北斗系統(tǒng)總師楊長風(fēng)：中國北斗綜合定位導(dǎo)航授時體系發(fā)展構(gòu)想

尊敬的懷進(jìn)鵬書記，各位領(lǐng)導(dǎo)、各位專家，非常感謝這次年會的組委會給我提供這樣的機(jī)會介紹我們北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。
       

大家都知道時間和空間是宇宙萬物的基本屬性，據(jù)統(tǒng)計大概有85%的信息與位置和時間相關(guān)。從科學(xué)技術(shù)的發(fā)展史來看，在需求牽引和技術(shù)推動的作用下，人們一直在尋求更多的技術(shù)先進(jìn)來獲取空間位置和時間位置的手段。到目前，衛(wèi)星導(dǎo)航已經(jīng)成為了最重要的定位導(dǎo)航設(shè)施的手段，能夠為全球地表和近地空間提供服務(wù)。從未來來看PNT體系將是定位導(dǎo)航設(shè)施技術(shù)的發(fā)展方向。
       

為此首先我介紹北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的基本情況。根據(jù)我們衛(wèi)星導(dǎo)航的基本要求以及結(jié)合我們的國情，我們設(shè)計了北斗系統(tǒng)三步走的發(fā)展戰(zhàn)略。第一步，2000年建成了三顆北斗一號系統(tǒng)，為中國和周邊地區(qū)的用戶提供了有源定位和短報位服務(wù)，首先解決的一個有無的問題。第二步到2012年建成了北斗二號系統(tǒng)，為亞太地區(qū)的用戶提供無源的導(dǎo)航服務(wù)。在技術(shù)方面應(yīng)該來說還是追趕國外的先進(jìn)水平。作為第三步，我們從2009年開始啟動北斗三號系統(tǒng)的建設(shè)，到2020年將為全球的用戶提供無縫覆蓋的無源導(dǎo)航服務(wù)。并在我國及其周邊地區(qū)乃至全球提供高精度的有源定位和短報文服務(wù)。
       

下面介紹我們正在運(yùn)行的北斗二號的系統(tǒng)的基本情況。北斗二號系統(tǒng)投入運(yùn)行五年來，我們系統(tǒng)連續(xù)穩(wěn)定的運(yùn)行，從未發(fā)生過服務(wù)中斷，定位精度實際上是穩(wěn)中有升，服務(wù)性能跟GPS相當(dāng)，亞太地區(qū)已經(jīng)達(dá)到了國際先進(jìn)水平。據(jù)我們了解，在東南亞地區(qū)，尤其是在泰國他們使用的時候，反映比GPS的精度還高。
       

我們的北斗二號實現(xiàn)了國際衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域和我國航天領(lǐng)域的多個首創(chuàng)，走出了一條符合我國國情，獨(dú)具特色的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展道路。一是在國際衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域開創(chuàng)了衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展的新方向，這邊有五個方面，我覺得主要包括首次將衛(wèi)星導(dǎo)航定位、短報文通信、差分增強(qiáng)三種服務(wù)融為一體。并且首次采用了GEO/IGSO/MEO混合導(dǎo)航星座，GEO是地球同步定軌、IGSO是地球同步傾斜軌道，還有MEO是在22000km的原軌道上形成了混合星座，這是國際首創(chuàng)，這五個方面都是我們值得驕傲的幾個方面。
       

我們在航天領(lǐng)域應(yīng)該跨越的提升了我國航天的科技生產(chǎn)能力。在這里有六個方面，應(yīng)該來說我們首次具備了大型復(fù)雜星座構(gòu)建和運(yùn)行管理的能力。也實現(xiàn)了衛(wèi)星火箭的批量生產(chǎn)，立即發(fā)射，實現(xiàn)了航天產(chǎn)品研制生產(chǎn)方式的轉(zhuǎn)型。從應(yīng)用推廣方面，我國高度重視北斗系統(tǒng)的應(yīng)用以及產(chǎn)業(yè)化。將北斗產(chǎn)業(yè)列為戰(zhàn)略性的新興產(chǎn)業(yè)予以重點(diǎn)的推廣，已形成北斗完整的自主產(chǎn)業(yè)鏈，國內(nèi)外的芯片廠商已經(jīng)主動的支持我們北斗，北斗的芯片實現(xiàn)了規(guī)模化的應(yīng)用。總體性能達(dá)到了國際先進(jìn)水平，國內(nèi)新入網(wǎng)的一些手機(jī)，大部分手機(jī)都具備了北斗的功能。
       

