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一文读懂北斗收官:26年发射59星 定位能力提高到厘米级

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2020年6月23日09时43分,第55颗北斗导航卫星成功发射。这是北斗三号全球卫星导航系统第三颗地球同步轨道(GEO)卫星。随着该星进入预定工作轨道,北斗三号全球卫星导航系统星座部署全面完成。摄影 胡煦劼20 世纪80 年代开始,我国开始探索适合国情的卫星导航系统发展道路,形成了“三步走”发展战略。自1994年北斗一号系统工程立项至今,我国用26年的时间实现了59颗北斗卫星(包括55颗北斗导航卫星和4颗北斗导航试验卫星)的发射。回望中国北斗的发展,是一条各方力量同舟共济、携手拼搏,共同走出的非凡之旅。率先“吃螃蟹”的北斗一号早在北斗工程诞生之前,我国曾在卫星导航领域苦苦摸索,在理论探索和研制实践方面都开展了卓有成效的工作。立项于20世纪60年代末的“灯塔计划”,虽然最终因技术方向转型、财力有限等原因终止,但它却如同黑夜中的明灯,以十余年的设计和研制,为五院积累了宝贵的工程经验。精益求精的北斗人 航天五院供图1983年,以陈芳允院士为代表的专家学者,提出了利用2颗地球同步轨道卫星来测定地面和空中目标的设想。经过大量理论和技术研究工作,双星定位系统概念逐步明晰。接下来是一步跨到全球组网,还是分阶段走?当时引发了不小的争议。最终,“先区域、后全球”的思路被确定下来,“三步走”的北斗之路由此铺开。1993年初,五院提出卫星总体方案,初步确定了卫星技术状态和总体技术指标。次年北斗一号系统工程立项,研制工作全面展开。然而,在当时国外技术封锁、国内部件厂家尚未成熟的情况下,北斗一号研制只能在摸索中起步。据五院北斗一号总设计师范本尧院士回忆,北斗一号的国产化是从太阳帆板做起。“当时很多卫星都不敢上,北斗是第一个‘吃螃蟹’的,硬着头皮上。”他说。在此后的国产化攻关中,不论是东方红三号平台的横空出世,还是影响长寿命的关键部件,以李祖洪总指挥、范本尧总设计师等为代表的老一辈北斗人,凭借自力更生的创业精神逐一攻克难关,终于在2003年建成了北斗一号系统,使我国成为继美、俄之后第三个拥有自主卫星导航系统的国家。同时,在此过程中积累的建设和应用实践经验,以及迅速成长的北斗研制队伍,为后续工程建设打下了坚实基础。北斗二号在激情岁月中成长1999年,五院在全力研制北斗一号卫星的同时,开始了对第二代卫星导航定位系统的论证。2004年,北斗二号卫星工程正式立项研制。为实现快速形成区域导航服务能力的国家战略,以谢军、杨慧等为代表的北斗人,设计了国际上首个以GEO(地球同步轨道)/IGSO(倾斜地球同步轨道)卫星为主、有源与无源导航多功能服务相融合的卫星方案,攻克了以导航卫星总体技术、高精度星载原子钟等多项关键技术,打破了国外技术封锁,建成了国际上首个混合星座区域卫星导航系统。北斗二号的8年研制,是让北斗人难忘的激情岁月。2007年,首颗北斗二号卫星迎来研制攻关的关键时刻。根据国际电联的频率申请规则,有限的频率资源过期作废。研制队伍争分夺秒完成了所有前期研制,进驻发射场后又大干3天体力活,搬设备、扛机柜、布电缆,没有片刻喘息,紧接着又是200小时不间断的加电测试。在这场与时间的赛跑中,院士、型号老总和技术人员一起排班,共同战胜种种考验。不少队员因为水土不服和过度疲劳而拉肚子、发烧,总设计师谢军3次晕倒……2007年4月16日,首颗北斗二号卫星发射2天后,传回了清晰的信号,使我国卫星导航系统具备了获得空间频率资源的资格。此时,频率有效时间仅剩不到4小时。此后数年,北斗二号卫星发射连战连捷。