院士专家详解中国北斗卫星导航系统 面临三大挑战

2011-3-28 11:27 来源: 光明日报
收藏到BLOG

北斗”卫星导航系统发展阶段示意图

“北斗”卫星导航系统工作原理示意图

  北斗卫星导航系统是我国正在实施的自主发展、独立运行的全球卫星导航系统之一。该系统将应用于测绘、电信、水利、渔业、交通运输、森林防火、减灾救灾和公共安全等诸多领域,产生巨大的经济和社会效益。近日,由中国科协组织的“科学家与媒体面对面”系列活动启动,今年的第一期就将内容聚焦于“北斗卫星导航系统”。光明日报邀请了几位专家做客《科技天地》,为读者朋友揭开“中国北斗”的神秘面纱。

■嘉宾

   中国工程院院士、中国卫星导航学术年会科学委员会执行主席

   中国科学院院士、中国卫星导航学术年会科学委员会执行主席

   中国卫星导航学术年会科学委员会副主席、北斗卫星导航系统工程副总设计师

   中国卫星导航学术年会科学委员会副主席、北斗卫星导航系统工程副总设计师

■背景资料
全球四大卫星导航系统

  现今全球四大核心卫星导航系统分别是美国的GPS系统、欧洲的GALILEO(伽利略)系统、俄罗斯的GLONASS(格洛纳斯)系统以及中国的北斗(COMPASS)导航系统。

● 美国GPS系统

  目前世界使用最多的全球卫星导航定位系统是美国的GPS系统。它是世界上第一个成熟、可供全民使用的全球卫星定位导航系统。该系统由28颗中高轨道卫星组成,其中4颗为备用星,均匀分布在距离地面约20000千米的6个倾斜轨道上。

● 欧洲GALILEO系统

  GALILEO系统是欧空局与欧盟在1999年合作启动的,该系统民用信号精度最高可达1m。

  计划中的GALILEO系统由30颗卫星组成。2005年12月28日,首颗实验卫星Glove-A发射成功,第2颗实验卫星Glove-B在2007年4月27日由俄罗斯联盟号运载火箭于哈萨克斯坦的拜科努尔基地发射升空。另外,还有4颗在轨验证(IOV)卫星正在生产之中,将于近期发射入轨。

● 俄罗斯GLONASS系统

  GLONASS是前苏联国防部与20世纪80年代初开始建设的全球卫星导航系统,从某种意义上来说是冷战的产物。该系统耗资30多亿美元,于1995年投入使用,现在由俄罗斯联邦航天局管理。GLONASS是继GPS之后第2个军民两用的全球卫星导航系统。

● 中国北斗(COMPASS)系统

  中国卫星定位产业的发展速度有目共睹,在此背景下,基于经济利益和国家安全的考虑,中国开始建设自己的北斗全球卫星定位导航系统。

  该系统的空间段由5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成,提供开放服务和授权服务两种模式。根据系统建设总体规划,2012年左右系统将首先具备覆盖亚太地区的定位、导航和授时以及短报文通信服务能力;2020年左右,建成覆盖全球的北斗卫星导航系统。

■“中国北斗”
 
全球四大卫星导航系统之一

  主持人:我国北斗卫星导航系统目前建设的情况怎样?覆盖全球的北斗卫星导航系统预计什么时候建成?它能提供哪些服务?