在航天應(yīng)用方面已經(jīng)在公安、交通、漁業(yè)、電力、林業(yè)、減災(zāi)等行業(yè)得到了廣泛的使用。北斗系統(tǒng)已經(jīng)引入了國家核心信息基礎(chǔ)設(shè)施，有力的促進(jìn)了經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展。在大眾應(yīng)用方面，北斗與互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的深度融合，催生了一些新的業(yè)態(tài)。共享單車裝備了北斗，實現(xiàn)精細(xì)的管理，我們制成的北斗的手表、手環(huán)、學(xué)生卡，更加方便的和保護(hù)了人們的日常生活，已經(jīng)深刻影響社會的行為和生活方式。
       

據(jù)我們統(tǒng)計，在2017年國內(nèi)衛(wèi)星導(dǎo)航及位置服務(wù)產(chǎn)業(yè)的總體產(chǎn)值突破了2550億元，產(chǎn)業(yè)的年均增長率超過20%，與北斗直接關(guān)聯(lián)的上市公司就有50多家，從業(yè)的單位有14000家。北斗已經(jīng)成為了戰(zhàn)略的新興產(chǎn)業(yè)。
       

在國際合作方面，北斗已經(jīng)走出了國門，初步實現(xiàn)了國際化，北斗是聯(lián)合國全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)國際委員會認(rèn)可的四大核心供應(yīng)商，北斗已經(jīng)獲得了國際民航、國際海事、3GPP移動通信、國際海運(yùn)等國際組織認(rèn)可，北斗相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)都已經(jīng)得到了通過。北斗已作為國家的一種品牌，納入了外交大局。國家領(lǐng)導(dǎo)人見證簽署了一系列北斗系統(tǒng)的合作文件，北斗產(chǎn)品輸出全球30多個國家和地區(qū)。

2016年我們北斗在埃及巡展的時候，習(xí)總書記陪同埃及總理到我們展館，我們北斗辦主任跟習(xí)主席說，我來介紹，北斗系統(tǒng)是精度如何如何高，使用如何如何方便，而且非常安全，希望你們埃及政府來使用我們的北斗。
       

我們現(xiàn)在正在建設(shè)的北斗三號系統(tǒng)應(yīng)該來說是跨度比較大，創(chuàng)新性比較強(qiáng)。從北斗二號到北斗三號，并不是僅僅把服務(wù)簡單擴(kuò)展到全球。我們對標(biāo)世界一流衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)來看主要包括幾個方面，一是性能指標(biāo)大幅度提升。導(dǎo)航定位精度提升了一倍以上，短報文通信服務(wù)的容量提升了十倍，用戶發(fā)射功率降低到十分之一。差分增強(qiáng)服務(wù)已經(jīng)滿足民航I類精密近進(jìn)要求。二是我們的建設(shè)事業(yè)是面向全球。所以在建設(shè)、運(yùn)行、應(yīng)用要遵循國際標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)則、程序。實現(xiàn)與國外系統(tǒng)的兼容互操作，現(xiàn)在你們經(jīng)常使用手機(jī)，一般來說看到的都是GPS，實際上現(xiàn)在你們使用過程當(dāng)中都是使用我們的北斗，只不過是兼容使用，既能用我們的也能用國外的系統(tǒng)。
       

我們的民用服務(wù)和有關(guān)信息完全開放。三是我們導(dǎo)航服務(wù)擴(kuò)展全球。實現(xiàn)了全球?qū)Ш蕉ㄎ荒芰?，可以為我們中高軌的航天器?dǎo)航、測控服務(wù)。四是宇航能力也覆蓋全球。全球首創(chuàng)相控陣星間鏈路組網(wǎng)技術(shù)。全球首個實現(xiàn)星座自主運(yùn)行，這個自主運(yùn)行就是沒有地面站支持，我們也能在天上運(yùn)行幾個月。中國第一個全球無縫覆蓋星座。我們宇航產(chǎn)品要達(dá)到百分之百的自主可控。所以實現(xiàn)這幾個方面的能力，我們北斗20多年跨越了美國GPS 40多年的這樣一個發(fā)展歷程。
       

