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解放军信息工程大学测绘学院教授许其凤详解北斗
来源:大地网——行中国看天下  作者:责编秦铭 【 】  2012-08-29

  这是迄今为止最权威最技术的一篇北斗技术访谈。许教授的每一句话都有巨大的信息量,也不用隐瞒啥,把北斗为什么要同步轨道卫星和倾斜同步轨道卫星、我国原子钟受制于人、我们的广域差分等问题讲得非常清楚。
    以下为全文。
  在座的专业可能差距比较大,我简单把卫星导航系统说一遍,卫星导航系统是由一定数量分布的卫星,包括卫星的高度、卫星的倾角、卫星的轨道组成的空间部分,这个叫做卫星星座,比如GPS是由24颗组成的,叫做中轨卫星MEO。还有一部分是地面监测站不断观测所有的卫星,对所有卫星计算轨道,计算钟差。
  通过注入站将轨道、钟差参数注入到卫星,用户接收机利用卫星发播的测距信号测距,依靠卫星的位置,用测量的距离解算自身的位置。如果简单点就是这三点。
  避短扬长的北斗星座设计,一般都是扬长避短,为什么是避短扬长呢?这个是故意的,合适不合适大家来判断。首先说发展的瓶颈,我这里侧重讲不利条件,这个也是和大家习惯不是很一致,首先强调我们有多少有利条件,然后再想有什么不利条件。作为我的观点来讲,不利条件更重要。
  因为你漏掉一个有利的条件,后果很可能是没能锦上添花的。如果你漏掉一一个不利的条件,后果可能是颠覆性的。作为发展卫星导航,因为我们是后发展的,在我们前面有GPS,我们完全可以发展GPS发展我们国家自己的系统,我们也学习,但是不能完全照搬。全面照搬是最简单的问题,也是最省事的问题。但是我们学习GPS还是遇到一些问题,这个是很难在全球布设监测站,我们说高精度定轨需要卫星全弧段的监测。比如我就测一小段,这个圆画不准的。
    有一个实际的数据,卫星位置的误差,左边是有监测数据的,右边是没有监测数据,完全靠外推的,我观测一小段推一段,这个位置误差会很大,一旦没有监测数据,误差会急剧增加。
  对于绕地球的GPS卫星是中轨道卫星,东西旋转。对于这样监测站要全球分布,这一点美国可以做,我们做起来有困难。我们很难做到全球分布。
 
  第二个问题就是星载原子钟相对滞后,依靠卫星的位置,通过测距来解算定位,测距怎么测?就是依靠信号传播的距离,距离=传播时间 光速,如果数字错一点,那个误差就大多了。所以对于星上的钟,所有的信号都是根据钟来发播的,那就要求很稳定的度星载原子钟,那就是10的13次方,大约就是百万年差一秒。
  我们国家星载原子钟发展相对滞后,我们也都从美国、欧洲进口很高精度的原子钟,他们知道我们要搞卫星导航系统,结果就禁运了,一台也不卖给我们。像这样的两个问题,我说可以算是两个瓶颈问题,这样的问题很难在短时间解决。全球布站,我们很难短时间内发展,这个确实有一定困难。
  我们是想试图从星座设计来寻求绕过瓶颈的办法,当然试图的途径很多,都曾经进行过探视,但是这条路我们走通了。
  提到星座设计我们首先有三种卫星轨道,这是全球的图。一种是中轨卫星轨道MEO,高度是两万千米,像GPS,计划钟伽利略都是这样的高度,绕着全球转。
    还有一种轨道是同步卫星轨道,这个是3万6千千米,就是要在赤道面上,同时要维持这个高度。同步卫星就是跟着地球一起转的高度,只有在这个高度才能跟地球自转一致起来,从地球上来看就是不动的。
  还有倾斜轨道的同步卫星IGSO,这个高度同GEO一样,只不过不在赤道上,GEO是在赤道上,倾斜的角度我们采用是55度,在地面上观察轨道是像“八字型的”的轨道,从地面上观察来讲是有不同的特点。MEO是从东到西绕着全球转,GEO卫星是始终不动的,在我们国家上空发一个GEO,我们随时随地都可以看到的。IGSO卫星是南北转,而且有一定的弧度范围.
