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中国力求提高北斗卫星定位导航系统能力
来源:(美)凯文-布尔皮特 聂春明 编译

  中国开展卫星导航与定位研究最早始于上世纪60年代,随后由于受到文化大革命的干扰,研究一度中断直到70年代末才恢复。

  1983年,一个名为“双星快速定位系统”的卫星导航与定位方案被提出。随后,陈芳允院士(863计划的倡导者之一)正式提出了研制双星“快速导航系统”(RDSS),1994年国家正式批准了该项目上马,并正式命名为“北斗卫星定位导航系统”。2000年发射了第一颗导航试验卫星,2003年又发射了两颗导航试验卫星,至此第一代卫星定位导航试验系统在地球同步轨道组网成功。

技术特点

  与GPS不同,“北斗”系统使用的是与GEOSTAR(即1982年7月由美国三位科学家提出并于12月定名的Geostar系统,这是一种由两颗卫星构成的主动式卫星定位系统,最后由于GPS的迅速发展导致该研究在1991年9月面临撤资流产的命运)的定位系统类似的技术。“北斗”实际上是一个区域性卫星导航定位系统,由3颗(两颗工作卫星、一颗备用卫星)北斗定位卫星、1个地面控制中心为主的地面部份、北斗用户终端三部分组成。而GPS则是一个由24颗卫星组网,覆盖全球且不需要地面基站辅助的全球导航定位系统。两者最大的不同是在定位精度和通讯方面。GPS的定位精度可以控制在几米之内,“北斗”系统的定位精度在经过校准的情况下能达到20米左右,如果不校准则精度只有100米左右。

  此外,和GPS不同的是,“北斗”系统还可以提供双向通讯功能,用户与用户、用户与中心控制系统间均可实现双向简短数字报文通信。通过“北斗”系统,用户一次最多可以传输120个字符。“北斗”系统主要用于运输业。例如,通过使用该系统运输公司就可以获知本公司的所有车辆在国内的具体位置,以及过去一段时间以来它们的行驶轨迹。该系统还可以监视车辆状态和用于车辆防盗。该系统还提供一种功能,向用户通报正在发生的事故和犯罪状况。在“北斗”系统信号较弱的地区,用户可以辅助使用GPS信号。

应用领域

  中国发展“北斗”系统有军民两种用途。与美国相类似,该系统的核心是用于军事目的,但是也可以为民用和商业领域提供多种服务。中国的主要考虑是,一旦爆发冲突,美国很可能关闭GPS系统或者加大民用码的误差。因此,中国认为保护国家利益需要发展不受制于外国的独立的卫星导航与定位系统。中国希望“北斗”系统无论在技术还是应用上,最终都能与GPS相抗衡。

  卫星定位导航功能在军用和民用上都具有重要用途。美国利用GPS的导航与定位功能所具备的精确制导能力被证明是打赢“信息化战争”必不可少的条件。在有可能与台湾发生的冲突中,精确制导能力更为重要,中国希望通过此种能力减少附带损伤。解放军还可以通过“北斗”系统的双向通信功能随时与己方部队联络并监控他们所处的位置。卫星导航与定位技术还可以运用到解放军的对潜通讯上,潜艇可不再需要上浮即可接收卫星信号。解放军海军的下一代弹道导弹潜艇可通过使用“北斗”系统获得更准确的目标定位信息,增强潜射导弹的精确制导能力。事实上,世界上第一代导航与定位系统——美国海军的“子午仪”系统,其最初的设计目的就是为了增强弹道导弹核潜艇的精确制导能力。中国的研究人员也在进行类似的研究。

  GPS不断扩大的市场占有率也刺激了中国在商业领域使用“北斗”系统的兴趣。根据评估,到2008年整个GPS的市场前景将达到220亿美元。除了运输业和个人移动通讯领域的运用,一些大型企业还需要GPS为它们提供精确的授时服务。

未来系统

  为了符合商业应用的要求,“北斗”系统还需要做一些改进。该系统由于在定位和授时精度方面的欠缺使得它并不能真正满足精确打击制导与导航的技术要求。

  中国的研究人员已经意识到“北斗”系统也许不能完全满足未来卫星导航定位的需要,但是他们认为该系统耗资小,而且能够满足一些特定的使用需求。已经有中国学者提出,面对21世纪出现的新挑战,中国有必要研发性能更高的导航定位系统,该系统应该既能满足军事需求,又能为民用保留足够的技术空间。

  为实现上述目标,中国航天科技集团的杨家墀、王礼恒等六位知名院士向国家领导人呈递了《关于促进北斗导航系统应用的建议》。他们认为,卫星导航与定位系统需要政府的全力支持,没有哪家企业凭借个人之力就能够满足整个系统的投资需求。这份报告在2005年9月引起了国务院的注意,国家发改委和国防科工委随后发布了《关于加速推进北斗导航系统应用有关工作的通知》,指出将要把“北斗”系统作为国家基础建设计划的一部分并提供充足的资金。在文件中还提到,为了推广“北斗”系统的应用范围,政府将开始进行“北斗”系统的示范应用工程、推动地面终端的商业化、建立一套针对普通用户的长期稳定机制、确立“北斗”系统的授时信号标准、制定子系统发展的总体规划和实现接收终端生产的国产化。

