楊元喜院士：北斗系統開通，艱巨挑戰還在后頭
點擊： 作者：太空團隊 來源：我們的太空 發布時間:2020-08-14 10:10:08
7月31日，習近平總書記在北京人民大會堂鄭重宣布，北斗三號全球衛星導航系統正式開通。
歷時26年，歷經北斗一號、二號、三號的艱難建設過程，由我國建成的獨立自主、開放兼容的衛星導航系統，從此走向了服務全球、造福人類的時代舞臺。
這一成就來之不易，背后有哪些故事？這一成就意義重大，鞏固這些成果，還將面臨哪些挑戰？
近日，中國科學院院士、北斗導航系統副總設計師楊元喜，給出了解讀。
● 建成北斗全球衛星導航系統曾面臨哪些嚴峻挑戰？
沒有獨立自主的衛星導航系統提供自主可控的定位導航和授時服務，就不可能有獨立可控的國防安全，就不可能有獨立的國家智能化體系，也不可能有國家信息基礎設施的安全。
然而，建設自主可控的全球衛星導航體系，不得不面臨嚴峻的挑戰。
第一，衛星導航的黃金頻率資源幾乎全部被占用，只留下邊邊角角的頻率資源，而且相對優化的信號調制模式也不得不面臨西方發達國家的專利壁壘；
第二，衛星導航的核心載荷涉及大量高新技術，而西方發達國家對這些高技術產品實行全面禁運；
第三，建立獨立自主的全球衛星導航系統還必須有全球衛星跟蹤測定軌能力，否則，北斗系統的空間星座不可能為全球用戶提供高精度定位、導航和授時服務。然而，由于西方強權的限制，我們不可能在全球建立北斗地面跟蹤站，所以實現全球高精度衛星定軌和高精度導航定位困難重重；
第四，全球80%以上的衛星導航市場已被美國GPS所壟斷，中國衛星導航系統的建設還必須面臨市場的競爭壓力。
上述問題是后發的北斗衛星導航系統建設不得不面對的困難與挑戰。
資料圖：美國第二顆GPS衛星
● 面對挑戰，我們如何應對？
面對如此嚴峻的挑戰和困難，我們唯有創新才有出路；唯有“標新立異”，才會有用戶和市場。
對北斗系統建設而言，“標新”不是追求表面的靚麗，也不是追求名詞的新穎，而是追求技術的突破，追求性能的超越；“立異”不是為了花哨，不是為了嘩眾取寵，而是充分利用衛星資源，追求功能的豐富和應用特色的鮮明。
沒有“標新”的設計就沒有北斗的高性能服務；沒有“立異”的功能，就沒有北斗的服務市場。無論標新或立異，都要求北斗衛星導航系統有用，好用，管用。
衛星載荷，星間鏈路，短報文……基于創新驅動和國家重大需求而建設的北斗全球衛星導航系統不僅實現了國家時空信息的完全自主可控，而且攻克了160多項關鍵核心技術，突破了500多種核心器部件國產化研制，實現了北斗全球衛星導航系統核心器部件100%的國產化。
北斗三號全球衛星導航系統的建成及投入服務，再次驗證了習近平總書記的重要講話精神，“關鍵技術是要不來，買不來，討不來的”，尤其是涉及國家核心基礎設施建設的關鍵技術。
● 建成北斗全球衛星導航系統的意義是什么？
北斗導航定位系統不僅具有定位、導航和授時（PNT）功能，還具有區域短報文通信、區域精密單點定位和區域星基增強服務功能，以及國際搜救、全球短報文等特殊服務功能。
北斗全球衛星導航系統的建成，標志著我國具備了獨立自主的全球衛星導航系統，我國重要基礎設施的時空基準不再依賴國外的衛星導航系統。
北斗三號全球衛星導航系統由位于三個不同軌道的30顆衛星組成，是國家其他重要基礎設施的基礎設施。
國家金融體系、國家電網、通信網絡和互聯網均屬于國家重要基礎設施,它們需要高精度時間同步，否則金融系統可能癱瘓，電網可能發生故障，通信網絡和互聯網可能出現服務中斷或服務效率低下的現象；國家航空系統、鐵路交通、公路交通等屬于國家交通基礎設施，它們均需要精確的定位、導航和時間同步。
北斗衛星導航系統服務模塊可以植入航空、高鐵和公路系統，使空中運輸更安全，高鐵運行更高效，公路交通管理更有序。北斗系統還能為智慧城市、精細農業、數字漁業等提供位置和時間信息，為國家坐標系統維持與更新提供自主的高精度監測，為地殼形變監測、滑坡監測等提供精密的位置變化信息。
● 北斗全球衛星導航系統正式開通，艱巨挑戰還在后頭
北斗衛星導航系統的開通運行只是北斗系統建設與服務的一個重要節點。正如孫家棟院士所說，“北斗系統不但要做到天上好用，而且要做到地上用好”，為此北斗衛星導航系統的維護、運行與監控就顯得十分重要。
北斗系統的穩定運行與服務取決于監控系統的精穩監測、精細調控和故障的快速排查與恢復。
盡管在設計與建設過程中留有冗余備份，并有嚴密監測與故障預警體系，但北斗系統是一個復雜的巨型系統，系統的穩定運行不僅受空間環境和衛星上各種載荷可靠性的影響，而且受地面環境及各類運行控制要素的影響。任何環節運行失誤都可能導致系統服務質量下降，甚至服務中斷。顯然，北斗的穩定運行仍面臨十分艱巨的任務。
首先，我們要加強衛星的冗余設計和冗余備份，確保空間星座的完備性；
其次，還要加強監測和運控系統備份，確保北斗運行控制系統的穩定可靠；
此外，我們要不斷精化衛星軌道測定算法，使其具備誤差識別和補償能力，加強衛星鐘差的監測與預報計算軟件優化，使其具有可靠的衛星鐘差建模與預報能力。
只有這樣，北斗系統的穩定運行與服務才有可靠保障。
全球范圍北斗系統服務性能示意圖
同時，北斗衛星導航系統與其他全球導航衛星系統一樣具有天然的脆弱性。
北斗衛星導航信號微弱，易被干擾和欺騙，且不能惠及室內、水下和地下以及其他受遮蔽的地區。
習總書記倡導，要建設更加泛在、更加融合、更加智能的國家綜合定位導航授時體系。北斗系統建成后，我們將集中精力構建從深空到深海無縫覆蓋的綜合PNT體系，建設在任何復雜環境下具備抗干擾、防欺騙、連續、穩定、可靠服務的時空信息服務保障系統。
綜合PNT體系建設沒有可以遵循的模式，沒有可以采購的載荷，也沒有可以借鑒的經驗，唯有不斷創新，不斷探索，才能建成新的國家綜合的PNT體系。
總之，北斗衛星導航系統的建成，解決了國家經濟建設和國防建設的急需，但是更加泛在的、獨立自主的綜合PNT體系和相應的彈性PNT體系建設才是我們追求的最終目標。
來源 | 綜合中國科學報、中國北斗衛星導航系統等
責任編輯：向太陽
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