  我们说如果选择MEO或者IGSO轨道,如果可能绕过前面讲的两个瓶颈。因为这两个卫星不是东西跑,是南北跑,这个总跑不出我们国家,会离开我们国家的境内,但是不远,我们可以看得见,就是可以监测的到。这样我们就增加了跟踪弧段,IGSO和GEO我可以跟踪,如果和GPS一样的MEO,我们观测的弧段那只占全弧段的40%,那个精度就差了。
  在国内设站的情况下,可以实现对GEO和IGSO的全弧度监测,这样就解决了我们没有办法在全球布站的问题,这样降低了星载原子钟的要求,要想取得准确的时间,我可以表好,比如说是欧米茄,我也可以天天和中央人民广播电视台对表,一个是表好,一个是勤对,如果不能勤对,那就是表好。但是如果GEO和IGSO我随时可以看得见,我随时都可以对表,因此在国内设站的条件下,可以实现勤对表。这样降低了对星载原子钟的技术要求,给我们国家发展高精度原子钟争取了时间,不是不发展,我们还是要发展。但是想立刻拿出来,这个拿不出来。这个不像包饺子,这个需要一个国家,有时候需要十年,甚至更长。国外比我们时间还要长,我们必须要一个发展的时间。
  我们既然避开了两个发展的瓶颈,我们还要充分发挥GEO和IGSO的利用率高的特点,我们不是搞全球系统,而是一个区域系统,我们一会可以看到这个区域系统究竟有多大。
  对于区域系统来讲,我们说这两种卫星的利用率是可以达到80%以上的,对于MEO我们国家的区域系统来讲40%,差了一倍。利用率高就意味着我们可以用比较少的卫星来达到同样的效能,这个是划算的,投入性能比也比较好。
  在具体设计当中,经过了很多的探测,五个GEO和五个IGSO也就是十个卫星取得了满意的效果,对于覆盖区域大体上也接近地球的三分之一。
  作为北斗二号,第一期就是区域系统,第二期就是全球系统。第一期星座就是5GEO+5IGSO。在赤道上分布了五个红点,就是地球同步卫星,同时在蓝色的地方是IGSO卫星,红色是不动,蓝色是沿着轨道运动。
  如果说按照测距误差是两米的话,我们可以达到,甚至更高一点,我们估计一下这个系统究竟怎么样?我们给了一个图,这里分成几种颜色,绿色、蓝色、红色,绿色里面是由数字组成的。如果是6,这个就表示24小时之内最大的标准差是6米。蓝色的6,这个就不是6米了,是定位精度16米,红色6是26米。我们最关心的是橙色的,为什么最关心这个呢?这里有很多的蓝色的符号,都是美军在我们国家周边的军事基地,美军军事基地放在这里我们不关心行吗?不关心我们很可能会得到和伊拉克、利比亚、科索沃一样的结局。所以把最关心的放在这里,我们基本上6米到7米的样子,我们精度GPS也是一样。
  刚才我们还讲了,采用这种卫星是利用率非常高,充分利用了利用率高的特点,其实这不是最早的方案,最早的方案是采用地球同步卫星和美国GPS一样大MEO卫星,这个方案已经上报给江泽民,而且得到了首肯。
  4GEO+12MEO效果是一样,我们最关心就是北半球,也就是说用16颗卫星还赶不上10颗卫星的性能好,就是我们重新发挥了IGSO和GEO利用率高的特点。总结起来就是前面的避短扬长,避开我们的瓶颈,扬长高利用率。
  区域系统有区域系统的优势,系统级的广域差分,这个是美国人为了降低民用精度搞的SA,这个就是人为加入轨道误差和钟差误差,就是从30米降低到100米,美国民用最开始测试是30米,结果达到的是20多米。但是美国军方认为这个不行,因为民用美国人可以用,那世界其他军方也可以用,那就是降低到100米,当时为了解决这个问题,其实也是美国先提出来的,就是差分。最后发现比较好就是广域差分,广域差分原理很简单,就是布测一些参考站,这些站我是精确知道的,我也是利用GPS定位,利用你不对我来反求出来卫星轨道偏了多少。为了做到这一点,需要建立差分参考站,像我们国家需要20来个。
  另外需要计算中心,还要通过注入站向地球同步卫星发射,把数据发射给卫星,地球同步卫星再告诉用户,这个同步卫星是GPS以外的。参考站观测卫星,通过注入同步卫星向用户发播修正参数,精度从100m提高至5m左右。
