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首都科学讲堂第652期《大国重器:中国为什么一定要研发北斗》

信息来源:北京科学中心      发布时间:2020-07-13

  2020年7月11日,受新冠肺炎疫情影响,首都科学讲堂线上开讲,本次首都科学讲堂邀请了中国科学院空天信息创新研究院研究员、北斗导航系统科学家徐颖,为大家带来主题为《大国重器:中国为什么一定要研发北斗》的精彩讲座。

光速体育 足球  应对疫情防控,首都科学讲堂线上开讲。为坚决贯彻落实习近平总书记对新型冠状病毒感染的肺炎疫情作出的重要指示精神,北京科学中心坚持“疫情不解除,科普不掉线”,积极开展疫情防控和应急科普,切实做好知识普及和引导科学防控等工作。本期首都科学讲堂使用科学加APP、腾讯新闻客户端、新浪科技客户端、一直播APP等平台开展直播,采用“直播+录播”双管齐下的新颖方式,让公众足不出户,也能获得最权威、最前沿的科普内容和资讯。首都科学讲堂在疫情防控期间将灵活运用各类载体形成宣传阵地,利用网络手段为公众带来更多丰富主题的线上活动,进一步发挥科普在疫情防控中的重要作用。

大国重器:中国为什么一定要研发北斗

光速体育 足球  6月23日,我国第55颗北斗卫星发射成功,历经20年时间,北斗全球卫星导航系统组网成功。“北斗三号”的完美收官,再次见证了中国速度与中国力量。作为我国自主建设、独立运行的全球卫星导航系统,北斗卫星导航系统既是国家重要的空间基础设施,也是名副其实的国之重器。北斗导航还“现身”于今年北京高考作文题中。那么,中国为什么一定要研发北斗系统?北斗导航离我们的生活还有多远?

第一讲 古今定位:从天文导航到北斗卫星

  北斗这个名字,来源于北斗七星,很早的时候,古人就对北斗有了相应的观察和记录,并且开始了对它的应用。《史记·天官书》当中有记载:“分阴阳,建四时,均五行,移节度,定诸记,皆系于斗”。这里的“斗”指的就是北斗,也就是我们国家的北斗导航定位系统名字的由来。

  最早的导航手段,叫做地文导航。例如在森林当中,我们会通过身边的一些具有标志性的地文的特征来判断自己的方向,其实这就是最初的地文导航。人们通过石头、树木、河流、山川等特征物体来分辨方向。有了地文导航之后,进一步发展就是天文导航,也就是用太阳、月亮、星星等自然天体来辨识方位,通过一些自然天体来进行导航。

光速体育 足球  我国四大发明当中的指南针,采用地磁导航的方式来进行导航和定位。正是因为有了指南针,人们的视线才从脚下的土地拓展到了更广袤的空间,人类才有郑和下西洋、发现新大陆,以及环游世界这样的壮举。

光速体育 足球  电是人类近代史上非常重要的发明,有了电之后,就有了无线电系统。随后,人们就可以通过无线电系统的幅度、频率、相位等一系列参数,来获取导航信息,这就是无线电导航。无线电导航最早是利用地面的、地基的台站来获取一些无线电的信息,然后发送出去,最后通过测量它的幅度、频率、相位等等,来获取导航信息。

光速体育 足球  无线电在地基传播时有测量上的误差,所以无线电导航大多是采用长波导航的方式,为了解决这个问题,人类开始把导航台搬到了人造卫星上面,开始用人造卫星来作为导航台的一个无线电导航系统。

  1957年,世界上第一颗人造地球卫星由前苏联发射升空。1958年,美国发射了“探险者一号”人造地球卫星,利用人造天体来为人类提供导航服务。1964年,美国研制了世界上最早的全天候、全天时的卫星定位系统——“子午仪”系统。它利用四颗卫星实现全球覆盖;1967年,“子午仪”系统正式进入民用领域。

  “子午仪”因为只有四颗卫星覆盖全球,所以它有使用的局限性。一是无法对运动速度非常快的物体进行定位;二是定位精度大概在千米量级,无法实现高精度定位。但是“子午仪”系统也有优势,那就是用少量卫星就可以实现全天候、全天时的覆盖,且不受天气影响,这让人们看到了卫星导航定位系统的巨大优势。到1973年,美国开始建设第二代卫星导航定位系统,通过20年的努力,耗资了200亿美元,在1994年正式建成GPS系统,也叫全球定位系统。但其真正被人们熟知,还是在1991年的海湾战争当中。

