二十六载终组网,中国北斗,值得每个人骄傲!

知乎日报 知乎日报 2020-06-23

题图:我们的太空/知乎


6 月 16 日推迟执行的北斗三号最后一颗全球组网卫星发射任务相关技术问题已排除,任务重新启动。


今日,9 时 43 分,我国在西昌卫星发射中心,使用长征三号乙运载火箭,成功发射第 55 颗北斗导航卫星,这也是北斗三号组网部署的最后一颗卫星,北斗全球星座部署圆满收官。


祝贺!中国北斗,为你骄傲!



我国北斗全球系统最后一颗组网卫星发射成功,意味着什么?北斗导航系统有多强?




答主:我们的太空(100+ 赞同)


北斗收官星发射成功


中国人终于全面建成了属于自己的全球卫星导航系统,这是所有北斗人魂牵梦萦的一刻,也是所有国人为之振奋的一刻,中国卫星导航的全球梦终于梦想成真。


北斗全球系统可提供 6 大星基服务,以及一大地基增强服务,服务功能相对于美俄欧等卫星导航系统功能十分多样和强大。

以基本定位服务为例,北斗三号系统星座全球至少可观测 6 颗北斗卫星;亚太地区由于有高轨卫星,可见卫星数目在 7-15 颗之间,平均可见数目为 11 颗左右。

北斗全球系统定位精度,北斗、欧洲 Galileo 系统、以及美国 GPS 较新的 IIF、III 系列卫星的精度相当,均小于 1m;

美国 GPS IIR、 IIR-M 卫星由于在轨时间较长,信号精度较新的卫星差,约为1-3m;

俄罗斯GLONASS系统卫星信号精度约为 2-6m;国内通过星地基增强, 可以达到分米级、厘米级和事后毫米级能力。


一、伟大的事业需要伟大的梦想



在北京市西北角,座落着中国航天城,在中国航天城,有一所有着 50 多年历史的航天领域总体研究所——北京跟踪与通信技术研究所。

上世纪 60 年代,该研究所应航天测控系统抓总而生,并从此开启了逐梦星空、筑梦太空的伟大征程。

自 1983 年该研究所老所长、「两弹一星」功勋科学家陈芳允院士提出双星定位通信构想以来,该所卫星导航专业团队,从地面系统总体到航天工程大总体、再到国家综合定位导航授时体系技术总体,不断担负起「总体设计部」和「创新排头兵」的使命重任。

团队从小到大、从弱到强,已发展成为由二十多名博/硕士组成的总体技术队伍,作为技术抓总支撑建成了我国自主北斗卫星导航系统,为北斗系统的孕育产生和跨越发展做出了重要贡献。

该所作为北斗系统的发源地和总体设计部,业务建设可以上溯到 1983 年。

该所老所长,「两弹一星」功勋科学家、世界著名测控专家、国家 863 计划发起人之一陈芳允院士是团队创始人。

1983 年,陈院士提出「双星定位设想」,即利用两颗地球静止轨道卫星实现区域性快速导航定位并兼有通信功能,该设想具有又省又好的特点,省是只需要两颗卫星,好是独具短信与位置监控能力,符合中国当时的国情实际。

1985 年,该所成立了由刘志奎研究员牵头的 5 人论证小组,论证双星定位通信体制,大系统。


1986 年底,形成了双星快速定位通信系统总体技术方案,方案瞄准最快的工程进度、最好的经济效益,具有鲜明特色。


1989 年 6 月,完成演示试验方案论证。8 月至 9 月,利用两颗东方红二号甲通信卫星进行双星快速定位系统演示试验,在北京演示点获得 20、30 米的定位精度,试验获得巨大成功,为北斗一号立项奠定了坚实基础。