  谭述森:自2000年以来,中国成功发射了3颗北斗导航试验卫星,组成北斗卫星导航试验系统。在建的北斗卫星导航系统的空间段由5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成;地面段包括主控站、注入站和监测站等若干个地面站;用户段包括北斗用户终端以及与其他卫星导航系统兼容的终端。

  截至2010年12月18日,我国已成功发射7颗北斗导航卫星。预计在2012年左右,形成由5颗静止轨道(GEO)卫星、4颗中高轨道(MEO)卫星和3颗倾斜地球同步轨道(IGSO)卫星组成的星座,实现亚洲地区无盲点定位导航。覆盖全球的北斗卫星导航系统,预计在2020年左右建成。

  北斗卫星导航系统提供两种服务方式,即开放服务和授权服务。开放服务包括在服务区内免费提供定位、测速和授时服务,定位精度为10米,授时精度为20纳秒,测速精度为0.2米/秒。授权服务可以向授权用户提供更安全、精度更高的定位、测速、授时和通信服务以及系统完好性信息。

■应用领域
 
“仅受人类想象力的制约”

  主持人:北斗卫星导航的区域系统和全球系统建成后,能否具备和GPS完全一样的功能?为什么说将来全球卫星导航定位技术的应用领域“仅受人类想象力的制约”?

  刘经南:北斗导航的试验系统目前已经普遍应用。例如,北斗的授时功能已经在科学、金融和电力及通信中得到应用;北斗的定位和通信功能在渔业、森林防火、水域及海洋信息监测、大气环境监测等方面取得了广泛的应用,在汶川、舟曲的救灾过程中也发挥了很大作用。

  当区域系统和全球系统建成以后,北斗的威力将成倍增加,将具备和GPS完全一样的功能。北斗能作为GNSS(由GPS、GLONASS、GALILEO以及北斗共同组成的全球卫星导航系统)一员参加全球板块运动监测,这是发现和预测地震的一个最重要的手段;在工程技术上,比如在航天方面将为各类遥感卫星提供精密轨道位置等,也可以对一些桥梁、大坝等工程的微小变形进行监测;在民航航路管理和导航、飞机着陆等方面起到关键作用,特别在陆地交通,如智能交通、路况信息管理、道路堵塞治理、车辆监控和车辆自主导航方面有着广泛的应用前景;在城市管理、搜救、安全管理方面,也有很广泛的应用;另外,在日常生活中,个人位置服务、儿童监护等方面也有很多应用。

  全球卫星导航定位技术的应用领域,上至航空航天,下至工业、渔业、农业生产和日常生活,已经无所不在了,可以说是“仅受人类想象力的制约”,卫星导航定位的发展集成了现代最前沿的科学技术发展成果,反过来也极大地推动了其他科学技术和各行各业的发展,现在已产生了“导航学”这一新兴的交叉学科,并成为世界上最热门的学科之一。

■未来发展
 
面临三大挑战

  主持人:目前全球其他导航系统进展到什么程度?“中国北斗”面临着哪些挑战?

  李祖洪:美国GPS正经历现代化,即GPS-III,预计2025年完成;俄罗斯GLONASS正经历复兴计划,预计2020年完成;欧洲GALILEO正在部署验证系统,预计2018年完成。中国的北斗,2012年要覆盖我国及周边地区区域的导航服务,2020年要完成全球的部署。

  我国北斗卫星导航系统走向世界将面临着国外GPS、GLONASS和GALILEO的激烈竞争,面临诸多挑战。

  第一个挑战是部署进度的比拼。四大全球系统部署的时间进度是个重大考验,捷足先登是成功的第一步。GPS在这方面遥遥领先,GLONASS正在恢复建设中,GALILEO遭遇资金困境,北斗系统若要抢占市场,在系统部署方面面临挑战。

  第二个挑战是卫星性能的竞争。导航卫星设计和研制水平决定着系统的性能,目前北斗卫星设计已经达到国外导航卫星水平,在未来发展中要不断自主创新,争取在国际导航卫星研制领域处于领先地位。

  第三个挑战是系统发展的博弈。面向未来,卫星导航系统需要持续的发展建设,以满足用户更高的使用要求;需要国家持续的经费投入、人才培养、产业推广,以确保我国北斗卫星导航系统在未来发展与国际竞争中占据优势地位。

  未来,中国北斗卫星导航系统将以具备世界先进水平的性能,进入国际全球卫星导航系统的大家庭。