  广域差分有一个特点,就是区域的,不是全球的,我的用户在监测站范围之内用这个东西,另外是用户级的系统,GPS系统已经建成了,如果要增强,就是进差分站搞注入中心,再发同步卫星,但是发播的信号是一样的,所以不是原来的系统级,是一个用户级的系统。它的功能是可以提高轨道和钟差的精度。它只能提供参考站内的用户,站外就不灵。你是靠站来监测卫星,求出修正值,我们说MEO卫星是东西转的,如果转到东边,你东边用户可以看到这个卫星,但是你监测站测不到这颗卫星,因此就没有修正值,用起来就不太好用,用户跑到美国在我们这毫无办法。
  美国人像欧洲搞的系统都是这样,要建立广域差分系统,需要建立参考站、计算中心、注入站、同步卫星,我们计算中心有了、导航系统本身有计算中心,导航系统本身有注入站,导航系统本身就有五颗地球同步卫星,因此我们就建立一个系统级的广域差分的系统,就在建北斗系统的时候,就把广域差分系统融在里面。一般叫做二级监测站,指的就是这个。
  应该说这是我们建成的第一个系统级的广域差分系统,显然这个投资要少的多,性能也会好的多。同时不仅仅是对一个系统,只对北斗进行广域差分服务,因为同步卫星多,因此在信号编排格式的时候,既可以为北斗发播差分信息,也可以为GPS,同样也可以为伽利略发播差分信息,就是有可能能够为三个系统服务的广域差分系统。
  同时可以为北斗全覆盖区提供差分服务,就是我们覆盖区是比我们国土要大的多的区域,按照一般的广域差分你必须在国土内。不管用户在最东边还是在西边,你看到的卫星就是十颗IGSO和GEO,这十颗在国内监测站随时随地都可以监测,我可以为广大的区域提供广域差分服务,这个是以前的广域差分系统所没能做到的,当然只限北斗,对GPS不灵,对伽利略也不灵,也就是监测站的范围之内,对北斗可以更广泛一些。
  另外在建设阶段可以规避一些风险,最主要的技术风险就是轨道开始的时候可能测不准,我们的钟差也可能测不准,广域可以进行很好的修正,可以规避一时达不到设计指标所带来的影响,达到很好的结果。正像我们前面讲的,在GPS做广域差分的时候,我们可以从100 米提高到5米,我们开始做也不至于差到这个程度,从某种意义上讲,这个是很主要的规避风险的的措施。
  刚才说了优势的地方,也有不足的地方。一个是GEO卫星工作期间有断点,按照规定GEO需要轨道微调,因为天上只有一个赤道,高度是三万六千公尺,所有通讯卫星都挤在圆弧上,所以国际电联有规定,每个卫星有一个规定,你向左、右不能偏出一度,卫星一偏0.1 度,就马上调整回来。这是按照规定要做的,这个不是我们的事,我们只是遵守。但是有一段时间会影响到定轨精度,我们能够达到卫星导航的系统,需要两天到三天的观测数据,但是只要进行轨道微调,这个从现在开始就不是原来的轨道,而是新的轨道。对于新的轨道必须观测两天到三天的数据,你才能订出比较准确的有满足条件。那这三天你卫星怎么办?这卫星不能用了,这就是一个问题。
  对于这个问题,现在的办法就是快速定轨,就是精度差这么一点,但是我也能用,而且这个工作还再继续进行,我们争取更短的时间,使得工作的断点尽量缩短。我们通过系统级广域差分,新轨道广域差分不需要很长的时间,很短时间就可以测出来,甚至几秒钟就可以测出来,这时候一旦发生轨道微调,我就可以用这套系统及时发布修正值,这个需要更高的数据更新率,原来就不太适用,这个是可以解决的技术。
  第二位置报告或者短信通信含有小功率的发射,这个比北斗1号压缩更短了,而且资源有限。我们在北斗1号宣传的时候讲,通讯可以进行短报文,用户真的发展起来,你会发现不够用。那时候说是150万/小时次服务,但是我们时间每小时的数还除3600秒,就是每秒可以服务多少,这样的容量大家都用,都用就塞满了,就服务不了。北斗2号同步卫星5个,另外在报文上可以做点文章。
