北斗系统“亮剑”GPS

摘要:让技术让人类造福,也能形成生生不息创新产业体系,北斗系统组网成功代表了新的起点


人们已经习惯把定位和导航叫做“GPS”,这是一种惯性。

6月23日,随着北斗三号卫星组网收官,北斗系统完成全球卫星导航部署,人们或许在未来一段时间需要改口叫做“BDS”(BeiDou Navigation Satellite System)。

作为“大国重器”,北斗系统此前就在一些涉及国家安全领域之中广泛应用;由于终端芯片更加便宜、定位误差更小、精度更高、支持短报文、无源定位等功能,目前已有70%的国产手机采用北斗系统,大部分运营车辆及渔业、海事、移动通信、民航等终端设备均采用北斗系统。

让人自豪的是,北斗系统还是中国向全球输出的公共服务产品,这不仅是中国“去依附”的科技成果,也将给世界带来深远影响。本文试图梳理出北斗系统如何在GPS系统主导定位导航天下之下被迫独立探索,并形成自身的核心实力开创新的基础产品格局的大致过程。

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GPS的国安隐患、伽利略计划的排斥,逼出了北斗系统

北斗卫星导航系统官网这样对北斗的功能和作用做出说明:

「北斗卫星导航系统是中国着眼于国家安全和经济社会发展需要,自主建设运行的全球卫星导航系统,是为全球用户提供全天候、全天时、高精度的定位、导航和授时服务的国家重要时空基础设施。」

北斗诞生的渊源要追溯到1991年的海湾战争之中,以GPS为信息战的“眼睛”发起对一个国家外科手术式打击震惊了世界,也刺激我国进行军事变革;尤其是遭遇了1993年“银河号事件”事件之后,让国家意识到拥有自主卫星导航系统的紧迫性。

北斗系统部署分为“三步走”战略,从1994年北斗一号的研制到2003年完工的“北斗一号”,让我国初步摆脱了对GPS的依赖。彼时,欧盟正在联合搞全球卫星导航系统,我国曾试图投入巨资入伙,但发现很多核心技术并不开放并果断退出了伽利略计划,推进“北斗二号”。

“北斗二号”的申请轨道和频率和欧洲伽利略系统一致,按国际规则,卫星轨道和频率谁先占了算谁的,虽然伽利略计划的第一颗卫星比我国早两年上天,但只占了轨道没开通频率,欧洲不慌不忙的捣鼓给北斗二号的部署时间。北斗二号第一颗卫星就占了卫星轨道和频率,随后开始一个接一个的打卫星,后来还发展到一箭双星。

2018年是“北斗创业史”上开挂的一年,一年10箭18星,创下了全球卫星导航系统最快组网纪录,2018年这一年也是“北斗三号”提供全球服务的开始。

当6月23日,北斗三号组网成功之后,孙家栋院士祝贺到“北斗是中国几代北斗人努力的结果,是中国人的骄傲,希望北斗全球系统稳定运行,服务中国,服务世界。”

02

北斗系统与GPS将在全球范围内展开激烈的市场竞争

据欧盟2018年的统计、GPS占据了全球60%以上的市场份额、伽利略约占全球卫星导航系统市场份额的25%,而北斗系统占据11%,该统计由于一些应用领域的保密性只能作为大致参考。

至今在国内依然有一些朋友认为北斗不如GPS精准,这实际上是由于北斗系统在营销和宣传上此前保持低调有关。

实际上,北斗使用了GEO和IGSO卫星,再加上卫星之间形成的数据通信链路,相比于其他系统仅使用中轨道的MEO卫星,是更为复杂、先进的星座系统。GPS卫星作为中轨道卫星东西旋转,要保障精准度必须在全球设站,除美国以外的地区很难做到全球分布,而北斗的轨道高度比GPS高,为增加覆盖面积,增加了卫星间链路系统,可以让卫星互相“打电话”,使卫星定位的精度大幅度提高。

并且,北斗是全球第一个实现三频发播的卫星导航系统。三频本是由美国最先提出来的构想,但由于美国卫星发射相对较早,当时美国通过实验发现单频系统无法消除电频层的干扰,极易造成误差,而双频就能很好地解决这个问题,所以三频就一直没有难以全面付诸实施。美国的首颗GPS III卫星在2020年1月13日投入使用,而GPS要实现更新换代至少需要5年的时间,这给了北斗系统迎头赶上充足的时间。

