杨元喜院士：北斗系统开通，艰巨挑战还在后头

 

 7月31日，习近平总书记在北京人民大会堂郑重宣布，北斗三号全球卫星导航系统正式开通。

 

历时26年，历经北斗一号、二号、三号的艰难建设过程，由我国建成的独立自主、开放兼容的卫星导航系统，从此走向了服务全球、造福人类的时代舞台。

 

这一成就来之不易，背后有哪些故事？这一成就意义重大，巩固这些成果，还将面临哪些挑战？

 

近日，中国科学院院士、北斗导航系统副总设计师杨元喜，给出了解读。

 

● 建成北斗全球卫星导航系统曾面临哪些严峻挑战？

 

没有独立自主的卫星导航系统提供自主可控的定位导航和授时服务，就不可能有独立可控的国防安全，就不可能有独立的国家智能化体系，也不可能有国家信息基础设施的安全。

 

然而，建设自主可控的全球卫星导航体系，不得不面临严峻的挑战。

 

第一，卫星导航的黄金频率资源几乎全部被占用，只留下边边角角的频率资源，而且相对优化的信号调制模式也不得不面临西方发达国家的专利壁垒；

 

第二，卫星导航的核心载荷涉及大量高新技术，而西方发达国家对这些高技术产品实行全面禁运；

 

第三，建立独立自主的全球卫星导航系统还必须有全球卫星跟踪测定轨能力，否则，北斗系统的空间星座不可能为全球用户提供高精度定位、导航和授时服务。然而，由于西方强权的限制，我们不可能在全球建立北斗地面跟踪站，所以实现全球高精度卫星定轨和高精度导航定位困难重重；

 

第四，全球80%以上的卫星导航市场已被美国GPS所垄断，中国卫星导航系统的建设还必须面临市场的竞争压力。

 

上述问题是后发的北斗卫星导航系统建设不得不面对的困难与挑战。

 

 

资料图：美国第二颗GPS卫星

 

● 面对挑战，我们如何应对？

 

面对如此严峻的挑战和困难，我们唯有创新才有出路；唯有“标新立异”，才会有用户和市场。

 

对北斗系统建设而言，“标新”不是追求表面的靓丽，也不是追求名词的新颖，而是追求技术的突破，追求性能的超越；“立异”不是为了花哨，不是为了哗众取宠，而是充分利用卫星资源，追求功能的丰富和应用特色的鲜明。

 

没有“标新”的设计就没有北斗的高性能服务；没有“立异”的功能，就没有北斗的服务市场。无论标新或立异，都要求北斗卫星导航系统有用，好用，管用。

 

卫星载荷，星间链路，短报文……基于创新驱动和国家重大需求而建设的北斗全球卫星导航系统不仅实现了国家时空信息的完全自主可控，而且攻克了160多项关键核心技术，突破了500多种核心器部件国产化研制，实现了北斗全球卫星导航系统核心器部件100%的国产化。

 

北斗三号全球卫星导航系统的建成及投入服务，再次验证了习近平总书记的重要讲话精神，“关键技术是要不来，买不来，讨不来的”，尤其是涉及国家核心基础设施建设的关键技术。

 

 

●  建成北斗全球卫星导航系统的意义是什么？

 

北斗导航定位系统不仅具有定位、导航和授时（PNT）功能，还具有区域短报文通信、区域精密单点定位和区域星基增强服务功能，以及国际搜救、全球短报文等特殊服务功能。

 

北斗全球卫星导航系统的建成，标志着我国具备了独立自主的全球卫星导航系统，我国重要基础设施的时空基准不再依赖国外的卫星导航系统。

 

北斗三号全球卫星导航系统由位于三个不同轨道的30颗卫星组成，是国家其他重要基础设施的基础设施。

 

国家金融体系、国家电网、通信网络和互联网均属于国家重要基础设施,它们需要高精度时间同步，否则金融系统可能瘫痪，电网可能发生故障，通信网络和互联网可能出现服务中断或服务效率低下的现象；国家航空系统、铁路交通、公路交通等属于国家交通基础设施，它们均需要精确的定位、导航和时间同步。

 

北斗卫星导航系统服务模块可以植入航空、高铁和公路系统，使空中运输更安全，高铁运行更高效，公路交通管理更有序。北斗系统还能为智慧城市、精细农业、数字渔业等提供位置和时间信息，为国家坐标系统维持与更新提供自主的高精度监测，为地壳形变监测、滑坡监测等提供精密的位置变化信息。

 

 

● 北斗全球卫星导航系统正式开通，艰巨挑战还在后头

 

北斗卫星导航系统的开通运行只是北斗系统建设与服务的一个重要节点。正如孙家栋院士所说，“北斗系统不但要做到天上好用，而且要做到地上用好”，为此北斗卫星导航系统的维护、运行与监控就显得十分重要。

 

北斗系统的稳定运行与服务取决于监控系统的精稳监测、精细调控和故障的快速排查与恢复。

 

尽管在设计与建设过程中留有冗余备份，并有严密监测与故障预警体系，但北斗系统是一个复杂的巨型系统，系统的稳定运行不仅受空间环境和卫星上各种载荷可靠性的影响，而且受地面环境及各类运行控制要素的影响。任何环节运行失误都可能导致系统服务质量下降，甚至服务中断。显然，北斗的稳定运行仍面临十分艰巨的任务。

 

首先，我们要加强卫星的冗余设计和冗余备份，确保空间星座的完备性；

 

其次，还要加强监测和运控系统备份，确保北斗运行控制系统的稳定可靠；

 

此外，我们要不断精化卫星轨道测定算法，使其具备误差识别和补偿能力，加强卫星钟差的监测与预报计算软件优化，使其具有可靠的卫星钟差建模与预报能力。

 

只有这样，北斗系统的稳定运行与服务才有可靠保障。

 

 

全球范围北斗系统服务性能示意图

 

同时，北斗卫星导航系统与其他全球导航卫星系统一样具有天然的脆弱性。

 

北斗卫星导航信号微弱，易被干扰和欺骗，且不能惠及室内、水下和地下以及其他受遮蔽的地区。

 

习总书记倡导，要建设更加泛在、更加融合、更加智能的国家综合定位导航授时体系。北斗系统建成后，我们将集中精力构建从深空到深海无缝覆盖的综合PNT体系，建设在任何复杂环境下具备抗干扰、防欺骗、连续、稳定、可靠服务的时空信息服务保障系统。

 

综合PNT体系建设没有可以遵循的模式，没有可以采购的载荷，也没有可以借鉴的经验，唯有不断创新，不断探索，才能建成新的国家综合的PNT体系。

 

总之，北斗卫星导航系统的建成，解决了国家经济建设和国防建设的急需，但是更加泛在的、独立自主的综合PNT体系和相应的弹性PNT体系建设才是我们追求的最终目标。

 

来源 | 综合中国科学报、中国北斗卫星导航系统等