北斗三號收官專題丨北斗靠什么來“推前浪”

牛頓曾經(jīng)說過，如果我比別人看得更遠(yuǎn)，那是因為我站在巨人的肩膀上！”

目前，世界上一共有4個相對成熟、知名度較高的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，分別是中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)、美國全球定位系統(tǒng)(GPS)、俄羅斯格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)和歐盟研制伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GSNS)。

其中，GPS可以說是知名度最高、技術(shù)最成熟、商業(yè)模式最為完善的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。GPS可以稱得上是衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域的“巨人”。而我國的北斗導(dǎo)航系統(tǒng)，則是站在了“巨人”的肩膀上，結(jié)合GPS的技術(shù)優(yōu)勢加上北斗自身獨特的技術(shù)，迅速成長。

諸如無源系統(tǒng)廣播信號、多普勒、雙曲線測量法、碼分多址工作體制、星座與軌道分布等等系統(tǒng)設(shè)計以及短報文、高精度定位等等自主研發(fā)的技術(shù)，都能看出北斗系統(tǒng)在未來的廣闊的導(dǎo)航定位應(yīng)用市場能夠占有一席之地甚至超越GPS。

利用空間的衛(wèi)星作為參考點，在地球上實現(xiàn)定位，而且精度高，是一個難題。首先要非常精確得出衛(wèi)星到用戶機(jī)的距離，接著解決到3顆衛(wèi)星的距離，最后還要在空間里找到接收機(jī)所在的位置。

理論上，通過三顆衛(wèi)星的測量值以及一系列的精密計算，是可以得出接收機(jī)的精確位置。但在實際參與導(dǎo)航位置計算的過程中，還需要考慮到時間變量，因為衛(wèi)星導(dǎo)航的距離測量實際上是以時間度量來實現(xiàn)的，當(dāng)每秒鐘時間誤差為百萬分之一時，所帶來的位置誤差會達(dá)到300m以上，而人們所用的衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的時鐘是用石英晶體振蕩器來實現(xiàn)的，必須用衛(wèi)星的原子時鐘作為同步標(biāo)準(zhǔn)才能確保定位精度，故需要第四顆星來參與定位，實際上這第四顆衛(wèi)星是作為時間參考標(biāo)準(zhǔn)加以應(yīng)用。

• 空間段由 35 顆衛(wèi)星組成，包括 5 顆靜止軌道衛(wèi)星、27 顆中地球軌道衛(wèi)星、3 顆傾斜同步軌道衛(wèi)星。

• 地面段由主控站、注入站、監(jiān)測站組成。主控站用于系統(tǒng)運(yùn)行管理與控制，注入站用于向衛(wèi)星發(fā)送信號，對衛(wèi)星進(jìn)行控制管理。

• 用戶段即用戶的終端，接收機(jī)需要捕獲并跟蹤衛(wèi)星的信號，根據(jù)數(shù)據(jù)按一定的方式進(jìn)行定位計算。

目前第二代的北斗導(dǎo)航系統(tǒng)采用的是無源定位技術(shù)，通過4 顆衛(wèi)星信號來定位，信號更強(qiáng)，精度更高。

上面提到過，在精密定位中需要利用原子鐘作為同步標(biāo)準(zhǔn)來確保定位精度。而原子鐘也是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中普遍使用的精確計時工具，是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的關(guān)鍵支撐技術(shù)之一。

星載原子鐘是北斗導(dǎo)航衛(wèi)星的最關(guān)鍵載荷之一，是時頻分系統(tǒng)的心臟，可為衛(wèi)星系統(tǒng)提供高穩(wěn)定的時間頻率型號，其性能決定了導(dǎo)航系統(tǒng)定位、測速及授時的精度。理論上如果鐘的精度提高，導(dǎo)航精度也會改善。

人們?nèi)粘Ｉ钚枰罍?zhǔn)確的時間，生產(chǎn)、科研上更是如此。特別是在某些特殊應(yīng)用領(lǐng)域，則需要非常準(zhǔn)確的計時工具。原子鐘是目前人類最精確的時間測量儀器，主要利用原子不受溫度和壓力影響的固定頻率振蕩的原理制成。

我國最新的氫原子鐘，其精度最高可以達(dá)到數(shù)千萬年才誤差1秒，詳細(xì)內(nèi)容可點擊鏈接： 

 一千萬年僅誤差一秒，它直接決定北斗導(dǎo)航系統(tǒng)定位精度

日常生活中，最為熟悉的便是導(dǎo)航系統(tǒng)的高精度定位。而導(dǎo)航系統(tǒng)要幫助用戶實現(xiàn)高精度定位，必須要先精確掌握衛(wèi)星本身的精確位置和運(yùn)動軌跡。

