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26年!北斗如何逆风翻盘?

择要:卫星导航系统对付一个国家有多紧张?

本文转载自瞭望智库

作者崔赫翾

6月23日9时43分,我国在西昌卫星发掷中间用长征三号乙运载火箭,成功发射北斗系统第55颗导航卫星,暨北斗三号着末一颗举世组网卫星,至此北斗三号举世卫星导航系统星座支配比原计划提前半年周全完成。

20 世纪80 年代开始,我国开始探索得当国情的卫星导航系统成长蹊径,形成了“三步走”成长计谋。自1994年北斗一号系统工程立项至今,我国用26年的光阴实现了59颗北斗卫星(包括55颗北斗导航卫星和4颗北斗导航试验卫星)的发射。

卫星导航系统对付一个国家有多紧张?北斗的举世组网意味着什么?本日库叔和你聊聊。

1

卫星导航系统的“首秀”

当下,卫星导航系统为我们生活的方方面面供给便捷,但它最初是为国防安然量身定做的。

卫星导航系统的“首秀”是在海湾战斗。

1991年,以美军为主的多国部队在举世卫星定位系统(Global Positioning System,以下简称GPS)的带领下,迅速穿过被伊拉克队伍视为禁地的沙漠地区,并对其形成包抄,打了对手一个措手不及。

这场起先被猜测会打成僵持战的战斗,终极以42天的空袭加上100小时的地面作战扫尾,伊拉克队伍周全溃败。

有了“上帝视角”的加持,队伍中海陆空气力的批示节制、部队调动、物资保障、疆场救援和正确制导武器正确袭击都成为了可能。

比如,美国国防部采购了代价跨越4000万美元的8000部GPS小型接管机,在它的信息保障下,美军机器化步兵分队能够对自身位置进行精度在30米以内的定位,并且可以根据行军筹划,天生面向下一个节点的规划。

此后,卫星导航系统在战斗中持续发挥着功能:

*1995年6月2日,一架美军F-16战机在波黑上空被塞族武装的导弹击落。飞行员奥格雷迪跳伞逃生后落在塞族节制区,在靠蚂蚁、野草和雨水苦熬6天,并躲过了塞族部队的多次搜索后,终极被GPS确定了三维位置而救回。

*在科索沃战斗中,美军的F-117隐形轰炸机被击后进,依托于飞行员GPS接管机的呼救装配,飞行员在7小时内就被找到并救出。

*2004年8月,美军进行了一场异于平常的空投实验,将降低区的坐标编进法度榜样,进行精准定位,再经由过程马达牵引线来操纵飞行,终极精准降低,使得投放高度提升到3200米。

注:传统空投的投放精度取决于飞机高度及当时的风速等外界情况身分,一样平常环境下,通俗降低伞低空投放均低于610米,虽然落点准确,然则会将飞机完全裸露给敌方。

无论是“一招制敌”照样敌后救援,卫星导航系统都大年夜大年夜增添了义务成功的概率。不止如斯,卫星导航系统还彻底改变了战斗形态,供献了一个新名词——“外科手术式袭击”。

“战斧”式巡航导弹的技巧改革便是范例案例。

海湾战斗中,美国海军向伊拉克本土发射的282枚导弹中,只有142枚袭击了50个预定目标中的42个。两年后,美国发射了45枚“战斧”导弹进击伊拉克南部工业区的7座修建物,进击成功率只有64%。

同年,美军又发射23枚“战斧”导弹进击巴格达的情报机构,只有18枚射中目标。

低射中率源于最初采纳的“惯性导航+等高线地形匹配(TERCOM)+数字式天气匹配相关器(DSMAC)”的复合制导要领。

一方面,应用零丁的惯性导航,导弹在一千余公里的累计偏差能达到十几公里,就算应用“地形匹配制导”帮助修正,假如飞行路径中的地形过于平坦或山脉过多,加之夜间、烟尘和恶劣气象等身分,依旧会影响袭击精度。

另一方面,上世纪50年代以来,不停依附改良陀螺仪和加速率计的要领提升导航机能,这种纯真寄托元器件机能来前进高精度惯性导航的措施越来越艰苦。

海湾战斗之后,美军开始将GPS与惯性导航系统组合应用。

要精准进击地面固定目标,首先须对目标进行正确的GPS定位。在拍照侦探时,用GPS精准确定摄影时候的轨道位置和高度等,将这些数据作为制导目的数据,或直接装订在制导谋略机中,或经由过程数据链传送给制导谋略机,节制导弹飞向预定目标所在区域,再经由过程成像未制导着末确定目标,实施进击。