2012年12月27日,北斗卫星导航系统正式提供区域服务,成为国际卫星导航系统四大服务商之一。北斗三号开启创新发展新征程在北斗二号正式提供区域导航定位服务前,北斗三号全球导航系统的论证验证工作已拉开序幕,确定了建设独立自主、开放兼容、技术先进、稳定可靠的全球卫星导航系统的发展目标。自此,北斗开启了创新发展的新征程。建设高性能、高可靠的北斗全球卫星导航系统,是我国科技领域中长期发展规划的16个重大专项之一。相对于北斗二号区域系统,北斗三号服务区域将扩展至全球,同时实现下行导航信号升级与改造等关键技术突破,为用户提供更为优质的服务。北斗三号该系统建设既是对北斗区域系统的完善与升级,更是聚焦世界一流卫星导航系统的攀登与跨越。系统建成后性能与GPS相当,将使我国卫星导航系统达到国际先进水平。自2009年12月起,北斗三号研制团队在谢军、迟军、王平、陈忠贵等专家带领下加速冲刺,于2018年成功实现一年19星发射,在太空中刷新了“中国速度”。北斗三号全球导航系统不仅提出了国际上首个高中轨道星间链路混合型新体制,形成了具有自主知识产权的星间链路网络协议,自主定轨、时间同步等系统方案,还研发、建立了器部件国产化从研制、验证到应用的一体化体系,彻底打破了核心器部件长期依赖进口、受制于人的局面。今日之北斗,已取得史诗般的进步和成就。“三步走”的战略路径,从“梦想在望”变成“梦想在握”。北斗导航,将这样影响我们的生活……从2012年开始,北斗卫星导航系统正式提供区域服务,成为国际卫星导航系统四大服务商之一。过去几年,北斗卫星导航系统如何改变了我们的生活?随着第55颗北斗导航卫星的发射,北斗三号全球卫星导航系统又将给人们生产生活带来什么变化?记者就此采访了千寻位置首席执行官陈金培。公交出现将有更精确的到站提示“以前大家使用北斗导航系统,最大的顾虑有两个。”陈金培解释,第一,虽然我国厂商生产的产品集成了北斗系统,但产品被卖往的有些地方不能享用北斗服务,产品服务和能力被降级。第二,因为当地没有北斗服务,欧洲的手机厂商、汽车厂商首选的卫星导航系统不会是北斗。只有在进入中国市场时,才会集成北斗系统。陈金培说,北斗三号全球卫星导航系统将服务范围从中国扩展至全球。对有机会在全球范围内销售的产品来说,将有北斗二号、北斗三号两套系统同时为其提供服务。对这些产品来讲,他们在全球的使用体验、稳定性、可靠性大幅度提升。随着卫星数量逐步增加,加上地基增强系统,北斗导航系统的定位能力从以前的10米到5米,提高到厘米级。智能驾驶是北斗非常重要的应用领域2019年11月,在上海洋山深水港启动的“5G+L4级智能驾驶重卡”示范运营活动中,上汽集团首批L4级智能驾驶重型卡车实现了一次性精准停车、近距离自动列队行驶,这将推动洋山港智能转运效率和东海大桥行驶能力提升。图片来源:上汽集团“目前,上汽智能重卡已经做到误差±3厘米,比洋山港小于±5厘米的技术要求更精准,并且一次成功率已到达100%,单点装卸作业效率提升10%。” 上汽集团前瞻技术研究部智能驾驶分部高级经理张显宏说。在山城重庆,市区9000辆公交车的车道级定位的位置数据,都被实时传输至管理后台,由此保障运营安全、提高运营效率:市民可以获得公交车更精确的到站时间,城市管理者可以更好监管车辆超速、赖站、越线等驾驶行为。“通过将GPS定位终端升级为北斗高精度定位终端,公交车的定位误差大幅度降低,提升车辆安全监控水平的同时,改善乘客出行体验。”重庆公交集团信息部部长陈希表示。每天有超过2万架无人机在从事农药喷洒、电网巡检以及各种巡逻作业在我国,每天有超过2万架无人机在全国各地进行像农药喷洒、电网巡检以及各种巡逻作业。2019年3月8日,湛江雷州市附城镇城内村,一位工作人员为一台特殊的插秧机设定好参数。