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松鼠的空天随笔

 
 
 

日志

 
 

北斗发展的里程碑  

2012-01-05 21:29:16|  分类: Space |  标签: |举报 |字号 订阅

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北斗发展的里程碑 - squirrel - 松鼠的空天随笔
 国务院新闻发布会上正式宣布北斗卫星导航系统开始试运行并公开ICD文件

       2011年12月27国务院新闻办公司召开了北斗卫星导航系统的首次新闻发布会,会上正式宣布北斗卫星导航系统开始试运行,并公开北斗系统空间信号接口控制文件(ICD)测试版,这是北斗系统开始走向成熟的标志,对于北斗系统和相关卫星导航定位产业的发展都有着里程碑式的重要意义。

作为一个发展中国家,研制建设独立的卫星导航定位系统尤其反应了我国在国家战略和产业发展上的雄心。这份雄心早已有之,早在20世纪70年代我国就开展了名为灯塔的导航卫星项目研究,灯塔系统基本模仿了美国子午仪卫星导航系统的设计,不过由于国力不足等各方面因素最后搁浅。我国建立独立的卫星导航系统建设具有重大的政治和军事意义,同样具有很大的经济价值。虽然1983年美国宣布GPS建成后将开放给民间使用,但当时美国军方为了保证国家安全,不仅GPS编码分为军码和民码,而且增加了SA措施降低民码精度,同时保持随时变换编码和进行区域性管理的权力。GPS绝非免费的午餐,且不说美国曾严格限制GPS接收终端的出口,也不论美国还曾试图对终端用户收费,但是美军区域性终止服务的权力,就是悬在所有他国用户头顶的达摩克利斯之剑。卫星导航系统提供了导航、定位和授时等基础服务,渗透到了主要行业的各个方面,是国防安全和经济发展不可缺少的基础设施。无论是作为一个大国保持独立性,还是为国民经济和国内用户着想,建设自己的卫星导航系统势在必行。

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我国首先建立了北斗一代也就是试验系统,积累建设卫星导航系统的技术和经验

       1983年我国科学家陈芳允提出了基于卫星无线电测定服务(RDSS)的双星定位理论,只需要2颗地球静止轨道卫星即可实现定位,要比当时美苏正在研制的卫星无线电导航服务的卫星导航系统要简单得多,解决了资金不足难以构建庞大系统的难题,当然双星定位设计要求终端发送信息才能实现定位,技术上大为逊色。从1986年到1994年的双星定位系统进行了严谨的论证工作,在完成前期论证工作后参与的专家们撰写了立项申请,在协调的导其他卫星计划的两颗备份星后,1995年北斗系统终于正式立项。200010月第一颗北斗导航系统的卫星送入轨道,当时的北斗一代卫星导航系统正式开始建设,遗憾的是6个月前双星定位理论的提出这陈芳允教授因病去世,没能看到梦想成真的那天。2003年北斗一代卫星导航系统正式提供服务,但由于主动定位需要发送信息、用户容量有限、定位精度不高外加实时性差等缺点,军事应用上极为不利。民用上由于GPS已经全面进入国内市场,昂贵而性能差的北斗终端更难以争得市场,不过北斗一代卫星导航系统解决了有无问题,锻炼了研制队伍,为我国建设运作卫星导航系统提供了宝贵的经验。
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伽利略系统具有更好的技术,我国曾参与伽利略系统的工作,但最终还是分道扬镳

后续系统的发展方向上,国内曾有很大的争议。由于政治和技术原因,我国积极参与了欧洲伽利略卫星导航系统,希望借鸡生蛋进一步锻炼自己的队伍,与技术先进的欧洲机构进行技术交流和引进。由于欧洲对我国采取了种种限制措施,最后我国还是退出了伽利略系统,完全专注同样基于RNSS原理的中国卫星导航定位系统的研制,新的卫星导航系统当时命名为北斗二代卫星导航定位系统。北斗二代系统的建设于2004年启动,不过星座的设计曾有很大变动,2005年时还是4颗静止轨道卫星+12颗中轨道卫星+9颗高轨道卫星的设计,最后定型的设计则改为5颗静止轨道卫星+3颗倾斜同步轨道卫星+27颗中轨道卫星的庞大星座,在设计指标和规模上媲美美国GPS系统,卫星导航系统的名称也改为北斗卫星导航系统,原来的一代追封为北斗卫星导航试验系统。2007年我国开始北斗卫星导航系统卫星的发射,第一颗卫星为中轨道卫星编号M1,此后陆续进行了静止轨道卫星(GEO)和倾斜同步轨道卫星(IGSO)的发射,到目前为止北斗卫星导航系统已经发射了10颗卫星,排除不能工作的M1G2,现在有8颗卫星提供服务,基本覆盖了我国及其周边地区。在此基础上北斗卫星导航系统正式开始提供提供连续无源定位、导航、授时等试运行服务,虽然新闻发布会上公布的导航精度为平面25米高程30米,但从实际反应看虽然北斗系统可用星数量少对地形要求较大,在可看到5颗导航星的开阔地域定位精度可达10米左右。根据北斗卫星导航系统组网发射计划,今年将发射6颗组网卫星,包括2颗静止轨道卫星和4颗中轨道卫星,从而将覆盖范围扩大到大部分亚太地区,同时保证我国绝大部分地区平面定位精度都达到10米左右,届时北斗卫星导航系统将提供正式服务。

