北斗的“独门秘籍”

北斗的“独门秘籍”

北斗“绝招”陈兵

制图/刘启礼

北斗为道路上行驶的车辆提供高精度定位系统。

2020年是北斗实现发展拐点的关键一年。 将从体系建设转向产业发展，从研发转向产业应用，从单一技术产业向多技术、多产业深化融合转变。

记者｜陈冰

从深空到深海，从个体到万物，北斗作为提供时空参考信息的系统，不仅是我们的信息基础设施，更是保家卫国的金钥匙。 自主可控卫星导航系统对国家的重要性不言而喻。 然而，北斗真的“未知”吗？ 和我们普通人有什么关系？ 其实它远在天边，却又近在咫尺。 截至2020年第一季度，中国市场申请入网的智能手机中有超过四分之三支持北斗定位。 这种太空高科技普遍受到公众的关注。

今天我们就先来揭秘北斗的独特秘密。

“心脏”300万年误差一秒

在代表现代高科技尖端技术的复杂卫星导航系统中，堪称“心脏”的部分有着怎样的超越能力？

由于卫星导航系统在太空中高速运行，不同类型接收机用户的位置都处于不断变化的过程中，地球本身也在不断地旋转。 在此期间的微小时间误差都会导致对以光速运行的无线电波进行巨大的测量。 因此，时间系统的精确测量和同步极其重要。

我们知道，天地越同步，误差越小，定位精度越高，得到的数据就越准确。 要练好这项技能，核心是做好时间测量，即掌握时间的准确性。 要掌握时间的准确性，必须依靠原子钟。

北斗的核心是原子钟。 它是目前人类最精确的时间测量仪器，也是导航卫星最关键的核心设备。 在卫星导航系统中，1纳秒是十亿分之一秒的时间误差，导致距离误差为0.3米。 如果我们的时间偏差一秒，那么我们的距离就会偏差3后8个零！ 人类想要实现如此精确的时间测量，普通钟表是做不到的，只能依靠原子钟的力量。

根据量子力学原理，原子内部有两个能级。 当原子从一种能级跃迁到另一种能级时，吸收或释放的电磁波的频率是固定的，这就是我们所说的共振频率。 。 例如，铯133的一种共振频率是赫兹。 用它制作的计时仪器可以非常准确。 北斗卫星导航系统采用中国航天科工集团公司研制的星载铷原子钟。 这些原子钟已经实现了元件100%国产化，目前精度可以达到300万年，误差仅为1秒。

“三”之谜

“道生一，一生二，二生三，三生万物。” 北斗系统的发展还蕴藏着许多与“三”相关的谜团，包括北斗系统发展战略、系统架构、星座配置、工作原理、信号系统、服务规划、未来愿景等诸多方面。

北斗系统由空间部分、地面部分和用户部分三部分组成。 空间部分由3颗GEO卫星、3颗IGSO卫星和24颗MEO卫星组成。 地面部分包括主控站、时间同步/注入站、监测站等多个地面站以及星间链路运行和管理设施。 北斗系统用户部分包括兼容北斗及其他卫星导航系统的芯片、模块、天线等基础产品，以及终端设备、应用系统和应用服务。

北斗创建了“三轨道”混合星座。 它是由三颗轨道卫星组成的混合导航星座：GEO卫星、IGSO卫星和MEO卫星。 中国卫星导航系统管理办公室主任冉承其指出，世界上其他卫星导航系统都是部署在单轨道上，而北斗是由三个轨道卫星组成的星座系统。 除了MEO轨道外，还有地球同步轨道，一种是地球静止GEO卫星，另一种是倾斜同步轨道IGSO卫星。 由于它们的存在，在亚太地区的大部分地区，用户会发现比其他系统更多的卫星。 由于这两个轨道上的卫星高度较高，能见度较好。 “北斗除了天地双向通信之外，还具有短报文系统，而短报文通信功能是其他国家卫星导航系统不具备的功能。在海上，没有短报文通信功能。”手机信号不好，或者发生灾害时通讯受阻，此时，如果您有北斗终端，可以通过卫星发送短信与外界沟通，如果您在中国及周边地区，可以发送短信一次一千个汉字。但是和用手机发短信不一样。现在普通手机不能发短信，必须用北斗专用通讯终端才能发。中国渔民与海洋法执法船有这样的设备。”