目前北斗三號系統(tǒng)已經(jīng)完成了最簡系統(tǒng)，是今年3月30號形成了最簡系統(tǒng)以后測試，效果挺好?，F(xiàn)在我們正在按計劃穩(wěn)步實施，到今年年底我們還要發(fā)射11顆星，這樣可以實現(xiàn)服務(wù)“一帶一路”的沿線國家的基本服務(wù)，到了2020年，我們要完成30顆星的發(fā)射組網(wǎng)的任務(wù)，實現(xiàn)我們?nèi)蚪M網(wǎng)的目標(biāo)。這是北斗導(dǎo)航系統(tǒng)。下面重點(diǎn)介紹我們國家作為PNT體系的發(fā)展構(gòu)想。
       

作為定位導(dǎo)航授時體系，把各種PNT技術(shù)一些系統(tǒng)和一些服務(wù)總稱集成起來，覆蓋和貫穿時空基準(zhǔn)，建立、維持、傳遞與應(yīng)用的全過程，構(gòu)建它的目的就是為了人類活動空間提供統(tǒng)一的、精確的、可靠的時空信息服務(wù)體系。
       

從衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)來看，作為當(dāng)今最重要的PNT體系。它具有統(tǒng)一的精準(zhǔn)制導(dǎo)，通信電力測繪等方面都能夠得到廣泛的應(yīng)用。可以打個比方和水電、空氣一樣，已經(jīng)深入到我們?nèi)粘Ｉ畹拿恳粋€角落?，F(xiàn)在的世界已經(jīng)難以承受衛(wèi)星導(dǎo)航不能服務(wù)所帶來的巨大損失。但是作為衛(wèi)星導(dǎo)航信號的物理特性的限制，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)還沒有辦法作為唯一可信賴的PNT手段。它有幾個方面還是有薄弱環(huán)節(jié)。一是接收信號的功率低，容易受到干擾。這次敘利亞戰(zhàn)爭實際上就是因為受到干擾，所以在使用過程當(dāng)中就帶來了受干擾的影響。二是障礙穿透能力比較弱。還不能全面的覆蓋水下、室內(nèi)、城市峽谷這些復(fù)雜的環(huán)境。三是只能覆蓋地球空間，在為深空探測提供服務(wù)方面應(yīng)該來說還是空白。因此，迫切的需要進(jìn)一步的提升以衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)為核心的各類PNT手段的創(chuàng)新發(fā)展，通過各種手段的系統(tǒng)的集成，形成體系化的國家PNT基礎(chǔ)設(shè)施。

我國的PNT體系的一個總體發(fā)展目標(biāo)，開展技術(shù)先進(jìn)、安全可靠、兼容互用的新一代北斗系統(tǒng)，以己度技術(shù)融合增強(qiáng)、多手段補(bǔ)充和備份系統(tǒng)建設(shè)，建成基準(zhǔn)統(tǒng)一、覆蓋無縫、安全可信、高效便捷的北斗綜合PNT體系，滿足國家安全、經(jīng)濟(jì)社會時空信息保障需求。
       

作為PNT體系的發(fā)展的基本原則，有三個方面的考慮：一是突出國家安全，聚焦提高PNT服務(wù)的可用性和生存能力。二是突出基礎(chǔ)設(shè)施，聚焦發(fā)展全局性、國家級的核心基礎(chǔ)設(shè)施。三是聚焦供給，提供滿足最大共性需求的公共服務(wù)產(chǎn)品。
       

從衛(wèi)星導(dǎo)航的角度來看，PNT體系實際上就是衛(wèi)星導(dǎo)航+增強(qiáng)、補(bǔ)充、備份系統(tǒng)。增強(qiáng)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的性能、完好性和安全性等。補(bǔ)充系統(tǒng)主要是填補(bǔ)衛(wèi)星導(dǎo)航在水下、深空以及室內(nèi)等服務(wù)的空白。作為備份，就是在衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù)中斷時能夠提供一定的應(yīng)急服務(wù)能力。
       

具體把PNT體系的大致剛才說的“+ ”一些什么具體的說一下。首先北斗系統(tǒng)今后能夠提供高精度的定位服務(wù)，能夠覆蓋3000公里以下的近地空間，本身也具備有較強(qiáng)的星座生成能力，可以為體系提供精準(zhǔn)的時空參考的框架，是PNT體系的核心和基石。北斗+通信，可以通過進(jìn)一步的提高北斗系統(tǒng)的服務(wù)功能，在這方面它的信號可以抗干擾、可以提升30多個DB，性能也可以增強(qiáng)，動態(tài)定位可靠、可用，這樣增加了一些海量的基準(zhǔn)點(diǎn)。作為北斗慣導(dǎo)方面可以提高防電池阻斷的一些能力，可以在短時間內(nèi)保證時空信息服務(wù)不中斷。在水下的時候，我們應(yīng)用北斗和水聲，包括在太空、深空進(jìn)行脈沖星這些方面又可以填補(bǔ)我們在水下和深空方面的一些空白。
       