同年 11 月,召开双星快速定位体制与演示系统鉴定会,刘志奎研究员代表课题组作报告,各方对成果高度认可。


从提出设想到北斗一号立项,十二年一个轮回。

1994 年,北斗一号工程立项,正是北斗总体团队 12 年如一日的探索坚持和孜孜以求,才有了我国卫星导航系统从 1983 年提出设想到 1994 年工程启动实施的新开始。

2000 年,两颗北斗一号卫星成功发射,北斗一号系统建成并投入使用,标志着我国成为继美、俄之后世界上第三个拥有卫星导航系统的国家。


二、伟大的事业需要伟大的人民



在北斗研制建设团队中,承担技术总体任务的这支特殊的队伍,圈内人亲切的称之为工程大总体。

这支队伍,源于我国著名科学家、中国航天奠基人钱学森的工程控制论和总体设计部思想。

这支队伍组织完成了北斗一号系统的前期论证和演示验证,是北斗系统的发源地;

这支队伍论证提出我国北斗系统的发展战略、技术体制、建设规划,在北斗发展的每个关键阶段,为国家重大决策提出意见建议,是北斗事业的智囊团;

这支队伍,立足我国实际,着眼世界一流,引领工程全线在思维理念、方案体制等方面大力创新,是北斗创新的领头羊;

这支队伍,负责系统论证设计和工程建设的技术抓总,组织完成各阶段方案设计和重大技术问题协调,是北斗建设的发动机。

1、作为总体设计部,科学规划了北斗「三步走」发展战略,绘就了世界一流卫星导航系统发展蓝图,北斗用 20 余年走过了美俄近 50 年的发展历程


2、筚路蓝缕,玉汝于成——始终以更高标准、更先进的理念建设北斗

工程总体基于系统工程的科学方法,创建总体设计、协调、试验、评估、集成、运行六位一体的工程大总体工作体系,对工程全线关键节点技术流程和计划流程进行了全局优化。

一方面,确定系统基本技术基线,明确状态,加快组网部署;另一方面,提出迭代演进的增量发展思路,为实现北斗系统从优到强奠定坚实基础。

北斗六大星基服务中,全球短报文、国际搜救、精密单点定位等三大服务都是北斗三号增量发展计划确定,事实证明,增量发展计划的成功实施夯实了北斗世界一流的国际地位。

面对复杂的空间环境,通过自主故障处理和维修、备份设计、高可靠的芯片和元器件等,可保证卫星十年甚至更长寿命。

北斗三号组批生产,解决了复杂组装、快速验证、多星发射等一系列科学和工程难题,实现了星箭组批生产;创新建立了卫星、运控、测控、星间链路、应用等各大工程一体化的对接模式,每组卫星对接时间大幅缩短,有力支撑了高密度组网发射。

在北斗系统的研制建设中,正是这种严慎细实和追求卓越的精神,才最终实现了重要产品零缺陷、密集发射零风险、运行服务零故障。

在工程总体的科学统筹下,北斗系统创新发展、迭代演进、步步为营,从追赶、比肩再到超越,实现了世界一流卫星导航系统的目标。


3、工欲善其事,必先利其器——以量化可信客观的验证手段支持北斗研制建设,把好出厂质量最后一道关

我们建立了多样化的星地试验验证和评估手段,其中值得一提的是卫星导航系统全系统、全规模、全要素的地面试验验证系统,它是一个代表北斗星地真实状态、软硬协同、虚实结合的仿真试验平台。

该平台能够全面检验卫星状态以及信息流、时间流和控制流的协调性、匹配性和正确性,为卫星出厂质量「把好最后一道关」。

北斗三号一年 10 箭 19 星的密集发射速度,远超过美国 GPS 系统一年 6 星、俄罗斯 GLONASS 系统一年 9 星、欧洲伽利略系统 1 年 6 星的发射速度。特别是在全国新冠疫情防控期间,北斗三号第 54、55 颗卫星成功发射,进一步提振了国人士气信心。