开启按钮,这台插秧机在缓慢自动行驶的同时,将一株株水稻秧苗插进泥土里。仅1小时,这台无人驾驶插秧机就在将近8亩的水田中完成了插秧作业。这台无人驾驶插秧机由丰疆智能科技股份有限公司研发,它的自动驾驶功能则基于千寻位置提供的FindCM厘米级定位服务实现。千寻位置运用建设在全国各地的北斗地基增强站,接收天上的北斗卫星定位信号,实时计算卫星定位误差,为数以亿计的用户提供了高精度定位服务。如果打个比方,千寻位置就类似提供了一个“增强版的北斗”。相比传统有人驾驶的插秧机,无人驾驶插秧机具备不受光线干扰,可以夜间作业,具有作业质量高等特点,节省50%的人力成本,也减少了作业中的秧苗浪费。基于覆盖全国大部分地区的FindCM厘米级定位服务,无人驾驶插秧机已经陆续在海南、新疆、江苏等地的农业生产中应用。监测危旧房屋毫米级的移动变化2019年“利奇马”台风登陆我国东部沿海地区前夕,浙大正呈结构工程师余志刚开始加紧巡查重点危房。当天,他来到一栋建于上世纪90年代的药厂职工宿舍,查看安装在房屋各个角落的监设备是否遭受破坏,包括墙脚的传感器、高精度卫星接收机以及天台上的卫星天线等。这些看似不起眼的工具,就像危旧房屋上的“听诊器”。“系统能够监测到毫米级的移动变化,即便是大货车经过引起的地面震动,都能被感知。”余志刚介绍,得益于千寻位置提供的毫米级高精度定位能力和阿里云的计算能力,系统能快速依据此前危房的“病历”,判断出房子的“病症”。如果房子的倾斜、沉降超过一定的安全值,系统会立即发出警报,为撤离与救援争取宝贵时间。“有了高精度定位后,北斗卫星导航系统将变成时空智能的基础设施。”陈金培解释,所谓时空智能基础设施,可以给各种各样的智能设备和应用场景赋予一个统一的时间和空间的基准。中国科技发展要走“北斗式”自主创新之路6月23日,第55颗北斗导航卫星成功发射,宣告北斗三号全球卫星导航系统星座部署全面完成。工程立项26年来,北斗系统覆盖区域不断扩大,定位精度不断提升,服务功能不断增加,已成为国家重要的空间基础设施。国之重器,唯有核心在握,方能把国之命脉紧紧掌控在自己手里。自主创新在“北斗精神”中居于首位,北斗系统全面实施自主可控原则,卫星单机产品及元器件全部实现国产化,堪称我国自主创新的典范。当前国际形势日趋复杂,我国科技发展只有走“北斗式”的自主创新之路,才能在国际竞争中掌握话语权,摆脱部分关键核心技术受制于人的不利局面。走自主创新之路,需要充分发挥新型举国体制的优势。北斗系统的背后不仅有卫星研制单位,还有运载火箭、科学仪器、地基服务、功能开发等数百家机构、企业,数万科技工作者,为北斗升空、应用保驾护航。近年来,我国在高铁、5G、超级计算等方面取得的重大科技成果,也无不阐述着跨学科、跨领域组织协同,政府、高校、科研机构、科技企业统筹联动的重要性。走自主创新之路,需要发扬攻坚克难精神。自主创新必定困难重重。北斗一号历经多年筹划钻研,开创双星有源定位体制,打破我国对国外导航定位技术的被动依赖局面;北斗二号攻克以导航卫星总体技术、高精度星载原子钟等为代表的多项关键技术,打破国外的技术封锁;北斗三号在星间链路、卫星寿命等技术创新上大放异彩,历经11年完成星座部署,实现全球组网覆盖。从有源到无源、从区域到全球,“北斗人”用行动诠释了不断拼搏、攻坚克难的精神内涵。走自主创新之路,更需要勇攀高峰的信心。 习近平总书记多次鼓励科技工作者要坚定创新自信,永攀科技高峰。北斗系统是全球首个混合星座导航卫星系统,突破了混合导航星座设计、高稳定性信号播发通道、有源和无源定位一体化、星载原子钟高精度高稳定热控等众多关键技术,首次实现导航定位、短报文通信、差分增强三种服务融为一体。中国的北斗成为世界的北斗、一流的北斗,离不开“北斗人”勇攀高峰的信心和矢志创新的勇气。