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北斗卫星导航系统将首先在2012年建成区域系统,满足我国国内的需求

       尽管北斗终端早在2008年汶川大地震的抗震救灾中就进行了试用,发挥了重大作用,并在电力、金融、海洋和交通系统也都进行了一定规模的应用,但北斗终端仍面对性能不足、价格过高、使用者偏少,尤其是民用市场踪迹全无的尴尬局面,这与北斗卫星导航系统仍处于测试阶段有很大的关系。北斗卫星导航系统仍然存在大量技术问题,需要攻克高精度原子钟、卫星自主导航技术和星间链路技术等重大技术难题,解决卫星寿命偏短、星载关键部件如陀螺仪、行波管放大器、高性能锂电池长期稳定运行的问题,还有大量元器件和核心单机产品需要进行国产化替代。北斗卫星导航系统是我国航天史上规模最大、系统性最强的航天基础系统,星座规模在世界范围内也是屈指可数的,但我国复杂星座的控制和管理的经验严重不足,现在的计划是到2020年左右达到美国GPS IIR卫星的原子钟和轨道控制水平。但这些问题尤其是星座控制管理只能在实际运行中逐步得到解决。2011年末北斗卫星导航系统正式向我国及周边地区提供连续无源定位、导航、授时等试运行服务,同时承诺提供的所有无源服务都是免费的。随着2011年北斗卫星导航系统启动试运行服务和2012年正式提供服务,北斗卫星导航系统将日益完善,对外提供长期稳定的导航、定位和授时服务,满足军用和民用广大市场的要求。北斗卫星导航系统的试运行服务可以尽早的满足我国对自主卫星导航的需求,并更早的推动北斗导航系统的下游研发测试和应用,为北斗卫星导航系统大规模走向军用和民用市场奠定了技术基础。
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北斗卫星导航系统不仅具有MEO卫星,还有多颗GEO和IGSO卫星提供信号增强提高定位精度,可以提供比现有GPS系统更高的精度
 

       北斗卫星导航系统作为高科技的基础工程,它的建设将增强我国的科技和工业实力,推动我国航天、电子等高科技领域的发展。北斗卫星导航系统在我国大部分地区已经可以提供接近GPS系统的定位精度,未来随着中轨道卫星星座的建成,将为我国用户提供超过现有GPS系统的定位精度,这为它抢占已经被GPS反客为主的我国民用卫星导航市场提供了可能。北斗卫星导航系统将带动我国卫星导航产业的发展,有利于我国企业掌握卫星导航系统的核心技术,调整产业结构实现产业升级,促进国家经济发展为大众生活提供更多的便利。

