星座是國際首創。這里面有繼承問題和現實的問題。”短報文通信是北斗的亮點，與中國的國情相關，因為當時沒有好的衛星通信系統可用。混合星座是中國為了保留區域導航能力，在此基礎上發展起來的全球系統，這是一種比較穩健的做法。“但是要切記，不能因此說北斗比GPS厲害，北斗在系統的可靠性、完好性和可用性等軟性指標上還要繼續學習GPS，這些軟性指標才是衛星導航系統真正成功的標志。”
另一個小插曲則是北斗的頻率資源爭奪戰。為了衛星導航系統的精確性，擴大導航的覆蓋范圍，中國的“北斗二號”系統規劃有20顆衛星。這些衛星升空前需要擁有合法的頻率軌位。國際電信聯盟（ITU）在分配衛星導航系統的頻率資源上按先來后到的順序，誰先發，誰擁有頻率資源的協調權。新發的衛星要保證不跟原來的衛星有頻率上的沖突。此時，美國已經建成GPS，俄羅斯擁有格羅納斯，占用的都是黃金頻段L頻段，歐洲人為了建自己的系統申請拓展了衛星導航頻率到1260-1300MHz。中國按照國際電信聯盟規則，通過友好協商開展北斗系統頻率軌位協調，與有關國家合作拓展衛星導航頻率資源。2000年以來，先后與20余個國家、地區和國際組織，300余個衛星網絡進行了有效協調。
中國在提出導航衛星系統的頻率申請時，歐洲也在規劃伽利略系統。在新增的L頻段中，中國要和歐洲的伽利略系統競爭。按照國際規則，誰早遞交發射申請，誰先占有頻譜資源。2000年4月17日中國先行遞交申請，6月5日歐盟向ITU提出了頻率申請。但申報頻率以七年為限，必須在2007年4月底之前完成發射，否則就作廢。
為了頻譜資源，歐盟主席巴羅佐曾專程來中國協調，何善寶說，“頻譜資源相當于是房地產的資源，雖然衛星的頻率是各國共享的，但是誰在前誰的協調地位就優先。”在中國和歐盟競爭的過程中，歐盟衛星發射得早，中國直到截止日的最后時刻才發射成功，差一點就失去了頻段的協調地位，這其中又與諸多“卡脖子”的技術有關。
何善寶介紹說，星載原子鐘的攻關堪稱是北斗的一場經典之戰。星載原子鐘被稱為導航衛星的“心臟”，決定衛星導航系統定位和授時精度。這項關鍵技術中國在當時是空白。北斗工程總體單位和航天五院在其中起到了最為關鍵的作用，采用了新型的舉國體制，五院公平公正地提出星載使用邊界，輸出研制規范條件，同一把尺子考核自己的下級單位和外部單位，讓國內多個相關優勢單位獨立并行攻關，最后三家單位勝出。中國研制的高性能的銣原子鐘達到國際先進水平，“北斗三號”還配置了新一代原子鐘，性能指標更高。
總體來說，北斗系統具有以下特點：一是北斗系統空間段采用三種軌道衛星組成的混合星座，與其他衛星導航系統相比高軌衛星更多，抗遮擋能力強，尤其低緯度地區性能優勢更為明顯。二是北斗系統提供多個頻點的導航信號，能夠通過多頻信號組合使用等方式提高服務精度。三是北斗系統創新融合了導航與通信能力，具備定位導航授時、星基增強、地基增強、精密單點定位、短報文通信和國際搜救等多種服務能力。
產業應用
北斗系統由空間段、地面段和用戶段三部分組成。
空間段是衛星導航產業的基礎，由若干地球靜止軌道衛星、傾斜地球同步軌道衛星和中圓地球軌道衛星等組成，包括衛星制造、衛星發射，以及旨在提高定位精度的地基增強和星基增強系統。
地面段是北斗產業的中游，包括主控站、時間同步/注入站和監測站等若干地面站，以及星間鏈路運行管理設施。基礎部件作為“自主可控”最關鍵的部分，主要由基帶芯片、射頻芯片、板卡、天線等構成。
用戶段是北斗產業的下游，包括北斗兼容其他衛星導航系統的芯片、模塊、天線等基礎產品，以及終端產品、應用系統與應用服務等。
北斗系統自2012年底正式提供區域服務以來，明顯帶動了衛星導航產業的整體升級發展。《2020中國衛星導航與位置服務產業發展白皮書》顯示，2019年我國北斗衛星導航系統產業市場營收趨于穩定。
其中，產業鏈上游和中游的產值占比分別為9.92%和45.85%，呈下降趨勢，而下游運維服務環節成長迅速，其產值占比已增長到44.23%，是產業鏈各環節中效益漲幅最快的。
何善寶說，如今“北斗三號”的定位精度可以到達五米，與GPS-3系統相當。“MEO的定位精度理論上0.5米是極限。大家都在往這個目標努力，但很多誤差源是無法消除的。若要進一步提高精確到0.05米，則要依靠低軌衛星星基導航增強系統或者地基增強系統。精度的進一步提高取決于成本，這要看在商業應用來能否實現閉環。”
裴凌說，“北斗二號”系統建成時，規模化應用還不夠，只有十萬套級別，性能不及GPS，這是受芯片技術和相關技術的制約。但一些應用的場景已經出現，最典型的是“兩客一危”，即從事旅游的包車、三類以上班線客車和運輸危險物品的道路專用車輛。“這些應用讓人們對北斗有了切身的用戶體驗，它是一個非常好的階段性系統，讓技術體系和產業鏈逐步完善，有助于此后的星座設計。”