  还有一个问题,因为发射功率,就容易暴露。从军事来讲容易被对方侦查到,或者有被侦查到的可能。再有就是功耗体积都不容易下来,解决办法就是按需求分配。并不是所有的用户都需要报告,并不是所有的用户都需要短信,你不必都拿这种接受器,也不必都生产这种接受器,而且我也不是每秒都来发报,或者每分钟都报告,你汽车跑出去了,三五分钟报告一次足够了,有的甚至半小时都没有动。比如我指挥全球的系统,就没有必要几秒钟报告一次,这个也是按需求分配。另外合理的控制和利用资源,这个资源是有限的,就是怎么样合理的控制。
  比如普遍的短信不能发了,这个不是笑话,真有这种事。还有局部地区功率增强逊于GPS,我在天津地区的信号可以增强,GPS可以增强30分贝,我们只可以增强15分贝的样子,我们抗干扰能力不如GPS,这个等待二期工程的改进。
  还有就是一些技术细节和衔接的问题,作为一个复杂系统,需要发现和改进的磨合期,请大家耐心一点,不是系统发在天上就达到系统指标,对于复杂的系统不大容易做到这一点。我们的技术指标是按照美国GPS差不多的指标来定的,但是美国人从发射卫星开始,到达到所谓的技术指标,是发展二三十年,一开始就没有这个精度,也没有这个性能,所以对于各级领导和级别用户要有耐心。
  我们不是为了自主定轨,我们要解决的是不能全球布站的问题,我们把问题简化了,指标落地了。为什么不提自主定轨呢,现在很多人还在提我们是自主定轨,其实也不完全是,还是靠地面站。
  美国的出发点是什么,我一旦地面站遭到对方攻击,我可以自主定轨,不影响导航。首先中国把卫星打掉了,美国俄罗斯都打,至少这三个国家都具备摧毁卫星的能力,在这种情况下,如果把你卫星摧毁了,还搞什么自主定轨,所以情况变了,观点也要变,当然这是我个人的看法。
  十年来我们原子钟取得快速发展,届时渴望取得突破,预计2020年实现。
  最后一个问题是北斗与相关产业,标题列出来了,我发现我没有能力把问题讲下去,因为需要又懂得北斗系统,知道技术很清楚,又对产业很熟悉,又对用户很熟悉,这个是要挂两头的,上挂系统,下挂用户。
  有些想法提供给客户,与其他系统相比,北斗的区域在于优势,不是全局的优势,而是区域的优势。就像解放战争的时候,国军兵力200万,共军30万,就全局来讲国军是有优势,但是在局部来讲,共军聚集大量人群,这样可以取得局部优势。我们说北斗的优势,目前来看就是在这里,我并不是全面比GPS怎么样,而是我在关键区域和GPS相差不多,甚至还比他强。
  北斗比较安全,举一个例子,我们现在的通讯系统,不管GSM还是CDMA都需要时间同步和频率校准,都用的GPS,有一些在河南省某地区,两三天手机全不灵了,就是因为有一个研究所做了一个时间,把GPS干扰了,所以时间同步都不行了,因此系统就不干活了,事后发现是时间同步问题。如果美国人搞一点小猫腻的话,那就不是两三天问题,也不是局部地区的问题。
  另外我们具备开发双系统应用的有利条件,双系统就是我的模片既可以做GPS又可以做北斗,并不是做双系统。去年有一个学者说,做双系统是北斗“傍大款”这个问题不能这么说,双系统应用最早是美国人先搞的,那个是GPS和另一个系统双应用,双系统一方面是一个系统出问题,一个做补充,两个系统同时用会有提高,性能会提高很多。用户不关心精度是7.8米还是8.7米,还是很关心在北京用很好,但是在天津为什么不行。这种问题就可以大大缓解,我们做过实验,作为GPS高度角大于35度的卫星,需要四颗卫星才能定位,所以在城市经常出现这个问题,对于打仗复杂地形也容易出现。这个就不是三颗多,而是变成七颗,这个问题就可以大大缓解。
  主要看性能提高上,实际上GLONASS一开始是在1990年,20年前就已经有了双系统,所以说“傍大款”我是不同意的,不知道年轻同志对于Ashtech开发双系统怎么看,我估计那个时候他还太小。
  应用双系统比任何一个单系统更具有优势,不单纯的是补缺。国内有目前唯一的广域差分,当时国内广域差分没有健全,GLONASS根本没有,我们可以对GPS和伽利略都可以进行差分。对于产业来讲,我希望要充分利用系统的优势,来创造优势的产业,谢谢大家!

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