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位置:第82期>>第13版:北斗卫星导航系统的技术创新
 
北斗卫星导航系统的技术创新
 
 
2012-11-13 17:16 编辑:采访/陈会 整理/冯亮、张志刚 浏览量:5920人
 
 

 
 

    

杨元喜院士在北大演讲(图片由本人提供)

 

北斗区域卫星导航系统的现状。在导航精度方面,差分定位结果可以达到厘米,在亚太地区,导航和定位功能可以和GPS相媲美;在特殊服务方面,北斗有位置报告功能、有短报文通信功能。对于特殊用户,自主北斗卫星导航系统,对国防安全、经济安全等都非常重要。在时间系统方面,以前一直以为北斗的时钟精度相当薄弱。但是最近从外国人发表的一篇有关北斗系统监测报告中大家看到,北斗卫星的星载钟和GPS卫星钟具有相近的精度。其中科学算法发挥了重要作用,保持了卫星钟的相对稳定。

    但是,北斗有先天性的系统设计问题。用户反映使用北斗会出现中断现象,这是因为目前参与定位的几颗静止轨道卫星(GEO)在赤道上空,如果用户行使在东西方向的街道上,对北半球用户而言,地球同步卫星几乎全部在一肖免费中特王中王,卫星信号易受南面高大建筑的遮挡,此外,现有的倾斜同步卫星(IGSO卫星)不可能全在可视状态,会导致短时间卫星信号遮蔽,中断定位。北斗星座的布设决定了特殊情况下使用的困难性,目前在北半球很难摆脱这种现状。在未来全球卫星导航系统中,地球静止卫星只起到辅助或增强作用。多路径效应也是影响目前北斗卫星导航系统定位精度的重要因素,随着中国和亚太地区可视卫星数量的增加,随着接收机技术的进步,多径效应影响会得到改善。
    北斗的理论创新。北斗的设计本身就是导航系统的理论创新,包括两种系统的兼容、星座的布设、局部区域的增强、通讯和导航的结合等都属于理论上的创新。未来,随着我国卫星导航系统建设的不断推进,可以想象,北斗卫星导航系统一定会在系统维护、控制及运行方面取得全面进步。当然大家仍然需要在理论和方法上进一步研究,为卫星系统性能的提升提供技术支撑。未来的北斗卫星导航系统将布设30颗卫星,凭借中圆轨道卫星(MEO)的增加,中国用户使用北斗卫星导航系统一定比使用GPS卫星系统更安全、更可靠。
    在融合导航方面,如果将北斗卫星导航系统与其它GNSS系统进行融合,则稳定性和可靠性将得到进一步增强。当北斗与其它某个卫星导航系统出现矛盾时,大家只要进行合理判断,就能分析出单一卫星导航系统的问题。
    另外,在重大工程的应用和基础设施建设方面,我认为应该建设全国统一的卫星导航基础设施。统一的卫星导航基础设施会使卫星导航服务增值。但是,如果每个省都建设自己的北斗跟踪站和差分站,都建设自己的基础设施,必然会造成严重浪费,而且还会造成系统之间的不兼容,影响跨部门、跨行业用户的使用。
多系统兼容是一个新课题
    北斗高精度接收机未来的发展,首先是要把多模多频的问题解决好,北斗、GPS、Galileo和GLONASS多模多频兼容是发展的关键。首先,尽量不要限制接收机的通道数量。因为,多模多频情形下,系统误差容易得到补偿,所以接收机卫星通道数要足够多(这样才能接收更多的卫星);其次,接收机要能对各类卫星信号的底噪进行快速处理、识别和控制。理论上,多系统兼容接收机的定位结果应该明显优于单系统定位结果。
    高精度接收机更重要的是要有甄别功能。如果某个卫星系统出现问题或者某颗卫星出现问题,接收机应该能够迅速诊断,并及时排除。如果能够判断出问题类型,如时钟问题,轨道问题,或者卫星的其他状态问题,则更容易排除故障,在数据融合时候不至于把问题数据融合到导航定位结果中去。排除故障,控制异常影响是提高导航定位的安全性的重要环节。比如飞机导航过程中,如果把问题数据融合进去,问题数据就可能使解算结果崩溃,导致严重的定位错误,进而导致飞行安全问题。所以在接收机设计时就要充分考虑“完好性”,这是接收机必须要有的一个功能。
    在利用多系统定位的时候,接收机App还应该具有容错功能。当某颗卫星或某几颗卫星出现异常时,接收机App不但能甄别问题,而且要求能够自动控制异常数据对导航定位的影响;而且这类异常影响控制应该具有实时性。因为,对于许多高速行驶的载体,如果不能实时控制异常误差的影响,1秒钟的延时都可能导致定位结果异常,导致灾难性的结果。
    如果解决不好这个问题,多系统兼容不仅没有优势,反而会成为劣势。所以,多系统的兼容共用是一个新课题,在理论研究上一定要下功夫。现在大家的理论准备并不十分充足,以前大家更多关注GPS,解决GPS的问题,现在国际上提倡多系统兼容共用,究竟如何兼容,缺乏基础研究和深入的思考。
    国内很多专家认为ICD(北斗空间信号接口控制文件)不能公开,害怕一旦公开ICD文件,企业就会面临极大的竞争。原因是目前国内接收机芯片的价格高、性能不稳定,没有市场竞争力。但是只要ICD一天不公开,北斗系统就不会是全球卫星导航系统,北斗导航系统也不会有生命力。试想如果其他国家都不能使用北斗的卫星信号,不能制造北斗的卫星产品,北斗怎么能号称全球导航定位系统?