由于GPSGLONASS系统已经建成并提供免费服务占据了先机,北斗系统必然要走兼容和开放的道路,但我国国内卫星导航产业的终端接收机水平和外国企业有巨大的差距,这既有我国卫星导航产业缺乏核心技术偏重应用开发的因素,也有缺乏竞争的原因。由于种种原因北斗的空间信号接口控制文件(Interface Control Document/ICD)长期没有公开,ICD文件是约束、规范和定义北斗导航卫星与接收终端之间信号接口的文件,它说明了北斗导航卫星信号、扩频测距码、导航电文结构和参与算法,是进行北斗终端研制时必备的核心技术文件。由于此前只有具备资质获得授权的部分公司才具有开发北斗导航终端的权利,业内缺乏公开和竞争导致产品实际水平偏低,尤其表现在产品纸面指标很高而实际性能不佳,更不要说易用性等民用用户关心的问题。北斗卫星导航系统的ICD文件从2007年发射第一颗中轨道卫星(MEO1)开始就普遍有公开的呼声,但北斗卫星导航系统主要由军队投资优先保证军事使用,国内管理部门对无限制开放接口文件心存顾虑,国内具备资质的企业屡屡以保护民族产业为由游说主管部门,导致ICD文件公开一直拖到2011年底,这实在令人哭笑不得,更与2006年欧盟在发射GIOVE-A前就公开伽利略系统的ICD文件形成鲜明的对比。北斗系统的ICD文件长期得不到公开,一个重要原因是保护国内厂商,但国外卫星导航终端厂商具备更雄厚的技术实力,即使没有ICD文件也可通过逆向工程等方式了解北斗民码的信号特征研制接收机,只不过由于没有官方授权无法合法出售北斗终端而已,在ICD文件公开后这些外国厂商凭借技术实力将给国内企业尤其是此前没有资质的企业带来极大的压力。温室里长不出参天大树,很难想像这些具有资质,但极力要求推迟公布北斗ICD文件避免国外企业竞争的公司,能研制出物美价廉的北斗芯片和终端。北斗产业通过资质和授权等方式,实质上阻碍了国内广大民间企业参与北斗导航终端的研制开发,而 ICD文件的屡次推迟发布,不仅打压了国内企业参与北斗导航终端研制的热情,更削弱了他们参与竞争的实力。好在经过数年的千呼万唤之后,北斗卫星导航系统的ICD文件终于公开,这是北斗卫星导航系统及其相关产业走向开放的标志,对北斗卫星导航系统参与卫星导航市场的竞争具有极其重大的意义。

此次公开的是北斗卫星导航系统ICD文件的测试版,公开的官方说法是北斗系统要在2012年底提供正式服务,北斗系统的接口尚未全面固化。不过对比伽利略系统的ICD文件,如果是2006ICD还是2010年公布的ICD文件,北斗系统的ICD文件测试版都实在过于简单,仅有对B1信号最基本的结构和特征等信息。虽然公布ICD文件是北斗系统走向开放的重要里程碑,但现有的ICD文件并不足以支持北斗导航基带芯片和模拟器的开发,仅能进行北斗终端后期的测试和调整工作,公布的象征意义大于实在价值,这不能不说是令人遗憾的。虽然很多报道和分析认为这有利于国内企业形成专利优势,但需要注意的是这种优势仅仅是对现在具有资质的公司。考虑到国外企业手握GPSGLONASS伽利略的大量专利,而GPS实质占领国内卫星导航市场的形势下北斗导航系统肯定要通过兼容GPS参与竞争,外国企业可以通过交叉授权避开专利壁垒。获得先发优势是国内企业不假,但落入后发劣势的同样是国内企业,而且是技术实力未必弱但数量多得多的国内企业,这不利于国内产业的发展,更不利于北斗系统的推广。

北斗发展的里程碑 - squirrel - 松鼠的空天随笔
GPS IIIA卫星即将在2014年发射,GPS III系统将具有比北斗系统更好的性能。
未来北斗系统面临十分激烈的竞争,必须全面开放兼容才能在市场上占有一席之地

我国卫星导航产业市场的规模已经相当庞大,北斗所能占据的份额即使乐观估计到2020年也不过是30%左右,GPS系统在很长时间仍然会在民用市场占据主导地位。北斗卫星导航系统作为后来者,技术和性能上并不占据多少优势,它的最大卖点是可靠的满足我国国内需求,但如果不能通过兼容其他系统和更广泛的开放性尽可能的推广,北斗卫星导航系统在民用市场就会陷入无人问津的境地。我们期待今年公布的正式版北斗系统ICD文件能如GPS和伽利略系统的ICD文件那样全面深入的公开信号的各方面接口信息,仅凭ICD文件即可支持北斗导航基带芯片的研制和测试,这将十分有利于我国现有GPS产业链上的企业参与北斗产业的竞争。更进一步说,不仅公开全面细致的接口文件便于国内企业设计芯片,而且官方资助相关企业提供北斗终端芯片和软件的完整解决方案,让广大有志于但缺乏技术实力的国内企业参与到北斗卫星导航产业的发展中来。

我国拥有全世界最大的汽车和手机市场,民用卫星导航市场规模未来也很可能跃居世界第一。北斗卫星导航系统的性能已经接近GPS系统,在民用市场开放竞争后,凭借庞大的市场和研发人员队伍,北斗卫星导航系统在卫星导航市场上有所作为,是可以期待的。

      

 

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