习近平总书记强调:“只有把核心技术掌握在自己手中,才能真正掌握竞争和发展的主动权。”北斗系统的成功经验表明,自主创新是引领我国当代科技发展的钥匙,唯有走自主创新的道路,才会涌现出更多的国之重器,牢牢掌握科技发展和国际竞争的“命门”。>>>>北斗三号牛在哪?新突破实现联通无极限。由于我国北斗系统不能像美国GPS那样,在全球建立地面站,为了解决境外卫星的数据传输通道,航天科技集团五院北斗三号研制团队攻克了星座星间链路技术,采取星间、星地传输功能一体化设计,实现了卫星与卫星、卫星与地面站的链路互通,这就是说,虽然“看不见”在地球另一面的北斗卫星,但用北斗卫星的星间链路同样能与它们取得联系。用星间链路技术实现太空兄弟间手拉手,心相通,不仅实现了相互间的通信和数据传输,还能相互测距,自动“保持队形”,可以减轻地面管理维护压力。星间链路技术的应用中,设计了全新的网络协议、管理策略和路由策略,解决了不能全球布站进行卫星境外监测的难题,是北斗全球导航系统建设的一大特色。双星运往发射塔架 航天五院供稿新技术实现卫星长寿命。“北斗是一个开放的系统,中国的北斗,世界的北斗,中国发展卫星导航技术是国民经济的重要基础设施,也是为全人类提供时间坐标和空间坐标的基础设施,服务的连续性和稳定性十分重要”,航天科技集团五院北斗三号卫星总指挥迟军介绍说,就像停水停电影响城市生活一样,卫星导航服务一旦中断,国家和社会的正常运行会受到很大的影响,因此,对卫星导航的可靠性、连续性提出了苛刻设计的要求。为了提高卫星在轨服务的可靠性,北斗三号卫星采取了多项可靠性措施,使卫星的设计寿命达到12年,达到国际导航卫星的先进水平,为北斗系统服务的连续、稳定提供了基础保证。北斗三号新“神器”让服务“零误差”。为了提高服务的精度,北斗三号配置了新一代原子钟,通过提升原子钟指标,提升卫星性能、改善用户体验。原子钟是利用原子跃迁频率稳定的特性保证产生时间的精准性,目前国际上主要有铷原子钟、氢原子钟、铯原子钟等。我国北斗卫星采用铷原子钟,同时还配置了性能更高的新研国产氢原子钟。氢原子钟虽然质量和功耗比铷原子钟大,但稳定性和漂移率等指标更优。相对于铷原子钟,我国起步更晚,2015年我国研制的氢原子钟首次在轨应用验证,为北斗全球导航系统进行了技术探索,至今功能、性能十分稳定。星载氢原子钟的在轨应用,对于实现北斗导航定位“分秒不差”,发挥着重要作用。据中国航天科技集团五院介绍,北斗三号的服务能力较北斗二号拓展了10倍,在通信、电力、金融、测绘交通、渔业、农业、林业等领域,更多的人可以享受到北斗导航系统的普惠服务。>>>>北斗大事记1994年北斗一号系统工程立项。2003年北斗一号系统建成,我国成为继美、俄之后第三个拥有自主卫星导航系统的国家。2004年北斗二号卫星工程立项。2009年12月北斗三号立项。2012年成功建成国际上首个混合星座区域卫星导航系统,北斗卫星导航系统正式提供区域服务,北斗系统成为国际卫星导航系统四大服务商之一。2018年12月27日,北斗三号基本系统正式向“一带一路”及全球提供基本导航服务,中国北斗距离全球组网的目标迈出了实质性的一步。2019年12月底,全球系统核心星座部署完成,对北斗导航系统全球组网的顺利完成具有里程碑式重要意义。2020年6月23日,第55颗北斗导航卫星成功发射,北斗三号全球卫星导航系统星座部署全面完成。未来计划2035年,以北斗系统为核心,建设完善更加泛在、更加融合、更加智能的国家综合定位导航授时体系。另外,北斗卫星导航系统发展至今,也离不开兢兢业业运送每一颗北斗导航卫星上天的“北斗专列”——长征三号甲系列运载火箭。下面这张长图带你认识他们。

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