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定位导航、授时、短报文“撑起”北斗应用

时间:2020-06-12发布者:南方日报浏览次数:101次


图为加装有北斗导航系统的拖拉机在无人驾驶状态下播种。


作为其中一项重要功能,北斗的授时功能为电网提供了精确的时间。


渔业是短报文应用的重要领域。

据统计,全国有7万余艘渔船和执法船安装北斗终端。

  ■北斗“启航”

  今年的全国两会“委员通道”上,全国政协委员、中国北斗卫星导航系统工程总设计师杨长风先容,北斗全球系统最后一颗组网卫星计划于6月择机发射,届时北斗全球星座部署将圆满完成。

  去年年底的国新办发布会上,中国卫星导航系统管理办公室主任、北斗卫星导航系统发言人冉承其曾透露,北斗系统服务覆盖200余个国家和地区,用户突破1亿,日服务达2亿次……

  “未来北斗将无所不在,小到儿童的定位手表,大到航母……所有需要定位、导航、授时的场景,都会出现北斗。”南京航空航天大学航天学院微小卫星中心教授康国华如是说。

  此外,据新华社消息,日前西安卫星测控中心已经完成29颗已入网工作的北斗三号卫星星间链路测试工作,确保全球组网如期完成。

  定位和导航

  高精度信号已公开发布

  提及北斗的功能,“定位导航”经常并提。但二者的概念其实并不相同。

  康国华告诉记者,定位是导航的基础,导航是定位的应用;定位是“告诉你在哪”,导航是“告诉你如何从现在所处的位置,去你想要去的地方”。

  中科院微小卫星创新研究院研究员陈宏宇则表示,“简单说,导航需要定位后,再结合地图和算法来规划到达目的地的路线。”

  以定位为例,大型基建工程,例如高铁、大桥、机场的建设,以及后期的变形监测等,都需要卫星定位。

  例如,桥梁建成后,由于行车荷载、风力、温度、自然灾害等外界因素,以及混凝土收缩徐变、老化碳化、钢筋松弛锈蚀、墩台基础沉降等内在因素的影响,不可避免地将产生几何变化、内力变化和索力变化等各种效应。如果这些变化过大,超过了桥梁能够承受的安全范围,将会产生灾难性的后果。为了确保桥梁运营安全,必须对桥梁的变形状况长期监测。北斗卫星导航系统,可以实现这种长期监测。一旦变形量指标超标,可马上发出警报。

  精度能够达到多少?根据中国卫星导航系统管理办公室去年12月公开发布的《北斗卫星导航系统发展报告(4.0版)》,在全球范围内,北斗的定位精度达到水平10米、高程10米;测速精度为0.2米每秒。亚太地区,定位精度水平5米、高程5米(以上均为95%置信度)。实测结果表明,北斗系统服务能力全面达到并优于上述指标。

  这还不是北斗的最高精度。不同应用场景结合星基增强服务、精密单点定位服务等,北斗的精度将会更高:冉承其在去年年底的国新办发布会上就表示,精密单点定位服务,将为中国及周边地区提供动态分米级,静态厘米级的高精度定位服务,满足国土测绘、精准农业、自动驾驶等领域用户高精度服务需求。

  此外,冉承其还曾表示,北斗在地基增强服务方面,结合交通、测绘、地震、气象、国土等行业监测站网资源,已建成2000多个基准站,提供实时米级、分米级、厘米级等增强定位精度服务;已经在国土测绘、形变监测、精准农业、车道级导航等应用领域开始规模化应用。“大家想想,厘米级和毫米级的高精度服务,会带来定位应用方面多大的变化,比如说车道级导航,甚至楼房的形变监测等方面都会有很好的应用。”

  授时

  从电网到股市,北斗能提供“纳秒级时钟”

  北斗的定位、导航功能,大家在生活中能够直接接触。但北斗远不止于此。例如,北斗的“授时”功能就是非常重要的“幕后英雄”。

  “授时,就是给出准确的时间,对一些仪器设备来说就是进行时间的校准。”康国华说。

  北斗如何提供授时?清华大学电机工程与应用电子技术系教授谢小荣先容,北斗卫星上一般搭载3到4台高精度(约0.3纳秒级)原子钟作为基准时间源。卫星播发的电文中含有轨道坐标和卫星时间,结合接收机的空间坐标,通过求解方程组,就能够实现授时功能。“北斗的授时精度可达到10纳秒级,这一精度与GPS相当。”谢小荣说。

  康国华先容,时间基准是一个国家安全的保障,如高铁、电网、股市、计算机网络通信、跨海大桥和海底隧道建设等等,都需要时间同步。“可以说,现代社会离开统一时间基准是不可想象的。”康国华说。

  时间基准有多重要?以电网为例,谢小荣给记者举例:一条100公里的500千伏输电线路,如果两端电压相量测量的时间基准差0.1毫秒,就可能产生27万千瓦的功率差异,相当于30多万户城镇三口之家的平均用电;电力系统故障分析时,要求变电站时间同步精度优于1微秒,否则可能导致错误的故障原因分析结果。

  谢小荣表示,据不完全统计,目前已有上千套变电站时间同步装置接收北斗授时信号;超过20%的电力通信频率网接收北斗授频信号;相关产业估计达到数百上千亿元规模,并处于快速发展中。

  短报文

  北斗特色,用导航卫星“发短信”

  “短报文”服务是国外其他卫星导航系统均不具备的,堪称北斗特色。

  简单地说,GPS等系统对于用户来说,只能接收卫星发出的信号,但无法向卫星发信息。而北斗的短报文功能可以实现双向通信,以类似于手机短信的形式,只要在服务范围,就能够将“短信”发到卫星上。

  “最初的北斗一号仅对短报文系统进行了验证,二号、三号则分别实现区域和全球短报文服务。”陈宏宇表示。顾名思义,所谓区域短报文,就是服务中国及周边地区(东经75°至135°,北纬10°至55°),而全球短报文服务则是向全球提供服务。

  在手机短信都使用越来越少的今天,为什么北斗的短报文功能被如此看重?

  显然,短报文服务并不是面向城市普通用户“上网聊天”的。它主要面向普通移动通信信号不能覆盖的地区(如无人区,荒漠,海洋,极地等)或通信基站遭受破坏的情况(如地震,洪水,台风等)。

  在这些情况下,装有北斗短报文模块的北斗终端,就可以通过短报文进行紧急通讯,不仅能让用户知道自己“在哪儿”,也能告诉别人“发生了什么”。

  渔业是北斗短报文应用的重要领域。在没有移动通信信号的海域,使用北斗系统短报文功能,渔民能够通过北斗终端向家人报平安,有力保障了渔民生命安全、国家海洋经济安全、海洋资源保护和海上主权维护。2019年的中国卫星导航年会上,冉承其提到,全国7万余艘渔船和执法船安装北斗终端,累计救助1万余人。

  另外,林业巡防、灾情通信,乃至电力等需要信息回传的领域,都是短报文应用的场景。

  值得一提的是,在北斗二号时期,已经有相当成熟的民用短报文产品出现。据记者了解,目前市面上,几千元即可购入短报文终端,每条短报文信息服务费几角钱左右,更有“包年包月”等套餐。相对于昂贵的卫星电话,短报文服务费用较低,在“驴友”群体中,短报文相关产品有普及的趋势。

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