4、大国重器,自主可控——北斗走出了一条具有中国特色的重大工程自主可控发展道路

自北斗工程正式立项以来,工程全线始终按照自主可控要求,强化政策导向,建立长效机制,突破瓶颈环节,实现了关键器部件 100% 国产化,走出了一条具有中国特色的重大工程自主可控发展道路。

宁可指标低点、价格高点,也要大胆使用国产化产品,理念上的创新,观念上的转变,为北斗实现自主可控提供了优质土壤。

现在,北斗单星器部件国产化能力由「十一五」末的 84% 提升至 100%,根本上扭转了关键器部件依赖进口的局面,北斗三号卫星核心单机和元器件百分之百国产化,做到了完全自主可控。

终端产品方面,国产芯片、模块等关键基础产品取得全面突破,性能指标与国际同类产品相当,达到国际先进水平,并已形成一定价格优势,彻底改变「十一五」末卫星导航终端基础产品受制于人的局面。

在自主可控发展道路上,北斗人深深体会到,关键核心技术产品是大国重器,是要不来、买不来、讨不来的,只有自主创新,始终把关键技术掌握在自己手中,才能赢得北斗系统发展的主动权。

5、融入世界,服务全球——北斗积极加入国际标准,全球影响力不断提升

2005 年,北斗成为联合国全球卫星导航系统国际委员会(ICG)认可的 GNSS 四大核心供应商之一;

2011 年,北斗作为核心星座进入国际民航标准工作程序;

2014 年,北斗取得国际海事应用合法地位;

2015 年,北斗成为国际移动通信标准支持的全球系统。

随着北斗全面建成,我们将进一步推动北斗高精度、高完好、导通融合等多样化特色服务在全球落地,更好地服务世界各国经济社会发展。



三、伟大的事业需要伟大的精神



「两弹一星」元勋陈芳允院士是这个团队的创始人,「两弹一星」元勋孙家栋院士是这个团队的领路人,北斗三号杨长风总师是团队新时代的领路人。

在以陈院士、孙院士为核心的老一辈科学家的带领下,在工程现任杨长风总师的带领下,北斗总体团队践行钱学森系统工程方法和思想,大成智慧、静水深流,通过几十年的工程实践,锻造了一支忠诚使命、堪当重任的航天劲旅。


在系统建设中,团队坚守航天文化、北斗文化和总体文化精神家园,丰富沉淀出「传承基因、担当引领、开放包容、协作创新」的北斗特色总体文化,成为我们的最大战斗力。


栉风沐雨,薪火相传,北斗人与北斗共成长。正是这种精神,孕育建成了我国自主北斗卫星导航系统,成就了北斗系统服务世界、服务全球的伟大梦想。


四、以实干担当推动北斗事业继续向前



岁月不居,时节如流。

2018 年,北斗三号完成基本系统建设,开通全球服务,北斗成为我国实施改革开放 40 年来取得的重要成就之一;

2020 年,北斗系统全面建成,向全球提供服务;

2035 年,我国还将建设完善更加泛在、更加融合、更加智能的综合时空体系。

过去的几十年,这个团队走的很艰辛、很坚定、很充实,创业、守业、拓业,用奋斗定义着青春的时光。

从思想提出到工程落实,在砥砺前行中看到曙光、看到希望、看到未来,靠总体技术和思维定力确定方案,每一步都选择了正确的路线,更了不起的是这每一步都走成了。

杨长风总师总结的「五」千万工程,调动千军万马、经历千辛万苦、攻克千难万险、造福千家万户、功在千秋万代,体现了这一路的不易和贡献的卓著。


新时代,是奋斗者的时代,站在新的历史起点,北斗总体团队将不忘初心、牢记使命,着眼未来、接续奋斗,努力打造世界一流卫星导航系统,建设完善国家综合时空体系,筑梦新北斗、筑梦新时代,做新时代努力奔跑的追梦人。






答主:太空精酿(500+ 赞同,航天、精酿啤酒、啤酒 话题的优秀回答者)


一句话:二十六载终组网,北斗你真行!


