让北斗卫星导航系统羽翼丰满
让北斗卫星导航系统羽翼丰满
作者：杨长风
来源：《科学24小时》2018年第10期
        地理信息中的时间和空间是宇宙万物的基本属性。现代信息社会中85%的信息与位置、时间相关。从导航技术发展历史看，在需求牵引和技术推动的双重作用下，人们一直在寻求更为先进的获取空间位置和时间信息的手段。目前，卫星导航已经成为最重要的PNT（positioning navigation timing，即定位、导航、授时）手段，能够为全球地表和近地空间提供服务。未来，PNT体系将是定位导航设施技术的发展方向。
        性能提升 覆盖全球
        目前正在建设的“北斗三号”卫星系统跨度大，创新性强。对标世界一流卫星导航系统，其创新性主要体现在以下几个方面。
北斗手机号定位
        在建设、运行、应用方面，“北斗三号”卫星遵循国际标准，规则、程序均实现与国外系统的兼容。现在使用手机导航时，一般看到的都是GPS，实际上在使用过程当中都是与北斗兼容使用的。如果手机装有双模接收机，则既能用北斗导航系统，也能用GPS导航系统，我们的民用服务和有关信息完全开放。
        到今年年底，“北斗三号”卫星系统还要发射11颗星，实现“一带一路”沿线国家的基本服务。到2020年，完成共30颗星的发射组网任务，实现全球组网目标。可以说，北斗20多年的发展跨越了美国GPS 40多年的历程。
        精准可靠 兼容互用
        定位导航授时体系是各种PNT技术、系统和服务的总称。它覆盖和贯穿了时空基准的建立、维持、传递与应用的全过程，其目的是为人类的活动空间提供统一、精确、可靠的时空信息服务。
        卫星导航系统就像水和空气般地深入到我们日常生活的各个方面，在导航定位、精确制导、通信、电力、测绘等方面都得到广泛应用。卫星导航系统已然是当今最重要的PNT系统，
但是受卫星导航信号物理特性的限制，卫星导航系统并不能作为唯一可依赖的PNT手段。主要问题有：信号接收功率极低，容易受到干扰;障碍穿透能力弱，还不能全面覆盖水下、室内、丛林、峡谷等复杂环境;只能覆盖地球空间，而在为深空探索提供服务方面仍存在空白。因此，我们迫切需要进一步提升以卫星导航系统为核心的各类PNT手段的创新发展，通过多手段系统集成，形成体系化的国家级PNT基础设施建设。
        我国PNT体系的总体发展目标是，开展技术先进、安全可靠、兼容互用的新一代北斗导航系统建设，实施多技术融合增强、多手段补充和备份系统建设，建成基准统一、覆盖无缝、安全可信、高效便捷的北斗综合PNT体系，满足国家安全、经济社会时空信息保障需求。
        从卫星导航的角度来看，PNT体系相当于卫星导航与各种增强补充的备份系统。增强系统主要增强卫星导航性能、完好性和安全性等，补充系统主要填补卫星导航在水下、深空、室内服务的空白，备份系统主要在卫星导航服务中断时提供一定的应急服务。
        从北斗导航系统角度来看，PNT体系约等于“北斗+”。北斗导航系统能够提供高精度的定位服务，覆盖3000千米以下的近地空间，本身也具备较强的星座生存能力，可以提供精准
的时空参考框架，是PNT体系的核心和基石。“北斗+通信”可以进一步提高北斗导航系统的服务能力;“北斗+惯导”可以提升防电磁阻断能力，在短时间内保证时空信息服务不中断;“北斗+水声、脉冲星导航”可以填补北斗导航系统在水下和深空服务方面的空白。
        五层建设 体系融合
        PNT体系的建设内容主要分为五层：在最外层深空领域主要发展脉冲星导航技术;在中高轨道空间主要发展下一代卫星导航系统;在近地轨道空间主要开展低轨导航增强系统建设;在地表主要开展北斗导航系统与5G、数据链等通信系统的深度融合;在水下重点建设海底控制点水声导航、匹配导航等水下导航系统。
        去年，我国发射了一颗脉冲星，做了大量的试验，可为深空、航天提供自主的导航定位授时服务。今后，北斗导航系统时间和空间的基准就可以通过脉冲星来提供，成为“北斗”的“北斗”。
        下一代卫星导航系统要在“北斗三号”卫星的基础上进一步提高基本导航、星基增强、短报文通信、国际搜救、精密定位、星间链路六个方面的能力，同时更好地融入到国家网络信息体系。
        增强低轨导航，主要是加强30千米以下空间全球覆盖的问题，辅助提升北斗导航系统抗干扰的能力，实现全球范围内用户分米级定位。同时，低轨导航本身也具备单独的定位授时服务能力。
        北斗还可以和5G技术融合。北斗导航系统在室内和城区复杂环境下的定位能力不足。融合后，北斗导航系统就可以利用5G高速移动通信网，播发导航电文和分成信息，辅助实现移动通信区域分米级、厘米级高精度的增量。北斗和5G技术的融合，核心就是要协同设计有关标准、规范和体系架构，一旦降低成本、提高精度后，市场的空间预计可达万亿，融合前景非常好。
        水下导航的核心主要是惯性导航，同时通过水下无线电导航、水声导航、重力导航等手段对惯导长时间漂移误差进行校准，按照解决急需、提升能力的思路逐步发展。在解决急需方面，补充惯性的缺点，发展多源校准的手段;在长远提升方面，发展高精度、小型化、持续发展的惯性技术。
        简而言之，就是“5+1+N”。其中的“5”是五大基础设施，包括积极发展下一代卫星导航系统、低轨导航增强系统、水下导航系统、惯性导航系统和脉冲星导航系统。“1”就是实现一个
融合发展，要加快推进以5G移动通信为代表的网络信息体系的深度融合。“N”主要是突破一系列新兴技术的研究，包括超稳芯片级原子钟技术、仿生导航等等。
        以北斗导航系统为核心的国家PNT體系不是所有PNT技术与系统的简单集合，更不是另起炉灶，而是要做统筹、融合、协调，从满足最大共性需求出发，提供一个标准化的解决方案。提高体系建设以及维护和使用的效费比。从技术角度来看，就是要实现全空域、全时域、全信息、高可靠的使用要求。在人类重点活动区域，实现多种PNT手段的体系融合，使服务能力更加稳固。

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