  1991年海湾战争,GPS系统展现了它在军事方面的巨大作用,也让全世界看到了卫星导航定位系统带来的巨大影响。当时的伊拉克号称“世界第三大军事强国”,但被以美国为首的多国部队,用了40多天的时间,就打到没有还手之力,这场战争中发挥出巨大作用的就是还没有完全建成,但是已经展现了它在军事方面的巨大效益的GPS系统。也正是在这场战争之后,全世界都看到了卫星导航定位系统带来的一个巨大的影响,全世界的超级大国,都希望构建自己的卫星导航定位系统,这其中也包括中国。我们说卫星导航定位系统是一把守护国门的金钥匙,自己家的这把金钥匙一定要握在自己人的手中。   

  从20世纪70年代开始,中国就开始积极探索适合我国国情的卫星导航系统,1983年,著名航天专家陈芳允院士,提出了利用两颗地球静止轨道卫星与地面系统相互配合,实现区域性快速导航定位和通信的想法,这为后来北斗的研究提供了理论和技术的基础。

  1994年,北斗一号系统正式启动了建设, 2000年,北斗一号的01星和02星接连入轨,中国成为了世界上第三个拥有自己的卫星导航定位系统的国家。北斗系统也开始为我国提供导航、定位、授时和通信方面的服务。2003年,北斗一号系统又发射了一颗备份,即北斗一号的03星,它和前两颗星组成一个完整的系统,作为前两颗星的一个备份星,保障这个系统运行的可靠性。北斗一号正式向军民用户开放使用了。北斗一号双星系统,因为只有两颗卫星来提供服务,所以它是一种有源定位的方式,但导航系统,只依靠有源定位是远远不够的,这就给北斗系统未来建设提出了全新的要求。

第二讲 北斗二号:北斗导航的建设与探索

光速体育 足球  北斗一号系统在上世纪80年代开始建设,当时很多科技项目都需要经费投入,北斗一号用较少的资金,打破了国外卫星导航领域的垄断,但由于自身原理的限制,还有一些缺点,一是存在暴露用户位置的风险;二是用户容量受限,无法做到实时反馈信息,也就无法发展成为全球系统,所以在第一代系统开始建设的同时,我们也开始了第二代导航系统的建设和论证。

  北斗系统的建设分“三步走”:第一步,2000年建成北斗一号系统,也叫做北斗双星系统。它主要解决我国卫导系统的有无问题,能够为我国和周边地区用户提供定位,短报文和授时服务。第二步,在2012年年底,建成北斗二号系统,主要把有源定位变为无源定位,去除北斗一号的一些缺陷,使无源定位系统,能够为我国和周边地区提供更加稳定的导航、定位、测速和授时服务。第三步,也就是今年,在2020年要建成的系统叫做北斗三号系统,也叫做北斗全球系统,让北斗系统不仅是中国的北斗,更是世界的北斗,当然也是先进的北斗。因此,在北斗一号系统建设完成以后,按照北斗系统建设的过程,中国就进入了北斗“三步走”中的第二步——构建北斗区域系统。

  2007年,北斗二号系统建设稳步推进,发射了第一颗试验星,我们叫做北斗系统的04星,它用来接替北斗一号的01星,保证系统连续稳定的运行和不间断的服务。因为卫星寿命有限,北斗一号的组网卫星的预期寿命是8年。2009年,发射了G2星,接替了北斗系统的02星。2010年,接替01星和03星的G1星和G3星当时顺利地接入了北斗系统,操作时间比预计的时间缩短了一半,而系统服务仅仅中断了1秒,就实现了平稳过渡。

  为什么要强调平稳过渡?因为北斗系统是应用系统,每天都有很多用户在使用北斗系统来进行导航服务。作为应用系统,在升级换代的过程当中,保证用户的使用感受至关重要,因此平稳过渡也是系统建设当中非常重要的点。

  北斗二号系统,也就是北斗区域系统共有14颗卫星,其中5颗是GEO卫星,5颗是IGSO卫星,还有4颗是MEO卫星。通过这样的混合星座,来为我国和周边的亚太地区提供导航定位服务,同时,星座还采用了“边建边用”“以用促建”的工程建设的方式,这也是全世界唯一的一个混合星座系统。