有了GPS,导弹飞行航线的选择也不再依附舆图,也不再受水域和地形特性的制约。

以致,因为精度前进了,海湾战斗中,“战斧”导弹战争部原先450公斤的重量缩减到320公斤,可携载更多燃料,航程增添50%以上。

在伊拉克战斗中,美军传播鼓吹因为采纳了GPS制导技巧,其空中袭击能力比海湾战斗中前进了6倍,以前摧毁一个目标必要几架次的袭击,而现在一架次就能摧毁几个目标。

2

大年夜国“烧钱”角逐

当然,利器平日相称“烧钱”,美国工资此付出了相称昂贵的价值。

1973年,美国开始钻研GPS。因为建成最早。利用范围最广,GPS一度盘踞霸主位置。

1993年,美国已实现24颗在轨卫星满星运行,散播在6个轨道面上,包管在地球的任何地方都可同时见到4至12颗卫星,地球上任何地点、任何时候均可实现三维定位、测速和测时。几十年来,美国统共为GPS投入了约300亿美元。

卫星导航系统太紧张,即便花费伟大年夜,各国依旧争相投入研发。

苏联1976年开始组建格洛纳斯卫星导航系统,1995年时建成由24颗卫星组成的卫星星座,第一次实现卫星旌旗灯号的举世覆盖。

2008年12月25日,俄罗斯拜科努尔发射场,Proton-M型火箭搭载一颗格洛纳斯卫星发射。

经久困扰俄罗斯航天的老大年夜难问题便是经费不够。跨越预定事情寿命的卫星得不到及时替换,无力发射新卫星,到2001年时格洛纳斯系统在轨事情卫星仅剩7颗,险些处于瘫痪边缘。

2002年,欧盟赞许扶植伽利略卫星导航系统。仅仅8年,伽利略卫星导航系统就因实际投入用度远远越过预期,陷入“财政无底洞”。

若想继承扶植,卫星导航系统的扶植还必要增添15亿至17亿欧元(约合139.6亿至158.3亿元人夷易近币)。欧盟委员会表示,用度增添主要由于火箭发射费、安然保险费的前进以及延期造成的用度,伽利略计划可能面临经久吃亏。

2015年12月17日,欧洲伽利略卫星导航系统第11颗和第12颗卫星搭乘一枚俄罗斯“同盟”运载火箭从法属圭亚那库鲁航天中间发射升空。

亏钱也得建!卫星导航系统不仅事关国家安然:

*在国家电网中,假如没有卫星导航系统的授时性,就无法包管光阴的正确和同等;假如没有卫星导航系统对故障正确定位,快速向导至故障点进行抢修,电网平安稳定运行便是一个未知数。

*大年夜宗商品买卖营业对基础面信息的获取有异常迫切的需求。以往,经由过程传统渠道得到数据信息,会无意偶尔效性低、信息不够的问题存在,这导致举世大年夜宗商品供应链的市场透明度始终不高。卫星导航系统供给的“另类数据”,为提升大年夜宗商品市场透明度供给了新的可能性。

*脱离了卫星导航系统,地球磁场、地球板块运动等学术钻研会一切陷入停滞。

*没有卫星导航系统的加持,港珠澳大年夜桥等超级工程的定位速率会大年夜幅下降,无法展现“中国速率”。

*没了导航,广大年夜“路盲”出行将蒙受多大年夜的艰苦,不言而喻。

1980年代,我国开始探索得当国情的卫星导航系统成长蹊径。当时,美国的GPS已是星座构成最完善、定位精度最稳定、利用最广泛并出现市场垄断的卫星导航系统,而且,对全天下免费开放,连外国队伍都可以应用。

于是,有人说,中国“有需要消费这么大年夜的精力,去自立研发一个定位系统吗?”

3

北斗,想说爱你不轻易

当然有!