介紹一下PNT體系主要的建設(shè)在哪些方面。分五個層次，最外層是深空領(lǐng)域主要發(fā)展脈沖星導(dǎo)航技術(shù)，在中高軌的空間主要發(fā)展下一代的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，在近地軌道空間主要開展低軌導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)建設(shè)。這實際上就是現(xiàn)在我們很多家在醞釀的低軌通信衛(wèi)星，我們想利用低軌通信衛(wèi)星來增強(qiáng)我們的導(dǎo)航信號。在地面主要開展北斗系統(tǒng)與5G數(shù)據(jù)鏈等通信信息深度融合。包括和一些互聯(lián)網(wǎng)等等方面進(jìn)行深度融合。在水下重點(diǎn)建設(shè)海底控制點(diǎn)的水聲導(dǎo)航、匹配導(dǎo)航等水下導(dǎo)航的一些系統(tǒng)。

我具體把下一代衛(wèi)星導(dǎo)航的基本情況和基本功能說一下。下一代衛(wèi)星導(dǎo)航方面要在北斗三號的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高基本導(dǎo)航、星基增強(qiáng)、短報文通信、國際搜救、精密定位、星間鏈路六個方面的能力，同時更好的融入到國家網(wǎng)絡(luò)信息體系。
       

作為低軌導(dǎo)航增強(qiáng)，主要是在加強(qiáng)我們30公里以下空間全球覆蓋的問題，輔助提升北斗抗干擾的能力，這樣實現(xiàn)全球范圍內(nèi)用戶，實現(xiàn)分米級的定位，同時低軌導(dǎo)航增強(qiáng)本身也具備單獨(dú)的定位授時服務(wù)能力。作為水下導(dǎo)航，水下導(dǎo)航的核心我們主要是為慣性導(dǎo)航，同時通過水下無線電導(dǎo)航、水聲導(dǎo)航、重力導(dǎo)航等手段對慣導(dǎo)長時間漂移誤差進(jìn)行校準(zhǔn)，通過發(fā)展水下導(dǎo)航，我們按照解決急需后續(xù)提升能力的一個逐步開展的思路展開。在解決急需方面主要是補(bǔ)充一些慣性的缺點(diǎn)，發(fā)展多源校準(zhǔn)的手段，在長遠(yuǎn)提升方面，面向高精度、小型化、持續(xù)發(fā)展的慣性技術(shù)。
       

作為水下導(dǎo)航我們重點(diǎn)建設(shè)的內(nèi)容，包括這樣幾個方面：一是海底大地控制網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，二是遠(yuǎn)程陸基無線電基礎(chǔ)設(shè)施，三是水下背景場匹配輔助導(dǎo)航基礎(chǔ)設(shè)施，四是海地水下定位導(dǎo)航授時終端。在深空導(dǎo)航系統(tǒng)，我們積極探索脈沖星導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展，去年我們就發(fā)射了一顆脈沖星，做了大量的試驗，通過我們的試驗，我們認(rèn)為發(fā)展脈沖星導(dǎo)航技術(shù)不僅可以建立和維持基于脈沖星的綜合脈沖星座時還可以為我們深空、航天提供自主的導(dǎo)航定位授時服務(wù)。我們今后北斗系統(tǒng)它的時間和空間的基準(zhǔn)就可以通過脈沖星來給我們提供，某種意義上也是我們北斗的北斗。
       

自主導(dǎo)航系統(tǒng)方面?？蔀橛脩籼峁┮环N不依賴外部輸入的自覺的PNT手段，能夠?qū)崿F(xiàn)全球空域的覆蓋，不易受到外部干擾，與衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)形成優(yōu)勢互補(bǔ)，可以作為衛(wèi)星導(dǎo)航的一個備份。同時我們開展微PNT這方面的研究，我們認(rèn)為微PNT是自主導(dǎo)航手段的一個主要方向，由于慣性器件還存在一些誤差的問題，我們要保持精度，需要不斷地進(jìn)行外部校準(zhǔn)，這樣我們把衛(wèi)星陀螺、微加速器等等進(jìn)行微集成以后，把我們北斗系統(tǒng)融入進(jìn)去以后，我們就形成了一個全自主情況下的微PNT體系。這就作為我們一個保底的手段。
       