同时，北斗系统是全球首个提供三频信号服务的卫星导航系统。 GPS采用双频信号，可以减少电离层延迟的影响，并利用三频信号建立更复杂的模型，消除电离层延迟的高阶误差。 同时，利用三频信号可以提高载波相位模糊度解算效率，理论上还可以提高载波收敛速度，这就是北斗的后发优势。

此外，位置信息（）、速度信息（）和时间信息（Time）是构成北斗信息服务的“三要素”。

北斗系统可提供优于10米的全球定位服务，亚太地区定位精度达到5米。 北斗系统提供的位置信息服务，输出结果是“经度、纬度、高程”或者“x、y、z”，无论哪种输出形式，恰好是“三参数”，一个不多，另一个不是。 同时，通过精密单点定位、星基增强、地基增强等，可以将定位精度提升到米级、分米级，甚至厘米级。 北斗系统提供的测速精度优于0.2m/s。 北斗系统可以为用户提供优于20ns的授时服务。 在此基础上，利用差分授时、双向比较等技术手段，可以进一步提高授时精度。

事实上，无论你身在何处，北斗就在你身边。 全国30多个城市超过650万辆汽车搭载北斗芯片； 全球主流智能手机均使用北斗。 手机导航由两部分组成。 其中一部分是用于接收卫星导航信号的芯片。 这种卫星导航是以芯片的形式体现在手机硬件中的。 另一部分是基于芯片接收卫星后提供服务的导航软件。 北斗发送的位置信息显示在地图上，方便人们找到方向。 移动终端是否采用北斗系统，体现在芯片上。

现实生活中，一到立交桥或者高架路，导航显示的信息就会让你头晕目眩。 这是因为卫星向手机提供了空间位置，包括经度、纬度、海拔的三维位置信息，而导航软件提供的地图是二维的，并不能反映定位高度，因此导航会出现误差会发生。

更让人困惑的是，当导航信号弱时，手机显示GPS信号弱。 对此，冉承其表示，这里面其实有一个小小的误会。 “GPS其实是 的英文缩写，因为卫星导航刚开始使用的时候，世界上使用最多的是美国的GPS系统。时间长了，人们一说起GPS就容易想到GPS”卫星导航。手机制造商、地图软件制造商经常使用GPS来取代所有卫星导航系统。事实上，如今卫星导航已经兼容多种系统，包括美国的GPS、俄罗斯的、欧洲的，以及当然是中国。北斗。” 冉承其呼吁相关手机厂商、地图软件厂商根据我国卫星导航的情况做出适应性调整，“比如我建议把‘GPS信号’改为‘卫星导航信号’。”

携手5G，开启新世界

自2017年11月以来，北斗近两年连续发射18次组网发射，成功将28颗北斗三号网络卫星和2颗北斗二号备份卫星送入轨道。 平均每月发射1.2颗卫星，创下全球卫星导航系统组网速度新的世界纪录。

冉承其表示，到2035年，我国将建成以北斗系统为核心的更加一体化、更加智能化的国家综合定位导航授时系统，进一步提升时空信息服务能力，实现从深空到深海。 应用模式更加融合，具备从千米级定位精度到分米级、厘米级定位精度的多元化服务能力。

“这个系统已经完成了前期论证，也开展了关键技术攻关和攻关工作。我们也非常有信心能够在2035年之前建成更好的综合时空服务系统，为中国和世界提供更好的服务.服务，”他说。

随着北斗构建更高精度、高可靠性、高安全性的新一代信息时空技术体系，北斗在应用和产业化方面也不断迈上新台阶。 北斗与5G的融合，将对未来智慧城市、智能制造、智能家居、智慧农业等新技术发挥巨大作用。

