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北鬥二代導航系統已具備提高軍事用途生存能力
發布時間:2020/5/10 15:48:04     點擊: ( 262 )
 1、引言

北鬥衛星導航系統(簡稱:BDS是中國正在實施的自主發展、獨立運行的全球衛星導航系統。系統建設目標是:建成獨立自主、開放兼容、技術先進、穩定可靠的覆蓋全球的北鬥衛星導航系統,促進衛星導航產業鏈形成,形成完善的國家衛星導航應用產業支撐、推廣和保障體系,推動衛星導航在國民經濟社會各行業的廣泛應用[6]BDS建設總體的規劃中,2020年建成覆蓋全球的北鬥衛星導航系統。其系統由空間段、地面段和用戶段3個部分組成。目前北鬥二號在軌衛星包括5顆地球同步軌道衛星(geostationary Earth orbit, GEO)5個傾斜地球同步軌道(inclined geo synchronous orbits, IGSO)4MEO衛星, 而北鬥三號空間衛星結構設計由3GEO3 IGSO24MEO以及在軌備份衛星組成。地面段包括主控站、註入站和監測站等若幹個地面站, 用戶段包括北鬥用戶終端以及與其他衛星導航系統兼容的終端。2019129日,聯合國全球衛星導航系統國際委員會(ICG)第十四屆大會舉辦期間,中方在會上宣布,今年底北鬥三號將完成所有中圓地球軌道衛星發射任務,北鬥全球系統核心星座部署完成,明年北鬥全球系統將全面建成。

201912161522分,我國在西昌衛星發射中心用長征三號乙運載火箭(及配套遠征壹號上面級),以壹箭雙星方式成功發射第五十二、五十三顆北鬥導航衛星。至此,所有中圓地球軌道衛星全部發射完畢,標誌著北鬥三號全球系統核心星座部署完成,將進壹步提升系統服務性能和用戶體驗,為實現全球組網奠定堅實基礎。

2020391955分,中國在西昌衛星發射中心用長征三號乙運載火箭,成功發射北鬥系統第五十四顆導航衛星。衛星順利進入預定軌道,後續將進行變軌、在軌測試、試驗評估,適時入網提供服務。DBSGPS系統相比,中國北鬥二代有許多自己的特點,尤其是定位精度優於美國GPS,但在今後的建設上還需進壹步提高軍事用途生存能力。

衛星導航系統是壹種以衛星為導航臺的無線電導航系統,除了能夠提供眾人熟知的米級的高精度位置信息外,還能夠為用戶提供優於0.1米/秒的高精度速度信息和優於50納秒的高精度時間信息。普通用戶只需要壹次性付出幾百元人民幣購買壹臺衛星導航終端,就可以在任意時間、任意可接收衛星信號的地點免費獲得自身的位置、速度和時間等信息。

由於眾多突出優點,衛星導航已成為實現高精度、全天時、全天候、陸海空天壹體、導航定位授時的最佳手段,廣泛應用於經濟社會和國防安全的各個領域。

在經濟領域,衛星導航為通信、電力、金融等國家經濟基礎行業提供低成本、高精度的時間同步,為交通運輸、商業物流、建築工程、漁業生產、礦藏開發、資源普查、災害監測、公共安全、生命救助、個人移動電話定位、競技體育等各行各業提供高精度定位、測速服務。衛星導航已成為繼移動通信和互聯網之後信息產業第三個重要的經濟增長點。

在國防領域,衛星導航已成為建設信息化軍隊、打贏信息化戰爭的重要基礎和保證,在聯合作戰指揮、戰場態勢感知、軍事載體及人員引導與定位、精確打擊、情報偵察、戰場目標屬性識別等方面發揮著重要作用。衛星導航已成為軍事戰鬥力的有機組成部分和作戰效能倍增器。

2、今後20年衛星導航發展的趨勢

在目前GPS系統取得了廣泛而成功應用的基礎上,美國於1999年提出了GPS現代化計劃,對GPS進行全面改進。其改進的動力來源於導航戰能力嚴重不足、應用需求不斷提高和多個衛星導航系統之間的競爭加劇。其中提升導航戰能力是最主要和最根本的出發點。此後,意在全面恢復和提升GLONASSGLONASS優先發展計劃、建設中的Galileo等,均提出了與GPS現代化計劃相似的發展目標。上述改進或建設中的衛星導航系統代表了今後20年衛星導航發展的趨勢,它們的主要技術特點包括:

首先,系統性能進壹步提升。提升的主要目標包括提高定位授時精度、提升弱信號接收能力、增強完好性等。

其次,導航戰能力大幅度增強。1997年,美軍針對GPS在使用過程中會受敵方幹擾的情況,最早提出了導航戰概念,即“在復雜電子環境中,使己方部隊有效地利用衛星導航系統,同時阻止對方使用該系統”。美軍的這壹理論是在單壹的GPS導航系統背景下提出的,在多系統並存的背景下,導航戰的概念和理論體系也在不斷深化。

最後,在國家PNT體系結構的框架下發展衛星導航系統。為解決目前導航手段眾多但缺乏壹體化定位導航授時(PNT)體系結構指導的問題,美國國防部和運輸部於2006年聯合發起了壹項國家PNT體系結構研究。該項研究的目的是制定壹個全面的國家層面的PNT體系結構,到2025年前後為美國提供更加有效和高效的PNT能力,並為現存的各種導航系統和服務探索壹條漸進的發展道路。