  不过,对于“北斗”卫星导航系统的构成,目前尚无统一的说法。一种说法是由于最初发射的三颗卫星接近服务年限,中国新近发射卫星所构成的现有五星定位系统乃是为了确保奥运会的顺利举行。中国的媒体则报道,第二代“北斗”卫星导航系统将由4颗地球同步卫星、12颗中地球轨道卫星和9颗高地球轨道卫星构成,并将在2010年达到全球覆盖能力。而最近又有报道指出“北斗”卫星导航系统将由5颗 地球同步卫星和30 颗中地球轨道卫星构成,不过没有给出实现该目标的时间表 (新华网, 2006年11月13日)。而SatNews Daily在4月16日却指出,中国已向国际电信联盟申请了用于“北斗”系统的36个卫星轨位。暂且不管卫星的具体数字,第二代“北斗”卫星导航系统能达到的最高精度只有10米,依然远低于GPS系统的精度。

  关于该系统提供的服务方面,各大媒体也是众说纷纭,莫衷一是。根据多家媒体报道,中国将免费提供“北斗”导航和定位服务。不过,2006年11月13日新华网的一篇文章则称,中国将提供“开放”和“授权”两类定位、测速和授时服务。第二代“北斗”系统与第一代系统的最大差别在于它与GPS系统的相似性。中国计划在第二代系统中取消可能成为美国军事打击目标的地面控制中心,通过卫星+客户终端的运行方式,使其在功能上更像GPS系统。最终,中国希望“北斗”系统能实现与GPS接近的精度。

  中国方面认为,“北斗”系统有自己独特的优势。其中包括具有在用户中心和移动终端之间进行通讯的能力和系统的国产化。“北斗”系统的支持者还指出,美国军方可能会关闭其GPS服务或是提供降低了精度的信号,所以中国用户必须选用更加可靠的导航定位服务。

市场潜力

  尽管“北斗”系统具有上述优势,“北斗”系统的用户依然远少于GPS系统的用户。中国导航与定位服务市场在今年来发展迅猛。据估算,导航定位服务产值在2002年为39.5亿元人民币(5.14亿美元),2003年迅速升至70亿元人民币(9亿美元)。这个数字还有望继续增加。例如,在中国只有不到2%的汽车装备了卫星导航与定位服务系统,这表明导航定位服务还有广阔的市场空间有待挖掘。对于“北斗”系统,中国市场分析家寄予了厚望,他们估计到2008年“北斗”系统将会有30万用户和35亿元人民币的产值,同时将占据中国导航定位服务20%的市场份额。

  不过,“北斗”系统服务提供商是否能实现这个设想还具有很多不确定性因素。在中国,GPS接收机的价格大概在3000-6000元人民币之间,而“北斗”接收机的售价则高达20000-30000元人民币。之所以会有这样巨大的价格差,有两个原因,一是“北斗”系统的市场份额小,二是接收机必须提供地点数据和双向通讯功能。考虑到Geostar系统的夭折,使用GPS和蜂窝技术的服务能提供许多类似“北斗”的服务,基于“北斗”卫星系统的双向通讯服务是否能够实现还具有很多不确定性。

技术差距

  要实现卫星导航定位系统的国产化,中国还有大量必需的技术有待掌握,在芯片和电路板等基础部件上,中国还需要加大研发力度。中国政府也认识到自主开发上述技术的困难性,表现之一即是中国从欧洲引进了价值2亿欧元(2.8亿美元)的“伽利略”卫星导航定位系统。2006年2月,中国宇航学会卫星应用工作委员会主持召开了“中国北斗导航系统应用论坛”,建议政府投资开发新一代的导航定位卫星,用“中国创新”取代“中国制造”,用国产部件取代外国部件。不过,要将上述目标变为现实,中国还有漫长的路要走。导航定位卫星的一个关键技术是“授时技术”。例如,GPS采用的是高精度原子钟来进行授时计算。中国缺乏能够抵御空间恶劣环境的高精度原子钟技术。中国从瑞士的Temex公司购进了铷原子钟作为替代。不过,这些铷原子钟的授时精度还不到“伽利略”卫星系统的三分之一。2006年6月19日美国《航天新闻》报道,中国自2000年就开始致力于原子钟技术的研究,目前尚未取得重大进展,不过有望在三到四年之内缩小与国外的技术差距。

  中国开发的“北斗”导航定位卫星系统在未来可能会对GPS系统形成竞争。不过,至于何时会出现这种局面尚属未知。由于中国目前还不具备开发10米精度的第二代“北斗”卫星的能力,要在性能上达到GPS的精度,可能还需时日。

 
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