首先,GPS是一个以军用为主的卫星导航系统,所有权、节制权、运营权都属于美国国防部。很多国家的夷易近用用户都担心,美国军方可以随时叫停夷易近用旌旗灯号。“免费午餐”存在伟大年夜风险。

其次,精度不敷。GPS包孕军码和夷易近码两种旌旗灯号,二者周详级别不合,前者是毫米级别,后者是分米级别。2000年曩昔,美国军方对GPS宣布的夷易近用旌旗灯号进行滋扰,为的是低落夷易近用旌旗灯号供给精度,保护美国信息安然。

在此背景下,本着先区域、后举世的成长筹划,我国先后建成北斗一号、北斗二号、北斗三号系统,走出了一条中国特色卫星导航系统扶植蹊径。

2015年9月30日,西昌卫星发掷中间,中国成功发射第4颗新一代北斗导航卫星。

这条路并非一帆风顺。在详细的技巧上,难题迭出。

比如,导航卫星发射上天的条件是要有合法的轨道位置和频率资本,这是天下各国必争的宝贵资本。美国的GPS和俄罗斯的格洛纳斯卫星导航系统早已占去了80%的“黄金导航频段”。

直到2000年,我国才在国际电联组织争取到了暂时的轨道位置和频率资本。然则,《无线电规则》对卫星频率和轨道做的充分化释和分配要领中有一条规定,7年内申请者必须应用该频率。

光阴相称紧迫!

2007年4月14日,肩负侧紧张任务的北斗卫星终于起飞,4月17日传回了旌旗灯号。

这时,间隔国际电联规定的频率申请掉效着末刻日仅剩不到4个小时。

原子钟难题也曾是一大年夜障碍。

导航卫星上的原子钟,使用原子接受或开释能量时发出的电磁波进行计时。稳定的电磁波协同周详的仪器为卫星导航供给正确的光阴测度。它能正确到什么地步?举个例子,哪怕从恐龙灭绝时计时到现在,偏差也不跨越3秒。原子钟是以被称为导航卫星的“心脏”。

我国曾试图从国外引进铷原子钟,遭回绝后开始自立研制。

1997年,科学家们对铷原子钟的寿命、靠得住性和卫星情况适应性等完全没有观点,只能反复试验、改进,以此探求最佳谜底。比如,铷原子钟的核心部件微波腔,直接抉择原子钟旌旗灯号强弱,团队赓续考试测验,用时一年多研制出开槽管微波腔。

此外,团队还发现了一种新型铷光谱灯,降服了限定铷钟寿命和卫星情况适应性的主要障碍。

北斗三号卫星,开始采纳氢原子钟,铷原子钟天稳定度为E-14量级,氢原子钟天稳定度为E-15量级。

中国自立研发的空间主动型氢原子钟。

2000岁尾,我国建成北斗一号系统,首次办理了“我们在哪里”的根本问题。从1994年立项到3颗GEO卫星组成了举世第3个卫星导航系统、覆盖中国国土及周边,我国用了6年。

2012岁尾,北斗二号系统建成,14颗卫星覆盖亚太地区,在亚太地区内导航系统标准办事的定位精度在10米阁下。北斗二号确立了北斗的技巧系统体例,实现了继续导航与定位申报双模交融、三频旌旗灯号全星座播发。

2020年,北斗三号实现了举世组网,35颗卫星覆盖举世,可以向举世用户供给米级、亚米级、分米级,以致厘米级精度的定位和导航增强办事。

从一个“缺”字当头——关键技巧和设备缺乏,卫星导航钻研的人才缺乏,经费也捉襟见肘,再到北斗举世组网的完成,统统艰辛与光荣,尽在不言中。

4

我们真的“青出于蓝”了吗?

2007年,联合国将美国GPS、中国北斗、俄罗斯格洛纳斯、欧盟伽利略确定为举世四大年夜导航系统。

今朝,北斗的各项技巧也在赓续更新之中。

比如,在北斗二号的根基上,北斗三号的定位精度提升了1至2倍,达到2.5-5米的水平,拟为夷易近用用户免费供给约10米精度的定位办事、0.2米/秒的测速办事。

此外,北斗三号导航系统还可以以其高精度定位的上风,向用户供给周详丈量测绘数据。北斗三号工程副总设计师、北斗三号导航卫星首席总设计师谢军表示,“丈量地震后修建物的下沉变更等,几毫米的下沉,都逃不过北斗的法眼。”

后发制人的北斗,还有很多其他导航系统难以企及的上风。

首先,北斗特有的短报文功能,是GPS不具备的一项技巧冲破。简单来说,这是用户机与用户机、用户机与地面节制中间间双向数字报文通信功能,不仅能发送旌旗灯号,还可以接管旌旗灯号。