图片来源:央视新闻


北斗卫星导航系统(以下用北斗指代),将中国人千百年来「寻路靠北斗七星」的经验变成现实,也在方方面面彻底改变了中国人的生活方式。


一、为什么有 GPS 还要做北斗?



美国的 GPS 起步于 70 年代,经过多年发展、尤其商业运作以后,已经走入人们日常生活中。


但是,它的本质是军用卫星导航系统,隶属于美国空军,毫无疑问会时刻以本国利益为第一位。在实践中,卫星工程师不仅能在信号方面增加干扰、欺骗手段等,还能停掉某一地区的服务,芯片定价权和使用权限等也在他们手中。 


例如,GPS 开放民用服务后,普通用户只能使用定位精度更差且增加了选择可用性(干扰)的民用码定位服务。


2000 年 5 月 2 日,为打压俄罗斯 GLONASS(格洛纳斯,俄罗斯军民两用卫星导航系统)的商业化空间,GPS 系统选择主动去掉干扰参与竞争,定位精度瞬间提高 10 倍以上。


但这也意味着,它可以随意恢复任何干扰、甚至彻底停止区域服务。这类事情在近些年印巴冲突、中东地区冲突中屡见不鲜。


当天 06:00 时 GPS 系统去除干扰后,定位精度大大提高(图源:http://schlaggo.de)  


GPS 目前几乎用在了美军任何一种需要定位的武器中,民用方面也占据着全世界千亿美元计的巨大市场。


因而,无论是事关国家国防安全,还是导航应用市场的巨大商业利益,中国都必须拥有自己的卫星导航系统,这个领域不会存在真正意义的国际合作。


目前,只有美国、俄罗斯、中国、欧盟先后建立了全球卫星导航系统,日本、印度建有区域卫星导航系统,这几个国家/地区都把相应系统作为发展中的重中之重,意义可见一斑。



二、北斗有哪些特色绝活?



北斗有一系列特色技术,举三个小例子。 


星间链路技术,各个卫星之间可以彼此通信联络。这样仅需在中国境内对卫星进行主控、监控和信息注入,既解决了全球建站安全性的问题,也可以降低运营成本,卫星之间可以互为校正,也有助于提高服务质量,增强抗干扰能力。


2008 年汶川地震灾难时,15 勇士在通信完全中断的情况下完成了「惊天一跳」,他们就带有北斗系统接收机(图源:央视网) 


短报文系统,通过卫星实现天地双向通信,而其他几个系统仅能单向接收卫星信号。


这意味着卫星可以向拥有此项授权服务的接收机发送专属讯息,特殊环境(大洋,荒漠,深山、极地)、灾难救援和军用环境下价值意义巨大。


部分北斗卫星还携带了国际 Cospas-Sarsat 卫星辅助搜索和应急救援计划的有效载荷,在发生紧急情况时,可以参与国际合作的应急救灾工作中。



三、北斗能怎样服务于国防安全?



GPS 系统的出现,为人类战争史贡献了几个新词「外科手术式精准打击」、「定点清除」、「斩首行动」。


在 1990 年的海湾战争中,GPS 精密制导武器崭露头角,后来又在科索沃战争、阿富汗战争、伊拉克战争和利比亚战争中反复出现,不断震惊世人。


最典型的例子是原本需要数十架轰炸机、投弹数百吨、极度危险逼近才能完成的轰炸任务,现在采用数百公里外导弹突袭和高精度打击即可。


目前,美军除了子弹以外,几乎所有会动的武器、装备、士兵都携带了 GPS 定位模块。


依赖 GPS 的联合直接攻击弹药(JDAM)是「外科手术式打击」著名武器(开放版权)   


而 GPS 系统又是极其容易制造干扰和欺骗的,甚至能整体关闭区域服务。


GPS 新一代的 Block-IIIA 卫星就大大增强了抗干扰能力,也提升了控制信号发送能力。一旦进入战时,只要完全切断对手长期依赖的 GPS 服务,战争自然进入信息不对称阶段。 


因而,北斗的建成,意味着我们不仅能做所有 GPS 能做的事情,还能完全不受制于人,对国防安全的意义重要到无法形容。



四、北斗能怎样服务于科学研究?



