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定位導航、授時、短報文“撐起”北斗應用

時間:2020-06-12發布者:南方日報瀏覽次數:255次


圖為加裝有北斗導航系統的拖拉機在無人駕駛狀態下播種。


作為其中一項重要功能,北斗的授時功能為電網提供了精確的時間。


漁業是短報文應用的重要領域。

據統計,全國有7萬余艘漁船和執法船安裝北斗終端。

  ■北斗“啟航”

  今年的全國兩會“委員通道”上,全國政協委員、中國北斗衛星導航系統工程總設計師楊長風介紹,北斗全球系統最后一顆組網衛星計劃于6月擇機發射,屆時北斗全球星座部署將圓滿完成。

  去年年底的國新辦發布會上,中國衛星導航系統管理辦公室主任、北斗衛星導航系統發言人冉承其曾透露,北斗系統服務覆蓋200余個國家和地區,用戶突破1億,日服務達2億次……

  “未來北斗將無所不在,小到兒童的定位手表,大到航母……所有需要定位、導航、授時的場景,都會出現北斗。”南京航空航天大學航天學院微小衛星中心教授康國華如是說。

  此外,據新華社消息,日前西安衛星測控中心已經完成29顆已入網工作的北斗三號衛星星間鏈路測試工作,確保全球組網如期完成。

  定位和導航

  高精度信號已公開發布

  提及北斗的功能,“定位導航”經常并提。但二者的概念其實并不相同。

  康國華告訴記者,定位是導航的基礎,導航是定位的應用;定位是“告訴你在哪”,導航是“告訴你如何從現在所處的位置,去你想要去的地方”。

  中科院微小衛星創新研究院研究員陳宏宇則表示,“簡單說,導航需要定位后,再結合地圖和算法來規劃到達目的地的路線。”

  以定位為例,大型基建工程,例如高鐵、大橋、機場的建設,以及后期的變形監測等,都需要衛星定位。

  例如,橋梁建成后,由于行車荷載、風力、溫度、自然災害等外界因素,以及混凝土收縮徐變、老化碳化、鋼筋松弛銹蝕、墩臺基礎沉降等內在因素的影響,不可避免地將產生幾何變化、內力變化和索力變化等各種效應。如果這些變化過大,超過了橋梁能夠承受的安全范圍,將會產生災難性的后果。為了確保橋梁運營安全,必須對橋梁的變形狀況長期監測。北斗衛星導航系統,可以實現這種長期監測。一旦變形量指標超標,可馬上發出警報。

  精度能夠達到多少?根據中國衛星導航系統管理辦公室去年12月公開發布的《北斗衛星導航系統發展報告(4.0版)》,在全球范圍內,北斗的定位精度達到水平10米、高程10米;測速精度為0.2米每秒。亞太地區,定位精度水平5米、高程5米(以上均為95%置信度)。實測結果表明,北斗系統服務能力全面達到并優于上述指標。

  這還不是北斗的最高精度。不同應用場景結合星基增強服務、精密單點定位服務等,北斗的精度將會更高:冉承其在去年年底的國新辦發布會上就表示,精密單點定位服務,將為中國及周邊地區提供動態分米級,靜態厘米級的高精度定位服務,滿足國土測繪、精準農業、自動駕駛等領域用戶高精度服務需求。

  此外,冉承其還曾表示,北斗在地基增強服務方面,結合交通、測繪、地震、氣象、國土等行業監測站網資源,已建成2000多個基準站,提供實時米級、分米級、厘米級等增強定位精度服務;已經在國土測繪、形變監測、精準農業、車道級導航等應用領域開始規模化應用。“大家想想,厘米級和毫米級的高精度服務,會帶來定位應用方面多大的變化,比如說車道級導航,甚至樓房的形變監測等方面都會有很好的應用。”

  授時

  從電網到股市,北斗能提供“納秒級時鐘”

  北斗的定位、導航功能,我們在生活中能夠直接接觸。但北斗遠不止于此。例如,北斗的“授時”功能就是非常重要的“幕后英雄”。

  “授時,就是給出準確的時間,對一些儀器設備來說就是進行時間的校準。”康國華說。

  北斗如何提供授時?清華大學電機工程與應用電子技術系教授謝小榮介紹,北斗衛星上一般搭載3到4臺高精度(約0.3納秒級)原子鐘作為基準時間源。衛星播發的電文中含有軌道坐標和衛星時間,結合接收機的空間坐標,通過求解方程組,就能夠實現授時功能。“北斗的授時精度可達到10納秒級,這一精度與GPS相當。”謝小榮說。

  康國華介紹,時間基準是一個國家安全的保障,如高鐵、電網、股市、計算機網絡通信、跨海大橋和海底隧道建設等等,都需要時間同步。“可以說,現代社會離開統一時間基準是不可想象的。”康國華說。

  時間基準有多重要?以電網為例,謝小榮給記者舉例:一條100公里的500千伏輸電線路,如果兩端電壓相量測量的時間基準差0.1毫秒,就可能產生27萬千瓦的功率差異,相當于30多萬戶城鎮三口之家的平均用電;電力系統故障分析時,要求變電站時間同步精度優于1微秒,否則可能導致錯誤的故障原因分析結果。

  謝小榮表示,據不完全統計,目前已有上千套變電站時間同步裝置接收北斗授時信號;超過20%的電力通信頻率網接收北斗授頻信號;相關產業估計達到數百上千億元規模,并處于快速發展中。

  短報文

  北斗特色,用導航衛星“發短信”

  “短報文”服務是國外其他衛星導航系統均不具備的,堪稱北斗特色。

  簡單地說,GPS等系統對于用戶來說,只能接收衛星發出的信號,但無法向衛星發信息。而北斗的短報文功能可以實現雙向通信,以類似于手機短信的形式,只要在服務范圍,就能夠將“短信”發到衛星上。

  “最初的北斗一號僅對短報文系統進行了驗證,二號、三號則分別實現區域和全球短報文服務。”陳宏宇表示。顧名思義,所謂區域短報文,就是服務中國及周邊地區(東經75°至135°,北緯10°至55°),而全球短報文服務則是向全球提供服務。

  在手機短信都使用越來越少的今天,為什么北斗的短報文功能被如此看重?

  顯然,短報文服務并不是面向城市普通用戶“上網聊天”的。它主要面向普通移動通信信號不能覆蓋的地區(如無人區,荒漠,海洋,極地等)或通信基站遭受破壞的情況(如地震,洪水,臺風等)。

  在這些情況下,裝有北斗短報文模塊的北斗終端,就可以通過短報文進行緊急通訊,不僅能讓用戶知道自己“在哪兒”,也能告訴別人“發生了什么”。

  漁業是北斗短報文應用的重要領域。在沒有移動通信信號的海域,使用北斗系統短報文功能,漁民能夠通過北斗終端向家人報平安,有力保障了漁民生命安全、國家海洋經濟安全、海洋資源保護和海上主權維護。2019年的中國衛星導航年會上,冉承其提到,全國7萬余艘漁船和執法船安裝北斗終端,累計救助1萬余人。

  另外,林業巡防、災情通信,乃至電力等需要信息回傳的領域,都是短報文應用的場景。

  值得一提的是,在北斗二號時期,已經有相當成熟的民用短報文產品出現。據記者了解,目前市面上,幾千元即可購入短報文終端,每條短報文信息服務費幾角錢左右,更有“包年包月”等套餐。相對于昂貴的衛星電話,短報文服務費用較低,在“驢友”群體中,短報文相關產品有普及的趨勢。

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