  2012年10月,第16颗北斗导航卫星由长征三号乙运载火箭送入太空,中国的北斗二号正式完成了组网任务,正式跻身于世界四大全球卫星导航系统行列。

  北斗二代比北斗一代有哪些进步?一代因为只有两颗星,所以需要采用高程辅助,以及有源定位来实现导航定位。二代已经从有源定位的方式变成无源定位的方式,并且可以采用广播式来解决问题。“广播式”的意思是,卫星一直在不断地往下发射信号,地面不管是有10个人、100个人还是1000个人,接收信号不会受到系统容量的限制,也不存在暴露位置的风险。

  从2012年12月27日宣布正式提供服务以来,北斗系统就进入了系统建设和应用推广并举的阶段。性能稳中有升,包括交通、气象、渔业、林业、电信、水利、测绘等各方面,逐步拓展到我们生活当中各方面的应用。

 第三讲 北斗三号:收官之星与全球组网

光速体育 足球  顺利完成北斗一号和北斗二号建设任务,为我国和周边地区提供导航定位服务以后,如何把北斗从区域系统转变为全球系统?答案是建设北斗三号系统,也叫北斗全球系统。

  北斗三号系统是由30颗卫星组成的,包括3颗GEO卫星,也就是静止轨道卫星。3颗IGSO卫星,即小倾角轨道卫星,还有24颗MEO卫星。

  北斗三号系统建成意味着中国北斗已经变成了世界的北斗。那么从北斗二号到北斗三号,中间又需要解决一些什么问题?比起北斗二号系统这样一个广播式的无源系统,北斗三号系统从区域系统走向了全球系统,是一个全方位的技术提升:包括信号体制、高精度的原子钟、星间链路以及搜救功能,这都是北斗二号系统所没有的。

  北斗三号系统由30颗卫星组成,但在有些地方,我们可能也能看到,北斗三号系统是由35颗卫星组成的,这是怎么回事呢?其实,早在2012年北斗二号系统建设完成以后,北斗三号系统就进入了论证和验证的阶段,也提出了北斗三号试验星的概念,因为北斗三号系统有很多新技术,而这些新技术需要发射试验卫星来进行验证,所以在2015、2016年两年,北斗三号系统一共发射了5颗试验卫星。

  在这个过程当中有一个叫做北斗三号的试验星这样的概念,也就是说北斗三号系统有很多新的技术,我们需要发射试验卫星来对这些技术进行验证。我们总共发射了5颗试验卫星。这些试验卫星,对北斗三号的新体制、新技术进行了充分的试验和验证,这就是我们常常说的“‘五星’护航,北斗系统走向全球”。在对这些新体制和新技术验证完成之后,北斗三号系统才正式开始了建设。

光速体育 足球  北斗三号系统的建设,也分为“三步走”:第一步是8颗MEO卫星组成的最简系统,有了最简系统之后,就可以对北斗三号的性能进行一些相应的验证。第二步叫做基本系统,它是由1颗GEO再加上18颗MEO这样的卫星组成的,基本系统在2018年年底建成。第三步就是构建北斗全球系统,即3颗GEO加3颗IGSO,再加24颗MEO,到今年6月,收官星的发射,意味着北斗三号系统正式完成建设,开始提供全球服务。

  到底是基础技术的进步推动了应用科学的发展,还是应用科学的需求牵引而推动了基础技术的进步?这一点科学界一直有所争论。但从北斗系统来讲,一定是北斗系统的需求牵引了我国的星载原子钟技术的进步。

光速体育 足球  这里要给大家讲一个时间的故事。有人可能会觉得,时间有这么重要吗?手机上、手表上,无时无刻都在显示时间。但事实上,我们能够从有源系统变到无源系统,一个非常关键的点就是原子钟。

光速体育 足球  在北斗系统建设之前,我国是没有星载原子钟技术的,虽然有地面的原子钟,但是地面的原子钟组特别大,而我们是没有办法把这样的原子钟组搬上天的。这是为什么呢?卫星发射的时候,卫星上的载荷就基本上是1公斤载荷等于1公斤黄金这样的一个发射成本,所以要把非常大的原子钟组搬上天,代价和成本都是非常高的。所以我们需要有星载原子钟,把整个卫星导航定位系统的时间统一到同一个基准上,才能够实现北斗系统的定位。