北斗系统从一开始就应用三频系统,其优势是北斗就可以更准确掌握地面终端的位置信息,在海洋、沙漠和野外等没有网络的地方,装有北斗系统终端的手机、车船等就可定位自己的位置,并能够向外界发布短报文信息。除了导航以外,北斗系统形成的星基增强、精密定位、短报文通信、国际搜救服务能力、已提供地基增强完全服务能力有利于商业化扩展。

此外,北斗系统相比于GPS来说还具有明显“性价比”优势,北斗芯片和设备终端要比GPS便宜,虽然不能全面赶超GPS,但是在特定区域内要比GPS新更能更优越。

当然,有一种观点认为,现阶段现阶段北斗若想增加在世界范围内的影响力和自身服务力,兼容GPS或许是更好的选择。从实验测量数据上,GPS和BDS集成后的精度要远远大于其中任何一方;从商业角度看,国家间双边和多边合作,需要多个全球导航卫星系统之间的兼容互操作。

但是,在中美两国竞争的大背景以及“脱钩论”盛行之下,鉴于卫星导航关系国家和地区安全重大问题,北斗与GPS之间此消彼长的局面将难以避免。中国竞争最大的市场优势在于中国拥有世界上最大的卫星导航应用与服务市场。

有统计数据显示,中国国内导航产业超过3000亿人民币,北斗对产业的核心产值贡献率达80%,由卫星导航衍生带动形成的关联产值达1947亿元;随后2019年国内导航产业已经超3500亿人民币。2020年,我国的卫星导航产业预计会超过4000亿,并预计在未来几年内的年复合增长率超过20%。

03

北斗的声名早在全球的远播,服务全球不是空话

我国自2012年12月27日宣布北斗正式向亚太地区提供服务后,泰国是首个应用北斗的国家,而当时在泰国建设的北斗示范站可以连续观测和接受14颗北斗卫星信号,而同一区域的GPS信号仅为5~6颗,因而北斗精度在亚太地区普遍高于GPS。以泰国为示范样板,北斗系统逐渐被东盟10国以及更多亚非国家采纳。

北斗采用“第三世界包围第一世界”的策略,比如巴基斯坦北斗卫星被用于军事系统,突尼斯则用于无人驾驶,包括中东在内已有超过30个国家实际使用北斗系统,而“一带一路”倡议国家则为北斗的重点对象,而北斗在这些国家的卫星定位标准,中国将在推行新技术和新产品方面占据优势。

作为“基建狂魔”的中国在海外承担机场、港口、铁路、公路等相关的基建任务时,使用的多是北斗设备,北斗的应用和服务被广泛推广,中国北斗/GNSS导航型芯片、模块和高精度板卡和天线已输出到100多个国家和地区。

随着“一带一路”倡议的推进,目前全球已有130多个国家首都上空每天可以观测到的北斗卫星数量已经超过其他导航系统;并在东盟、南亚、东欧、西亚、非洲等应用,全球已有120余个国家和地区基于北斗系统等活动。

北斗做到了不仅属于中国人,还属于全世界。


【结语】

 

北斗卫星导航系统是我国追赶关键领域的技术的典范,也将催生出越来越多的应用新模式,尤其是在智慧交通、智慧城市、智能可穿戴成以及汽车前装、智能手机定位服务、高精度专业化应用、室内外定位联合应用服务和国际市场开拓等多个迅速应用。

除了地球上的应用外,北斗系统也将是人类迈向太空的“新大航海时代”的向导。实际上,作为NASA投资的SpaceX公司的“星链计划”,实际上是美国对轨道和频段的“跑马圈地”,我国也有虹云工程搭建类似“太空WIFI”计划发射156颗卫星,计划于2022年完成组网。而卫星网络与5G组合实际上就是“6G”技术,在5G的基础上集成卫星网络来实现全球覆盖,为全球用户提供更加快速、精准的定位导航标识、多媒体与互联网等综合服务,有望在2025年初步进入商用。

“北斗系统”的胜利是集中力量办大事举国体制的胜利,而“北斗+”需要军用转民用,需要更多民营公司参与以及配合航空航天产业链的产业化转化,既让技术让人类造福,也能形成生生不息创新产业体系,北斗系统组网成功代表了新的起点。(备注:本文基于公开资料撰写)


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