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北斗導航系統副總設計師:北斗系統開通,艱巨挑戰還在后頭

 2020-08-12 16:29:34  來源:廣東省工業設計協會  次瀏覽

摘要:我國重要基礎設施的時空基準不再依賴國外的衛星導航系統



       7月31日,中共中央總書記、國家主席、中央軍委主席習近平向全世界莊嚴宣布“北斗三號全球衛星導航系統正式開通”。歷時26年,歷經北斗一號、二號、三號的艱難建設過程,我國獨立自主運行控制的國家時空基礎設施正式建成,并投入運行。

       北斗導航定位系統不僅具有定位、導航和授時(PNT)功能,還具有區域短報文通信、區域精密單點定位和區域星基增強服務功能,以及國際搜救、全球短報文等特殊服務功能。北斗全球衛星導航系統的建成,標志著我國具備了獨立自主的全球衛星導航系統,我國重要基礎設施的時空基準不再依賴國外的衛星導航系統。

       北斗三號全球衛星導航系統由位于三個不同軌道的30顆衛星組成,是國家其他重要基礎設施的基礎設施。國家金融體系、國家電網、通信網絡和互聯網均屬于國家重要基礎設施,它們需要高精度時間同步,否則金融系統可能癱瘓,電網可能發生故障,通信網絡和互聯網可能出現服務中斷或服務效率低下的現象;國家航空系統、鐵路交通、公路交通等屬于國家交通基礎設施,它們均需要精確的定位、導航和時間同步。

       北斗衛星導航系統服務模塊可以植入航空、高鐵和公路系統,使空中運輸更安全,高鐵運行更高效,公路交通管理更有序。北斗系統還能為智慧城市、精細農業、數字漁業等提供位置和時間信息,為國家坐標系統維持與更新提供自主的高精度監測,為地殼形變監測、滑坡監測等提供精密的位置變化信息。

       北斗衛星導航系統的開通運行只是北斗系統建設與服務的一個重要節點。正如孫家棟院士所說,“北斗系統不但要做到天上好用,而且要做到地上用好”,為此北斗衛星導航系統的維護、運行與監控就顯得十分重要。

       北斗系統的穩定運行與服務取決于監控系統的精穩監測、精細調控和故障的快速排查與恢復。盡管在設計與建設過程中留有冗余備份,并有嚴密監測與故障預警體系,但北斗系統是一個復雜的巨型系統,系統的穩定運行不僅受空間環境和衛星上各種載荷可靠性的影響,而且受地面環境及各類運行控制要素的影響。任何環節運行失誤都可能導致系統服務質量下降,甚至服務中斷。顯然,北斗的穩定運行仍面臨十分艱巨的任務。

       首先,我們要加強衛星的冗余設計和冗余備份,確保空間星座的完備性;其次,還要加強監測和運控系統備份,確保北斗運行控制系統的穩定可靠;此外,我們要不斷精化衛星軌道測定算法,使其具備誤差識別和補償能力,加強衛星鐘差的監測與預報計算軟件優化,使其具有可靠的衛星鐘差建模與預報能力。只有這樣,北斗系統的穩定運行與服務才有可靠保障。

       我們必須清醒地認識到,北斗衛星導航系統與其他全球導航衛星系統一樣具有天然的脆弱性。北斗衛星導航信號微弱,易被干擾和欺騙,且不能惠及室內、水下和地下以及其他受遮蔽的地區。為了國家重大基礎設施PNT信息的安全、可靠、連續,必須建立“更加泛在、更加融合、更加智能”的綜合PNT體系。

       綜合PNT體系要求基于不同物理原理、不同信息層,建立從深空到深海,甚至深地的無縫PNT信息基礎設施。強調“不同物理原理”,是因為基于相同原理的信息一旦受干擾、遮蔽,再多的信息源也無濟于事。于是,包括銀河系外的脈沖星X射線導航定位信息源、基于拉格朗日星座的PNT信息源、高低軌衛星星座組合的空間PNT信息源、地面5G/6G通信信息和海底聲吶信標等提供的PNT信息源,將成為下一代國家PNT體系的主要信息源,最終建成以北斗系統為核心、從深空到深海無縫覆蓋的PNT信息基礎設施,實現時空基準統一、服務信息多源、服務體系連續、可靠、穩定、抗干擾、防欺騙的PNT服務。

       基于綜合PNT基礎設施,我們還必須構建多源信息彈性集成、觀測模型彈性優化、隨機模型彈性調整的彈性PNT服務體系。實現多PNT傳感器的集成化和小型化、運控手段的“云端化”、多源信息融合的“自適應化”,最終實現PNT服務模式的“智能化”,以便實現各類PNT信息的最佳融合。

       國家綜合PNT基礎設施和彈性PNT服務體系是確保國家重大基礎設施安全、穩定、可靠運行的重要保障,也是國防建設的重要支撐。總之,北斗衛星導航系統的建成,解決了國家經濟建設和國防建設的急需,但是更加泛在的、獨立自主的綜合PNT體系和相應的彈性PNT體系建設才是我們追求的最終目標。

 

(作者楊元喜,系中國科學院院士、北斗導航系統副總設計師)

《中國科學報》 (2020-08-10 第1版 要聞)

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