  我们知道北斗系统当中卫星导航定位系统的原理是“三球定位”的原理,也就是说,通过测量我和卫星之间的位置后,我就知道自己的位置一定是在以卫星位置为球心,以我们之间的距离为半径这样的一个球体上,三个球将在一个点,这个点就是我的位置。我和卫星之间的距离,其实是没有办法直接测量的,是通过无线电在介质当中的传播,用测量到达时间差的这种方式,来测量我和卫星之间的距离。知道了无线电从卫星传到我的一个时间,这个时间乘以光速,就可以得知我和卫星之间的距离。光速是3×10的8次方,所以这个时间一定要非常精准,才能够达到现在的卫星导航定位系统的米级、厘米级,甚至是毫米级,这样的一个定位精度。在最开始的时候,我国是没有这样的一个星载原子钟技术的,那个时候打算从国外来购买这样的一个技术,瑞士的手表做得不错,原子钟做得也不错。但是在购买的时候会发生一些问题,瑞士一定要取得对华销售的许可证,然后我们才能够购买原子钟。但是什么时候能取得这个许可证,我们这个许可证有什么条件才能颁发?

  其实会有很多限制条件,也没有任何的已知的努力的方向。所以在这个时候,我们意识到核心关键技术真的是买不来、要不来、求不来的,只能够靠自己。所以,当时为了解决这个问题,北斗团队经过了大概两年时间的攻关,然后解决了星载原子钟的技术。现在,我们国家的星载原子钟技术已经做得非常成熟,像北斗三号上面用的氢钟等,以及天宫二号上面用的冷原子钟等,已经实现了高精度原子钟的技术。有了星载原子钟之后,我们终于解决了卫星上的时间问题,可以开始进行无源系统的建设了。但是卫星发射也是一个不可预知的过程。到2020年,北斗系统密集发射了53颗卫星,再发射2颗卫星,就可以完成整个北斗三号的建设任务,虽受到疫情影响,但倒数第二颗卫星的发射其实还是很顺利,北斗工程师们的辛苦付出,保障了这一颗卫星的正式发射。

  就这样,北斗的最后一颗卫星,就成为全国乃至整个航天史上所瞩目的卫星,原定的发射计划是5月底,鉴于之前有两次航天发射任务失利,其中一次包括长征三乙火箭,它发射时还搭载着一颗外国的卫星,由于火箭第三极出现了问题,这颗卫星没有能够到达预定轨道,由于这个影响,发射时间从5月份推迟到了6月份,时间确定在6月16日。

  但6月16日早上发射检查当中,发现火箭还存在一些隐患,北斗官方再三权衡之后,做出了一个艰难的决定,使这颗卫星的发射又一次推迟了。在一周之后,经过技术排查,在技术归零之后,6月23日,最后一颗北斗卫星终于在万众瞩目下正式上天了。北斗系统所有的卫星都是在西昌卫星发射中心发射的,西昌卫星发射中心也在这20年来承接了北斗系统的所有的卫星的发射,也顺利地送最后一颗卫星上天。在这颗卫星发射之后,就意味着我国提前完成了北斗全球卫星导航定位系统的星座的部署。北斗系统在2010-2012年的三年期间,总共发射了15颗卫星,在2018年的一年当中成功地发射了19颗卫星,它的成功其实不仅意味着中国已经进入了世界卫星导航技术强国之列,也意味着中国开始为全世界提供导航服务,这是中国科技发展对亚太地区乃至世界的巨大贡献,也是中国人在世界航天史上留下的浓墨重彩的一笔。

第四讲 展望未来:“润物细无声”的北斗应用

  北斗系统为我们带来中国精度,中国速度,也在生活的方方面面为我们带来中国温度。

光速体育 足球  大家有时候经常会问,我什么时候才能用上北斗系统,或者什么时候北斗系统才能开始提供服务?事实上,北斗系统很早就已经开始为我们提供服务了,其更多的是以一种“润物细无声”的方式出现在我们的生活当中,你可能还不知道自己已经用上了北斗,但是你已经在生活中的方方面面享受到北斗服务了。