北斗最大的特点是高精度授时和定位,对于科学应用而言,高精度接收机可以利用载波相位信号和差分技术等轻松实现厘米级定位精度和毫米级基线精度。


我从事低轨卫星精密定轨技术研究,本质就是用星载的接收机给卫星确定位置,也可以实现 1 厘米级定轨精度。


在高精度卫星轨道的辅助下,卫星上的精密仪器也可以大展身手。


因此,卫星导航系统的出现,使得人类对地球重力场、地球磁场、大陆板块运动、地球自转、海洋潮汐、冰川极地、自然灾害等地球科学的研究达到了前所未有的高度。


利用卫星导航系统对低轨卫星精密定轨已成为科学卫星应用的常态(图源:ESA) 


除了助力地球科学的研究,在其他领域,北斗也有极大的促进作用。


例如,卫星信号需要穿过复杂的电离层和对流程等抵达地面,北斗更是有三个主要频率,每种信号受到的影响不同。当它们集合在一起,就提供了能帮助大气研究的海量信息。


再例如,北斗的高精度原子时,可以用来同步大型科学试验,精准授时。


除此之外,北斗还会带动一系列通讯、电子、芯片等产业的大发展,促进多个行业的科学研究。



五、北斗能怎样服务于普通大众? 



普通人的生活已经离不开导航卫星了,北斗也在迅速融入,为大家提供更好的服务。


最典型的莫过于定位服务,例如地图导航、共享单车/打车、快递查询等,彻底改变了现代人类的生活。


依赖卫星导航的无人机和农用机械已经在逐步颠覆传统农业形式(图源:Pixabay)  


交通系统高精度时刻表、国家大型电网输电、金融系统超高频交易、通讯终端永远准确的时间,都有北斗原子钟的身影。


大型基建工程,高铁、大桥、机场建设,都需要北斗定位。


农林牧渔,交通运输、水文监测、气象预报、地理测绘、森林防火、电力调度、救灾减灾、应急搜救,面积测算等,都需要高精度卫星定位服务。


而目前很多新技术,例如自动驾驶、无人码头,自动化农业,无人机植保等,也离不开北斗的强大支撑。 



六、北斗的未来是什么? 



北斗在完全建成之后,将会继续保持一定频率的卫星发射活动,以替换逐渐退役的老卫星,常态维持至少 30 颗的全球服务星座。北斗卫星也将不断升级,提供更好的定位服务。


与此同时,在低轨(数百千米高轨道)可以建设导航增强星座,在地面、尤其是城市高楼林立环境中,可以建设辅助站点,最终实现实时动态厘米级定位精度,大大提高北斗的定位精度,实现空天地信息一体化。


在备受关注的商业方面,随着人类社会对物流和定位的需求越来越高,北斗的商业应用价值也会被极大开发。


按照欧洲全球定位研究中心的估计,2025 年左右世界范围内的卫星导航定位设备需求量将超过 92 亿部,年产值将超过 2680 亿欧元,这是个海量的市场,其中亚太市场的增长速度更将傲视全球,年增速可以达到 40% 以上。


在这片红海中,北斗无疑是最有潜力狙击 GPS 系统的一个。规模化的应用会大幅降低硬件收费水平,进一步确定商业市场领先优势,从而形成正循环,最终达到一个理想的状态——实现系统长盛不衰的同时依然能快速迭代。


人类已经进入卫星导航的时代,且永远无法离开导航卫星了。




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