问题

中国成功发射第 49 颗北斗导航卫星,我国卫星目前处于什么水平?

回答
近日,中国成功发射了第49颗北斗导航卫星,这无疑是我国航天科技领域的一项重要成就。那么,在北斗导航系统这样一个事关国家安全和经济发展的战略性领域,我们目前究竟处于一个什么样的水平呢?要回答这个问题,我们需要从几个关键维度来审视。

一、 覆盖全球,服务世界:北斗的“朋友圈”越来越大

北斗导航系统,特别是其最新的北斗三号(BDS3),已经完成了由区域服务向全球服务的历史性跨越。这意味着,无论你在地球的哪个角落,都可以享受到北斗提供的精确可靠的定位、导航和授时(PNT)服务。

组网规模与星座构成: 第49颗星的成功发射,进一步巩固了北斗三号系统的稳定运行。北斗三号由30颗卫星组成,包括18颗地球静止轨道(GEO)卫星、7颗倾斜地球同步轨道(IGSO)卫星和5颗中圆地球轨道(MEO)卫星。这种“三步走”的星座设计,独特之处在于它结合了GEO、IGSO和MEO卫星的优势,既保证了在亚太地区的连续覆盖和高精度服务,又实现了全球范围内的可靠服务。相比于一些仅依赖MEO卫星的导航系统(如GPS),北斗的星座设计在一定程度上能提供更强的区域服务能力和更高的星下点可用性。
全球服务能力: 北斗三号系统在全球范围内的定位精度已经达到10米级别,测速精度优于0.2米/秒,授时精度优于50纳秒。虽然与GPS等成熟系统相比,绝对精度指标上可能还有一些细微差距,但考虑到北斗是后发者,能在这么短的时间内实现全球覆盖并达到这样的精度,本身就说明了其技术实力。更重要的是,北斗还在不断优化算法和系统参数,其性能仍在稳步提升。
国际合作与标准贡献: 中国并未将北斗束之高阁,而是积极推动其融入国际标准和应用。北斗系统已经加入了国际电信联盟(ITU)的框架,并积极参与国际民航组织(ICAO)、国际海事组织(IMO)等国际组织的活动,推动北斗信号的应用。这标志着北斗不再仅仅是中国的“导航系统”,而是真正成为了“世界导航系统”的一部分,其影响力正在全球范围内扩散。

二、 技术实力,硬核支撑:从“追赶”到“并跑”甚至“引领”

支撑北斗全球服务能力的,是中国在航天技术、信号设计、自主研发等方面的全面进步。

自主可控的底层技术: 北斗系统的最大优势之一在于其自主可控。从卫星的研制、发射,到地面运控系统的建设,再到核心芯片、模块、天线等终端设备,中国都实现了完全自主化。这意味着我们在关键技术上不依赖于任何外部力量,能够根据自身需求进行持续的升级和优化。这一点在全球地缘政治复杂、技术壁垒存在的当下,尤为重要。
特色服务,差异化优势: 除了传统的PNT服务,北斗系统还具备一些独有的特色功能,这是其区别于其他导航系统的重要亮点。
短报文通信: 北斗卫星导航系统具备短报文通信功能,用户可以通过北斗终端发送和接收短信息,这对于没有手机信号的偏远地区、海上作业、地质勘探等场景来说,是极其重要的生命保障和通信手段。
搜救服务: 北斗系统能够为遇险人员提供搜救信息,这在紧急救援中能大大提高效率和成功率。
地基增强系统: 为了进一步提升定位精度,中国还建设了全国性的地基增强系统,通过地面基站实时差分修正,能够将北斗的定位精度提升至厘米级,甚至亚米级。这种增强系统与星基服务相结合,使得北斗在特定区域的应用精度达到了国际领先水平。
自主芯片与终端的普及: 过去,中国的许多高精度应用都依赖于进口的GNSS芯片。但现在,国产北斗芯片、模块、板卡等关键元器件已经实现了规模化应用,并在精度、功耗、成本等方面取得了显著进步。例如,国内的手机厂商已经大规模支持北斗导航,市面上的大部分智能手机都内置了支持北斗的多模芯片。这不仅降低了应用成本,也极大地推动了北斗的民用化进程。

三、 应用领域,遍地开花:融入国计民生,赋能千行百业

北斗系统的服务能力,最终要体现在广泛的应用上。目前,北斗在中国已经深入到国民经济的各个领域,并开始走向国际。

交通运输: 从北斗导航的公交车、出租车,到货运卡车、远洋渔船,再到高铁和飞机,北斗的应用已经渗透到各种交通工具中,提高了交通管理的效率和安全性。特别是对于营运车辆,北斗实时监控和轨迹追踪,是保障运营安全和打击非法营运的重要手段。
农业现代化: 在精准农业领域,北斗可以引导农机进行精准作业,如播种、施肥、喷药等,大大提高了农业生产的效率和资源利用率,节约了成本。
测绘地理信息: 传统的测量方式耗时耗力,而基于北斗的高精度测量技术,极大地提高了测量效率和精度,在国土测绘、城市规划、工程建设等领域发挥着重要作用。
电力、金融、通信: 在授时方面,北斗的高精度时间同步服务,为电力调度、金融交易、通信基站的同步运行提供了可靠保障。
大众消费: 智能手机、可穿戴设备、车载导航等大众消费领域,北斗已经成为标配。人们在日常生活中,可能早已习惯了使用北斗提供服务,只是不自知。
国际化推广: 除了为全球提供基础服务,中国还在积极推动北斗在“一带一路”沿线国家和地区的推广应用,例如在东南亚、非洲等地区,北斗的应用已经逐步展开。