  北斗非常典型的一个行业应用叫做渔船航运,举个例子来说,目前南海70%的渔船都用上了北斗系统,因为在茫茫大海当中没有手机信号,卫星电话的成本又太高,这时北斗系统就派上了用场。北斗系统不仅可以给渔民定位,还可以给家人发短信、报平安,如果在海上遇到危险,还可以及时向海警求救,因此渔民都把北斗系统叫做“海上保护神”。

  第二个应用就是精准授时,有了非常高精度的时间之后,就可以做非常精准的授时,有人会觉得,要这么准确的时间有什么用?手表只要能精准到秒,甚至精准到分钟,对我们日常生活来说,不就已经足够了么?但其实在很多行业当中,是需要纳秒级授时的,比如金融行业,如果金融结算的时间差一毫秒,最后结算的金额,可能就会差出好几千万美元。此外,电力、通信这些关系到国计民生的基础行业,也都需要非常精准的时间信息,在这些时间系统当中,如果用GPS授时,我们肯定会觉得不放心,不能把这些行业当中的   关键命脉,依托在别国建立的卫星导航定位系统基础之上,所以北斗系统也能够在关系到国计民生的重要行业当中为我们提供保障和支持。

光速体育 足球  在防灾减灾和气象监测预报方面,北斗系统也发挥了积极的作用:汶川地震、舟曲泥石流等特大自然灾害当中,都有北斗系统的身影;而在气象预报领域,在边远台站和海岛,气象实测数据最先通过北斗导航系统试验卫星传到中心预报服务部门,在北斗导航卫星的技术支持下,近年来我国气象灾害预报和防灾减灾的能力也有了较大的提高。

  在交通物流领域,北斗还有一个功能就是可以监测桥梁的形变,比如说这个桥它可能发生了一些非常微小的形变,用肉眼是不可视的,但这个形变可能会带来一定的安全隐患,为了解决这样的隐患,我们用北斗的高精度测量功能,毫米级的形变都能够被检测出来,能够判断这个桥梁或者是这个地基是否还处于一个安全的范围。

  再比如动物保护领域,北斗系统曾经给藏羚羊、丹顶鹤等保护动物做过项圈,有了北斗项圈以后,可以实时追踪这些保护动物在无人区的生活状态和路径,并且能够把实时位置进行反馈,对动物保护起到了良好的促进作用。

  北斗系统在我们生活当中的应用,可以说是全方位覆盖的。因为它提供给我们的是一个最基本的时间和空间信息,而我们在所有的应用当中,时间和空间恰恰是最基本的信息。随着2020年北斗系统的建成,未来北斗系统将从建设和应用并举的状态,变成大力推广和应用北斗的模式。在这个过程当中,我们也希望北斗不仅在各个行业当中广泛应用,也希望北斗系统出现在大众生活中,也就是有一天我们每个人的手机上,都会有中国北斗系统来提供服务。

  目前市面上70%以上的智能手机中,都已经装载了北斗系统,典型的如小米、华为、魅族、联想,还有三星。但大家可能并不知道北斗系统的存在,因为手机总会提示,卫星导航信号弱,或者是GPS信号弱,好像很少提到北斗,这是因为,手机上的芯片大多是系统芯片,也就是说手机不仅能够接收GPS信号,也能收到北斗的信号,更能收到GLONASS的信号,再往后可能还能收到Galileo的信号,是利用所有的卫星信号来提供这样的服务。这也是为什么说兼容和互操作是北斗的基本原则之一。

  如果想要单独使用北斗导航,可以用安卓系统手机下载北斗助手等App,并在空旷的地方打开手机,如果带有中国国旗的小图标被点亮,说明手机里就是北斗系统在提供服务。

  北斗三号建成之后,未来的导航技术将会往什么方向发展?现在导航科学家们正在论证的技术叫做中国国家PNT体系,P是positioning定位,N是navigation导航,T是time时间,即导航定位和授时体系。卫星导航定位系统解决了室外90%以上的导航和定位的需求。但同时它还存在很多盲区和问题,比如说在室内导航收不到信号,没有办法提供服务。比如说在水下,比如说在外太空,这些都是导航的盲区。而在这些盲区当中,如何用新技术和新手段来解决这些问题,有待发现和探索。最终真正形成以中国北斗为核心,其他新技术作为补充、增强和备份的完整的中国国家PNT体系,这是导航的未来,也是大家为之努力和奋斗的方向。