北斗還可以和5G融合。在室內(nèi)外定位，尤其是室內(nèi)定位，北斗在室內(nèi)和城區(qū)復(fù)雜環(huán)境下的能力不足。北斗系統(tǒng)可以利用5G高速移動通信網(wǎng)，播發(fā)導(dǎo)航電文和分成信息，輔助北斗實現(xiàn)移動通信可達(dá)區(qū)域分米級、厘米級高精度的增量。
       

在完好性增強(qiáng)方面，也可利用通信基站實現(xiàn)北斗信息質(zhì)量的監(jiān)測評估，同時也可以在移動通信可達(dá)區(qū)域內(nèi)快速的播發(fā)北斗信息的完好性。北斗和5G的融合，核心就是要協(xié)同設(shè)計有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范和體系架構(gòu)。我們認(rèn)為北斗和5G一旦在成本和精度上去的突破的話，市場的空間預(yù)計可達(dá)萬億。這是一個非常融合的好的一個前景。
       

同時，我們還將開展一些新興技術(shù)的研究。在微型化、多源融合、高精度、新技術(shù)等方面開展工作，尤其是在高度集成、微型化、低成本技術(shù)以及多手段、多系統(tǒng)的深度融合技術(shù)方面，包括我們的高可靠，同時還有一些新技術(shù)、新方法、新工藝方面開展一些新興技術(shù)的研究。

前面說了這么多，實際上我簡單的把它概括起來，我們建設(shè)重點(diǎn)就是“5+1+N”，這個“5”，我們建設(shè)的重點(diǎn)是5大基礎(chǔ)設(shè)施，包括下一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，積極發(fā)展低軌導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)，按需發(fā)展水下導(dǎo)航系統(tǒng)，大力發(fā)展慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，積極探索脈沖星導(dǎo)航系統(tǒng)。“1”就是實現(xiàn)1個融合發(fā)展。要加快推進(jìn)5G移動通信為代表的網(wǎng)絡(luò)信息體系的深度融合。“N”主要是突破一系列的新興技術(shù)，包括一些超穩(wěn)芯片級原子鐘技術(shù)，仿生導(dǎo)航等等這些新興技術(shù)的研究。
       

這就是我們整個的發(fā)展和建設(shè)重點(diǎn)?，F(xiàn)在簡單介紹一下我們發(fā)展路線，在2020年，我們要完成PNT體系總體方案設(shè)計與論證，建設(shè)仿真試驗設(shè)施，突破高精度的時空精準(zhǔn)動態(tài)維持和傳遞、導(dǎo)通融合、低軌導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)，探索基于量子、微納加工技術(shù)等新興的PNT技術(shù)。
       

到2025年，完善體系框架，完成相關(guān)接口協(xié)議與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范制定，確保北斗系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，完成性能提升演示驗證，完成高精度的時空基準(zhǔn)動態(tài)維持和傳遞、導(dǎo)通融合、低軌導(dǎo)航增強(qiáng)等系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)演示驗證。
       

到2035年，完成新一代北斗系統(tǒng)星座組網(wǎng)，建成時空信息服務(wù)的備份增強(qiáng)系統(tǒng)，部署多源融合高可信的PNT終端，完成室內(nèi)、水下、太空等特殊區(qū)域的PNT技術(shù)試驗應(yīng)用。完成PNT體系的建設(shè)，提供體系化的PNT服務(wù)。
       

我做一個簡單的小結(jié)，作為PNT體系。PNT體系，以北斗為核心的國家PNT體系不是所有PNT技術(shù)與系統(tǒng)的簡單集合，更不是另起爐灶，而是統(tǒng)籌、融合、協(xié)調(diào)，從滿足最大共性需求出發(fā)，提供一個標(biāo)準(zhǔn)化的解決方案，提高體系建設(shè)，維護(hù)和使用的效費(fèi)比。
       

從體系角度來看，主要是提供標(biāo)準(zhǔn)化的解決方案，以最小代價滿足最大共性需求，實現(xiàn)建設(shè)、維護(hù)與使用的低成本。從技術(shù)角度，要實現(xiàn)全空域、全時域、全信息、高可靠的使用要求。從安全角度來看，在人類重點(diǎn)活動區(qū)域，實現(xiàn)了多種PNT手段的體系融合，服務(wù)能力更加穩(wěn)固。
       

借這個機(jī)會介紹我們北斗系統(tǒng)的基本情況。謝謝大家！