裴凌說，在技術門檻降低后，應用段變得異常活躍，產品迭代的速度在加快。目前，北斗定位導航功能已廣泛應用于手機、車輛以及無人機。
北斗的另一個重要功能是“授時”，指利用無線電波發播標準時間信號的工作。裴凌介紹說，定位與時間相關。
“時間只要有微小的差別就會引起距離的巨大誤差，這就是導航衛星為什么要有一個精密的原子鐘。”
時間的精準度在各個行業有著廣泛的應用。在金融期貨交易中，1秒之差價格截然不同。國家電網安裝了大量的授時終端，用于計算電力到達各變電站的時間，做好防護措施，以免燒毀設備。授時在手機中的應用場景也非常豐富，比如搶紅包，第一個點贊、秒殺等等都需要依靠網絡的精確授時。
裴凌目前在從事混合現實技術的研究，“無人駕駛領域需要大量的場景測試，上億公里的路況，還要擁有各種天氣條件下同一個位置的狀態，實測是不現實的，需要借助深度學習對虛擬環境進行訓練，這其中也需要借助定位導航技術。”
何善寶在北斗組建成功后開始了在應用領域的創業。2019年他注冊成立北京正弦空間技術有限公司。在此之前他嘗試過幾個方向，衛星通信、衛星遙感、機器人等，最后發現氣象數據最有市場潛力。“很多人不了解氣象，以為是公益性質的天氣預報，但其實不是，中國的民航、遠洋運輸、電力、能源等行業的氣象市場是被國外公司壟斷的。2025年中國氣象服務產業規模可達3000億元，如果氣象數據服務在其中占比10%~30%，至少有300億元的規模。”
何善寶正在嘗試做大氣探測，借助低軌小衛星搜索經大氣折射后的北斗信號，還原成大氣的溫度、濕度、壓強，成為一家基于北斗系統的大數據公司。在該領域可以對標的是Spire Global公司，該公司利用GPS和伽利略星座信號獲取天氣數據，美國國家氣象和海洋局已經采購了該公司的數據。Spire?Global還在開始拓展歐洲和亞洲市場。“雖然氣象數據沒到市場的爆發期，但是我們要做在風口之前。未來農業、林業領域也會有很多的機會。農業氣象保險每年有超過500億元的市場份額，氣象大數據可以做到災害提前預警。”
華測導航是一家基于高精度衛星導航定位產品及系統解決方案的提供商，副總裁胡煒說，北斗組網成功有助于公司全球業務的拓展。“從國家安全戰略看，北斗組網成功也會加快在導航定位領域軟硬件的自主可控，地基增強系統早年全部采用國外設備，現在正在逐步推進國產化。在軟件方面，隨著美國對中國高科技領域的技術封鎖，也會倒逼產業端加速自主創新。”但同時他也認為，應用層面的商機并不會因組網成功突然爆發，但是會促進行業的發展，比如農機自動導航業務在國際上的推廣，尤其是在“一帶一路”沿線國家的推進。
胡煒認為，未來北斗導航商業應用的驅動力首先來自用戶對高精度定位的需求，其次來自互聯網企業、運營商的積極投入。“要做到自主可控并不意味著北斗系統和美國GPS等系統之間是替代關系。目前，華測導航的數據采集設備依然兼容全球四大衛星導航系統。只能說，北斗組網成功后，我們真正開始進入‘北斗時代’。”
鑒于5G應用也是近年來備受關注的領域，那么“5G+北斗”將會帶來怎樣的應用場景呢？
胡煒舉例說，自動駕駛會是比較典型的應用場景，但是也不會一步到位。因為北斗只是解決了定位問題，5G解決的是數據高速傳輸問題，但是，自動駕駛技術的成熟和廣泛應用，還需要其他技術，以及法律法規、倫理等方面的并進推動。不過在一些固定區域或物流配送等場景下，自動駕駛已經得到應用。
打開想象
在中國的規劃中，到2035年中國將建成以北斗為核心，更加融合、更加智能的綜合定位導航授時(PNT)體系，具有高精度、全天時、全天候、陸海空天一體的特點。
這是新型的基礎設施，涉及所有傳統行業。在新興產業中，移動通信、大數據、機器人也都跟時間和頻率有關。PNT本身的定義也在隨著技術的發展發生演變。綜合PNT將打破基于衛星導航的限制，覆蓋深海、深空、室內、地下等領域。
裴凌說，這也意味著導航技術還將有更為廣闊的想像空間。
首先，量子導航是一個前沿領域。在測試個體的運動時，目前傳感器的精度遠遠不夠，會產生飄移，而量子陀螺會更為精確地描述運動軌跡，衛星導航往量子方向發展后，會帶來更多富有想像力的應用。”
其次，進行深空探索時也可以借助脈沖星的信號來定位。盡管脈沖原因至今沒有十分有力的證據，但這依然是一個可探索的方向。
第三，馬斯克的星鏈中，低軌衛星可能會帶來另外一套導航定位系統，精度和信號都會提高。
第四，
第三，導航與人工智能相結合，還會產生很多想像不到的應用。數字孿生技術、物聯網、AR、VR都將會有全新的應用場景。
第四，
“北斗之父”孫家棟曾有言，衛星導航的應用不應受限于想像。從牛郎織女的星河傳說開始，中國人就在用無盡的想像勾畫著未來，而北斗組成的星座，也將打開未來的想像之門。
責任編輯：李思陽
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