四、 未来展望:持续创新,追赶更前沿的科技

尽管成就斐然,但我们也应清醒地认识到,卫星导航领域的发展日新月异,竞争依然激烈。

精度与可靠性的进一步提升: 未来,北斗系统将继续通过星座优化、星地融合等技术手段,进一步提升全球和区域的定位精度、完好性和可用性。
与5G/6G、人工智能等新技术的深度融合: 北斗的价值将通过与5G、人工智能、物联网等新兴技术的结合而进一步放大。例如,高精度定位与5G的低时延结合,将催生自动驾驶、智慧城市等更多革命性应用。
深空探测与时空基准的拓展: 随着中国航天事业的不断发展,北斗系统的能力也有望拓展到更远的深空,服务于月球、火星探测等任务,并建立更稳健、更普适的全球时空基准。

总而言之,中国北斗导航系统经过多年的不懈努力,已经从一个追赶者成长为全球卫星导航领域的重要参与者,并且在许多方面展现出了独特的竞争优势。第49颗北斗导航卫星的成功发射,是北斗持续发展和不断完善的一个缩影,它标志着我国在这一战略性科技领域正稳步迈向更高端的水平。我们正以开放的态度,与世界共享北斗的成果,也以更加自信的姿态,迎接未来的挑战与机遇。

网友意见

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北斗这一年发生了什么?

2018年,北斗系统创下了人类四大全球卫星导航系统的新纪录:一年10箭18星,远超美国GPS系统最快纪录一年6星,苏联/俄罗斯格洛纳斯(GLONASS)系统一年9星,欧洲伽利略(Galileo)系统一年6星。


效果也很显著,图一是2018年11月时全球任一点可以看到的北斗卫星数目,图二是2019年11月时的数目。按照卫星定位理论,收集到4颗卫星即可实现定位,在有一定辅助信息的情况下3颗也可以实现,从目前来看北斗已经基本“点亮”全球了,能实现全球基本应用。


亚太和一带一路地区,已经完全被点亮!


截至目前,今年北斗又发了6颗,目前尚有多颗卫星处于调试状态,因而图二还会进一步被点亮,2020年妥妥的亮遍全球。

按照北斗三代系统的规划,北斗将是一个三中轨道的卫星导航系统,不同于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,参见图三中北斗(右)和GPS(左)的对比。


对于最终稳定的北斗系统而言,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颗卫星处在倾斜地球同步轨道(也接近35800千米高)、保持约55度倾角。


这第49颗卫星,就是第3颗倾斜地球同步轨道卫星,这一小小“分系统”算是建成了。


这样带来一定好处: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。例如,日本拥有四颗倾斜同步轨道的准天顶系统,用以提高GPS在日本的应用精度,我国相当于在设计之初就有亚太专属服务。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。

三种不同轨道在地面的投影可参见图四(来自:Scientific reports. 4. 4692. 10.1038/srep04692)


那么北斗到底能服务多少用户?


答案是:无限个。


北斗的原理可以简单描述为:当你(接收机)收到信号时,可以比对得到接收机上时间与接收到的卫星信息显示时间之间差距,这个差距乘以光速就是你和卫星之间的距离(还有一个方法是数中间隔了多少个信号波长)。卫星由于有专门的科学家维持,它的位置极其精确,在1厘米级别;它的钟是原子钟,几千万年才可能错1秒,它的所有信息可以认为无误差。


那么你只需要解出四个参数:在地球上的三维坐标x,y,z和钟差(毕竟用户的石英钟不可能和原子钟精度相比,需要把它的误差做一个未知数解出来)。观测到四个卫星,就可以构建四个方程,解出四个未知数。北斗建成后在亚太地区则完全可以保证到12颗以上,数量越多,精度越高。


所以,对卫星而言,永远只做一件事情:往地面发信号,一直在说我在哪儿,几点了,卫星不需要做任何辅助你的计算。用户只要能收到信号进行解算即可,与这些卫星没有任何交流,也不消耗它们任何一丝能量,因而理论上无限用户量。


北斗到底有啥用?


于军用,现在美军已经几乎找不到不带GPS的装备了,随着GPS而来的“外科手术式攻击”、“斩首行动”、“零伤亡”术语了解下?


于民用,开车、外卖、快递、打车、金融、电网等等等等,展开说怕不能说个1万字都打不住。


北斗快建成了,恭喜!


另外,我的行业就是北斗/GPS的一个应用,参见本live

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