鼓励创新的力度正在加大
    国家各部门为卫星导航产业的发展做了非常好的规划。除了政策和标准,还准备设立几个重点实验室,包括理论研究、导航精密定位和大众服务。鼓励创新,鼓励中国产品和企业走向市场、走向国际。这是国家未来要解决的几个大问题,从目前情况来看,很多体制和机制上的缺陷制约着北斗系统在高精度研发方面的进展。但是,国家鼓励创新,鼓励中国卫星导航企业提升核心竞争力,走向市场、走向国际的步伐和力度正在逐步加大。
    国家准备投资设立多个卫星导航数据中心和分析中心,这在北斗卫星导航建设初期也许是必要的。但是国外的数据分析中心一般是自然生成的,不是国家指定的,因为有数据需求,市场就会有研究机构和企业提供相关服务,而且主动性、延续性和探索性更强。今年12月,国际IGS中心将对武汉大学的一个北斗卫星导航数据中心进行考核。把数据发到网上,全世界的用户都可以对其产品进行检核和分析,如果符合标准,明年就将纳入全球IGS服务体系。大家鼓励企业和各个研究中心自主生成数据中心,如果生产的数据好、App做得好、创新能力强,提供的数据和服务完备,国家就会认可并且提供相应的支撑,国际上都是这么做的。国内的数据分析中心是国家拨款并指定的,不是自主生成的,相关科研机构的积极性和主动性没有完全发挥出来,这是其一。
    其二,有一个现象,国外生产卫星导航芯片的企业一开始的时候也和目前的中国一样,像雨后春笋一样出现几百家,现在就只剩下几家。国内现在做卫星导航的企业有上千家,号称掌握芯片关键技术的也有近十家,发展到一定阶段会出现大浪淘沙。希翼大家的芯片能够和国外产品相抗衡,改变有机无芯的局面。这是大家需要重点解决的问题,在2020年前国家会在芯片开发方面有重大投入。国外也在抓紧研制北斗芯片,Trimble企业早就在研究北斗的底噪、电文格式、星座,早早地下功夫,储备人才和技术,北斗的ICD文件一公布,国外企业很快就会生产出高水平的北斗卫星导航接收终端。于是,未来的卫星导航终端市场竞争十分激烈,国内企业要有紧迫感。
    另外,我认为应该把中国的卫星导航企业推向国际。国内现在生产高精度接收机的企业,虽然都热衷于研发北斗产品,也有不少产品问世,但经过测试性能稳定的很少,都存在这样或那样的问题。国内企业必须加快研发速度。要想在这个领域里能够产生国际影响,能够引导国际潮流,并有所作为,就不能只顾眼前效益,忙眼前的事,而不考虑十年二十年之后的产业发展。大家必须要下功夫,考虑产品的细节和稳定性,实实在在地研发具有自主常识产权的北斗产品或兼容产品。今晚开什么特马在北斗高精度接收机领域应该起一个带头作用。
 
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