短报文发送方首先将包孕接管方ID号和通讯内容的通讯申请旌旗灯号加密后,经由过程卫星转发入站;地面中间站接管到通讯申请旌旗灯号后,经脱密和再加密后加入持续广播的出站广播电文中,经卫星广播给用户;随后,接管方用户机接管出站旌旗灯号,解调停密出站电文,完成一次通讯。

短报文,与我们日常短信的形式相似,在各类救援中发挥了无法替代的感化。

汶川地震救灾时,北斗一代设备发出了来自震区的第一条消息。那时,所有高度依附光纤和基站的通讯手段都因根基举措措施大年夜面积毁坏而无法应用。北斗卫星导航系统的短报文功能迅速“上线”,最大年夜限度地包管了我们对“72小时黄金抢救光阴”的充分使用。

2018年9月,一架通航飞机在新疆和田山区掉联后,经由过程北斗短报文发送了定位信息,使得机组职员整个安全获救。

在森林火警中,北斗手持终端可经由过程北斗系统高精度定位技巧及短报文通信功能,让第一线的消防干警及时掌握火情并做好小我防护,便于组织疏散当地人群、加强重点防护区域场所的救援气力支配事情。

2017年,北斗的利用还在渔业中赓续推广。渔夷易近说,现在出海就拜两样器械,一拜妈祖,二拜北斗。今朝,我国渤海、黄海、东海、南海等海疆的5万多条渔船都装上了北斗终端。根据浙江省2011年的统计,浙江渔夷易近使用北斗卫星发出了1300万条短信。

此外,GPS应用的是双频旌旗灯号,而北斗应用的是三频旌旗灯号,可以更好地打消高阶电离层延迟影响,前进定位靠得住性,增强数据预处置惩罚能力,大年夜大年夜前进隐隐度的固定效率。假如一个频率旌旗灯号呈现问题,可应用传统措施使用别的两个频率进行定位,前进了定位的靠得住性和抗滋扰能力。

北斗是举世第一个供给三频旌旗灯号办事的卫星导航系统。

5

夷易近用化是成长偏向

现在,北斗已普及我们生活的方方面面:天下主流手机芯片大年夜都支持北斗系统,北斗系统正成为海内贩卖的智妙手机的标配;共享单车配装北斗系统实现精细治理;支持北斗系统的腕表、手环、门生卡,加倍方便了人们的日常生活。

中国航天科技集团展出的北斗导航卫星系统模型。

必要留意的是,这些卫星导航系统不长短要争个不共戴天,多系统兼容与互操作已成为成长趋势。

美军U-2侦探机已将中国的北斗卫星导航系统作为备用系统,供飞机在GPS掉灵时应用。U-2飞行员佩戴的腕表也内置了多个导航系统,除GPS外,也能连接北斗、格洛纳斯和伽利略系统。

为何要跟竞争对手搅在一路?

其一,为正常运行供给保障。

根据GPS的事情道理,接管机必要同时“看到”至少4颗导航卫星,才能实现定位。假如应用单一导航系统,一旦在某一区域上空卫星数量有限,接管机与某颗卫星就会断开联系,影响定位办事的持续性。北斗与GPS实现互操作今后,用户用一台接管性能同时接管两个系统的卫星旌旗灯号,如GPS卫星数量不敷的话,还有北斗卫星,定位的稳定性和精度会更高。

其二,卫星导航财产一样平常遵照由军用到行业再到夷易近用、从小众到大年夜众的成长规律。北斗导航系统现已广泛利用于交通运输、公共安然、农林渔业、水文监测、景象预告、通信时统、电力调整、救灾减灾等领域,而兼容可前进产品机能,提升用户体验,为商业竞争加分。

今朝,国际主流举世导航卫星系统(GNSS)厂商都采纳多系统共用模式,产品一样平常都支持两个或者更多的卫星导航系统,北斗三号在设计建造之初就已斟酌对其他卫星导航系统的兼容性,用户可以在终端上接管多个旌旗灯号。

北斗的大年夜众规模化利用期间已经到来。作为计谋性新兴财产,卫星导航定位市场已蜕变为每年代价近千亿美元的举世性财产链和计谋相助关系。2017年我国卫星导航与位置办事财产产值达到2550亿元,同比增长20.4%。这一数字在2020年有望达到3400亿元至3500亿元。

当下,我国与其他国家的相助也在赓续推进,国产北斗根基产品已出口120余个国家和地区,基于北斗的地皮确权、精准农业、数字施工、聪明港口等,已在东盟、南亚、东欧、西亚、非洲等地获获成功利用。

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