我国远洋渔船上有2万多套北斗导航系统终端，每年服务超过3亿人次。 每年都有数百名海上遇险渔民利用北斗导航精准定位获救。

在东北、新疆广大农场，2000多台无人耕作机接收北斗卫星定位信号，按照田间既定路线进行自助耕种，作业效率提高30%以上。 。

北斗智能公交系统实现了公交车的精准到站预报和智能管理，平均到站时间预报误差小于1分钟，每天惠及数百万市民。

过去，我国95%的民用导航市场被美国主导的GPS全球定位系统垄断； 现在，大部分市场份额已被我国自主知识产权的北斗导航系统所取代。

上海历来高度重视北斗卫星导航技术创新和产业发展，成为家喻户晓的科技创新“明星”。 目前，上海北斗卫星导航产业规模逐年增大，相关企业约100家。 产品涵盖导航卫星、星地增强系统、芯片、板卡、终端、导航数据采集与处理、系统集成、运营服务等各个领域。 。

2016年，由上海交通大学牵头、8家产学研单位合作的“北斗导航与位置服务关键技术及产业化”荣获2016年度上海市科学技术进步奖唯一特等奖。 该项目团队负责人、上海交通大学余文贤教授潜心科研30年，在核心算法、基础产品、特色应用三个技术层面取得重要突破，直接催生并持续驱动上海西虹桥北斗工业园区迅速崛起。 在北斗导航领域，实现了全产业链创新，提升了上海在卫星导航领域的创新竞争力和国际影响力，促进了上海北斗导航领域的产业集聚，打造了高精度上海具有全球影响力的导航定位服务技术。 创新中心和新兴产业策源地奠定了重要基础。 “未来的市场一定是北斗导向，而不是GPS导向。” 于文贤教授自信地说。

2019年底，上海北斗导航研发转化功能平台正式上线。 该平台是上海科创中心建设“四梁八柱”的重要组成部分。 上海西虹桥导航技术有限公司作为北斗功能平台的主承包商，将围绕复杂场景、高可用、高可用提供研发、标准、测试服务等技术共性服务以及整体解决方案。精准组合导航技术，构建场景适应性导航技术研发支撑体系，加速北斗导航领域创新成果转化，推动建设具有全球影响力的导航科技创新中心，服务国家北斗战略与上海乃至长三角通航产业技术集群创新和产业集聚发展。

业内专家一致认为，2020年是北斗实现发展拐点的关键一年。 将从体系建设转向产业发展，从研发转向产业应用，从单一技术产业向多技术、多产业深化融合转变。

作为北斗导航系统的垂直应用之一，车联网技术的快速发展无疑将受益于北斗的全面布局和高精度定位。 于文贤在接受记者采访时表示，全球定位系统（GPS）的定位可以“精确”到几米，而对于民用GPS来说，最好的定位精度只有3-5米。 而我们的北斗卫星导航系统不仅实现了复杂环境下单点定位精度优于0.8米、动态RTK定位精度优于5厘米，而且还实现了室内定位精度优于1米的精湛技术。 解决了室内外“最后一米”的问题，“这意味着如果你在路上行驶，你可以知道你在哪条车道；即使在室内，你也可以通过融合知道你在哪条车道。”多种传感器技术。房间，坐在哪张桌子上。”

北斗为道路上行驶的车辆提供高精度定位服务。 可以实现亚米级甚至厘米级的端到端动态定位。 在极端恶劣的天气下，车载激光雷达、摄像头等综合传感设备会出现一定程度的故障，影响车与车之间情况的判断，无法及时有效地传输信息。 不受天气、环境等外界因素的影响，在任何情况下都能保证汽车的精准定位，充分保证车辆的行驶安全，降低事故率。”

道路交通无疑是我国卫星导航系统最成熟、应用最广泛的行业之一。 此外，北斗在测绘、航空、智慧城市、公共安全、工农业机械、无人系统等领域的应用将进一步深化。 卫星导航定位系统有哪些应用？ 专家表示，北斗的应用只限于我们的想象力。

让我们立即进入“北斗+5G”开启的新世界！