這壹研究體現出,美國已開始從高於衛星導航系統的角度綜合考慮所有可能的PNT手段,並從整體優化的角度規劃美國的國家PNT體系結構。這是衛星導航發展到壹定階段的必然要求,將對衛星導航系統的發展產生積極的作用。

3、北鬥二號系統擁有自己的亮點

衛星導航系統作為國家安全與經濟社會的核心基礎設施,決不能依賴國外系統。我國衛星導航系統的建設分了三步走。第壹步,北鬥壹號系統,已於2003年建成並投入運營;第二步,北鬥二號區域系統,於2004年啟動,預計2012年建成;第三步,覆蓋全球、高精度的北鬥二號全球系統,預計2020年建成。

已建成的北鬥壹號系統由兩顆地球靜止衛星、地面控制系統和用戶終端等三部分組成,又稱為“雙星定位系統”。其用戶終端定位時需要發射定位申請信號,由位於北京的地面中心站解算出用戶位置,再通過衛星傳送給用戶。除了定位功能外,北鬥壹號還具有獨特的衛星短消息通信功能,兩個北鬥用戶哪怕相距遙遠高山阻隔,只要都能看見北鬥衛星,就能夠在1秒內實現短消息通信。

北鬥壹號系統的建立,打破了美國和俄羅斯在這壹領域的壟斷地位,使我國成為世界上第三個擁有自主衛星導航系統的國家。

北鬥壹號系統已連續穩定運行6年多,在部隊邊防巡邏、作戰指揮、訓練演習、後勤保障、搶險救災等軍事活動中發揮了重要作用,如在2008年汶川抗震救災中,北鬥壹號導航系統就發揮了獨特的優勢。此外,北鬥壹號系統在漁政漁業、水文監測、森林防火等方面也得到了成功應用。

受工作原理限制,北鬥壹號工作區域局限於我國及周邊地區,只能為中低動態用戶提供定位服務,不具備測速功能,不能滿足精確制導的需要。尚不能滿足我國國防建設和國民經濟建設長期發展的需求。

北鬥二號系統包括區域和全球兩個發展階段,全球系統相對區域系統除了覆蓋範圍擴大外,其定位精度、導航戰能力均有顯著提升。它們的定位原理和GPSGLONASSGalileo完全相同,用戶終端無須發射信號,僅需要同時接收四顆以上的衛星信號,即可解算出自身的位置。與此同時,北鬥二號還保留並加強了北鬥壹號的短報文通信功能,這也是北鬥二號不同於GPSGLONASSGalileo的壹大特色。北鬥二號建成之後將與GPSGLONASSGalileo系統並列成為四大全球衛星導航系統。

在應用方面,由於定位原理相同,精度相當,GPS目前所涉及的軍民各種應用領域,北鬥二號同樣可以勝任。此外,強化後的短消息通信功能將成為北鬥二號相對其他系統的壹大亮點。

4、北鬥系統發展面臨的挑戰

我國衛星導航系統的建設起步與美俄相比晚了約20年。經過十多年的努力,我國在技術上取得了長足的進步,系統建設和應用也取得了壹系列成果,具備了全球系統建設的能力,但我們更應清醒地認識到我們所存在的不足和面臨著的挑戰:

第壹,需大力強化北鬥二號的導航戰能力。北鬥二號加速組網,將全面解決我國在衛星導航定位領域的有無問題。但軍事導航系統的建設決不能滿足於僅僅解決有無,還必須具備強對抗環境下的生存能力。要在未來導航對抗條件下立於不敗之地,必須進壹步加快導航戰理論方法研究與工程實踐的步伐。

第二,要高度重視國家基礎產業的導航定位授時安全問題。我國的衛星導航應用近年來發展迅速,但是絕大多數應用都是建立在美國的GPS基礎之上。通信、電力、金融、交通等經濟基礎性行業廣泛依賴GPS進行授時,多個城市曾出現過GPS信號中斷後移動通信網絡癱瘓的嚴重事件。即使將來改用北鬥系統進行授時,也只是擺脫了對GPS的依賴性,並沒有從根本上解決易受電磁幹擾這壹衛星導航系統固有的脆弱性問題。因此,經濟基礎領域同樣需要采用抗幹擾設備或系統冗余備份等策略來提高其運行的安全穩定性。

第三,應加強自主創新,占領導航產業鏈上遊。目前,GPS已占領中國衛星導航民用市場99%的份額,伽利略系統也瞄準了中國巨大的市場,北鬥系統的應用面臨著在夾縫中求生存的狀況。北鬥二號民用信號是公開信號,北鬥二號導航終端的技術與GPS終端技術相似度很高,如果不能在導航終端和導航應用上掌握核心技術,我們仍然將處於導航終端產業鏈的下遊。

綜上所述,北鬥二號衛星導航系統的加速組網,仍然還是我國衛星導航事業的起步。推動我國北鬥衛星導航事業的快速發展,為我國國防安全與經濟社會發展發揮重要作用,任重而道遠。

                                                                                                    上辦辦公室 孫榮慶撰稿

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