使用無線電測量方法，確立坐標(biāo)原點在地心，通過大量的精密數(shù)值計算可以得知衛(wèi)星本身的精確位置和運(yùn)動軌跡。而計算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展也提供了很好的幫助，復(fù)雜的運(yùn)動方程通過大型計算機(jī)產(chǎn)生這些時刻表，將其計算結(jié)果與跟蹤站無線電測量的實際結(jié)果進(jìn)行比較，可以不斷改進(jìn)所用的算法，不斷提高軌道預(yù)測的精度。

碼分多址(CDMA,擴(kuò)頻，或者說是偽隨機(jī)嗓聲)，這種信號調(diào)制用于無源測距。這個信號能夠讓用戶實現(xiàn)四維定位，而用戶設(shè)備不需要有原子鐘。

北斗系統(tǒng)由空間段、地面段、用戶段三部分組成，但實際上，系統(tǒng)上還包括了一個不易察覺的環(huán)境段。環(huán)境段與導(dǎo)航信號的電波傳播密切相關(guān)，涉及的內(nèi)容范圍非常寬，從地面海上開始，到近地空間，直到地外空間，乃至深空。在這樣巨大的空間內(nèi)，包括不同的電波傳輸介質(zhì)，自然和人為的電磁干擾，以及地形地物和植被的影響。

其環(huán)境段不僅影響到定位、導(dǎo)航和授時的精度，而且也會影響到用戶接收機(jī)的正常工作，甚至導(dǎo)致信號中斷。尤其是茂密的森林內(nèi)、城市峽谷中，甚至各種各樣室內(nèi)應(yīng)用，都有電波傳播環(huán)境條件的限制。

面對環(huán)境段帶來的難題，北斗系統(tǒng)可以：

• 從衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計著手，實現(xiàn)四大組成部分(星座空間段、環(huán)境增強(qiáng)段、地面運(yùn)控段、用戶系統(tǒng)段)一體化設(shè)計。針對環(huán)境段問題，確保系統(tǒng)的抗干擾能力和具有完好性保證的高精度性能。
• 加強(qiáng)對衛(wèi)星信號及其干擾源的監(jiān)測和跟蹤。

利用多樣化的系統(tǒng)互補(bǔ)融合，利用北斗系統(tǒng)良好的兼容性，積極推進(jìn)北斗與多個系統(tǒng)的兼容和互操作，同時將天基導(dǎo)航與地基導(dǎo)航、傳統(tǒng)導(dǎo)航與新興導(dǎo)航、無線電導(dǎo)航與慣性導(dǎo)航，以及多種多樣的導(dǎo)航手段和資源實現(xiàn)系統(tǒng)集成化整合。

北斗系統(tǒng)是我國獨立研發(fā)和建設(shè)的導(dǎo)航系統(tǒng)，與其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的能夠?qū)崿F(xiàn)兼容共用將是十分重要的。

具體來講，北斗系統(tǒng)的兼容是指兩個或多個衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)共同工作時，不會對單個系統(tǒng)服務(wù)產(chǎn)生不可接受的干擾；從技術(shù)層面上講，主要是在頻段選擇、信號調(diào)制方式以及信號功率設(shè)計等方面不會對其他系統(tǒng)產(chǎn)生不可接受的干擾。

兼容的更高層級是互操作，互操作是從服務(wù)的角度講，指的是同時使用多個衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)時，比使用單一系統(tǒng)能夠得到更好的性能；從技術(shù)層面上，互操作包括空間信號互操作、星座互操作以及信息互操作。其中信息互操作包括時間和空間參考系統(tǒng)的互操作。因此，兼容僅僅指信號不干擾，是多個系統(tǒng)互不干擾正常工作的基礎(chǔ)，適用于授權(quán)服務(wù)信號和公開服務(wù)信號；而互操作是目的，是多個系統(tǒng)之間信息和資源共享的手段，是更高層面的性能，目前僅適用于公開服務(wù)信號。

為了實現(xiàn)兼容性，從系統(tǒng)層面來說，北斗系統(tǒng)的頻率選擇盡量不與世界其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(包括GPS、GLONASS和Galileo)發(fā)生頻段重疊，但是，實際中，北斗系統(tǒng)與Galileo的相應(yīng)頻段重疊。為了實現(xiàn)較好的兼容，我國北斗與Gaileo之間的互操作協(xié)調(diào)渠道已經(jīng)建立，用戶可選的互操作頻段為L1(E1)和L5(L5a)。

今年是北斗系統(tǒng)全球組網(wǎng)的年份，北斗的標(biāo)配化可以極大地推進(jìn)北斗進(jìn)入GNSS的融合步伐。同時讓中國衛(wèi)星導(dǎo)航市場中的北斗應(yīng)用顯性化，同步推進(jìn)北斗的應(yīng)用規(guī)?；⒎?wù)產(chǎn)業(yè)化、市場全球化。