杨元喜院士:北斗系统的创新一定要强调应用!

2018-10-12 08:58:44来源:南方测绘

       在中国测绘学会2018年会暨第八届测绘地理信息装备博览会期间,由中国测绘学会主办,南方测绘集团承办的高端技术论坛《测绘新业态与新模式》召开。北斗导航系统副总设计师、中科院院士杨元喜带来精彩报告《北斗卫星导航系统新设计与可能的产业发展》,全面介绍了北斗全球卫星导航系统(BDS-3)建设需求和发展进度,分析了它的特色设计与可能的产业。以下为演讲实录,未与演讲者本人核实。

 
杨元喜院士在论坛现场作报告
 
       国家重要基础设施,不要指望依赖西方已经成熟的各种PNT供应体系
 
       北斗系统是国家PNT的核心基础设施,是国家其他重要基础设施(比如高铁、金融、民航等)的基础设施。所有这些基础设施都依赖于导航定位系统PNT。
 
       国家重要基础设施,不要指望依赖西方已经成熟的各种PNT供应体系。依赖就必须顺从,依赖就必须受控制,依赖就必须交学费,依赖就必须看脸色,甚至一个西方国际大公司派一个人坐这监督,说不给芯片就不给,试图依赖是很危险的。
 
       标新立异必须围绕着应用,围绕用户,围绕产业,否则北斗系统就不可能有市场地位
 
       自主建设的北斗卫星导航系统,不应该照搬西方的GPS系统,也不太可能去这样做。后发的北斗系统能用的资源不多,GPS导航的关键频率黄金频率发出来差不多,频率资源极其有限。再有,卫星导航的重要科技检测是受控的,这就要求我们不得不去创新,我们需要创新。同样,后发的北斗系统也必须有自己特色的功能和设计。如果系统没有特色的功能,很难有很好地利用。所以我说的特色,要立异,同样要标新,标新立异必须围绕着应用,围绕用户,围绕产业,否则北斗系统就不可能有市场地位。
 
       2018年,是中国北斗定位导航系统的关键一年,如果能完成今年的任务,后面的任务就不会太困难,系统要满足“一带一路”的基本应用。有了北斗BDS-1和BDS-2的基础,对于我们来说,整个BD—3相对容易,但是也有很大的困难,我们要有新的设计。2015年,北斗全球卫星导航系统试验系统,为了让BDS-3建设得更完美,性能更可靠,发射了实验卫星,3颗MEO。试验了四个频率,包括B、B2、B3和Bs频率,增加了Ka星间链路,为了实现自主导航。如果不能实现自主导航,至少增强我们全球的定位能力。搭载了新的星载氢钟,现在是新一代的高性能运控,这次在BDS-3当中,各类设计做了各种测试。
 
       在BDS-3试验当中,试验了4个频段,和BDS-2相比,BDS-2  B1、B3和B2,BDS-3  B2b 、B2a+b  和B2a。再看看这个频率和GPS、Galileo,以及QZQQ和INSS有多少信号是重叠。重叠有害处,有可能互相干扰。但是也有好处,可以互用,还有一个好处,重叠信号增多,B2频率肯定要赶上Galileo E5的频率,这就是重叠的问题。
 
       BDS-3试验性能有比较大的改进,星载铷原子钟天稳定度为E-14量级,现在高一个量级,BDS-2大概是E-13。星间和星地,以及站间时间同步能达到0.14ns。卫星钟2个小时预报精度约为0.4ns,比BDS-2要好很多。授时精度为10ns。星间/星地链路观测数据组合定轨,在精度方面,能提高63.1%,轨道预报精度是75%左右,这个是有星间链路的支撑。
 
       星间、星地联合预报精度,IGSO由0.4ns通过测试,达到0.3ns的记录,原轨道卫星,从0.1ns,提高到0.5个ns,大概提高了54%。我说一个状态的比较,BDS-3和BDS-2做一个全面的多路径、卫星的伪距径误对比我们会发现,在相同的频段,BDS-3的B1I和B3I,这是我们的一个设施,没有显著的与高度角相关的误差,把BDS-2的B1l和B3l作比较我们会发现,BDS-3所有的信号随着卫星高度角的变化,没有显著的变化,而BDS-2有显著的变化。更重要的是,多路径误差在BDS-2中是明显的,在BDS-3基本上没有多路径误效应。B2a+b目前的性能,比目前的B1C要好很多。
 
       总有那么一天,我们中国的北斗卫星导航系统在全球应用中不会发现明显的轨道系统误差
 
       北斗卫星导航系统,在基本设计方面,未来有30颗卫星,3个GEO,3个IGSO和24个MEO。目前在轨的卫星有14颗,2018年将有18颗MEO卫星。增加新载荷,搜救SAR载荷,增加了空间环境探测装置,有干扰定位检测,有电离层成像设备,相控阵Ka星间链路,同样还有激光星间链路。
 
       欧盟、美国人甚至是俄罗斯人都在说,你们北斗卫星导航系统和我们系统有差异,我反复跟他们强调,北斗卫星导航系统和你们一点差都没有。这个差是轨道跟踪系统误差造成的,我们实际是溯源UTC,目前是BDT理论上进行溯源,和国际UTC溯源,时间差是经过测量的,赤道上最大的误差是1毫米,一般测量工作者基本不需要注意,搞轨道研究的科研工作者稍微注意。
 
       BDS-3的基本任务,这两个进行区分,前面颜色是BDS-3有的后面的红色的,是BDS-3的新设计。
 

 
       关于RSMCS的定律,PNT和国际上是一致的,我们有星基增强,BDSBAS,国际上没有,国际上增强是独立的,我们的增强是嵌入北斗系统的。但是BDS-3即使同样这样做,它的设计规格是不一样的,BDS-3的设计和国际民航组织标准不一致。原来很强势,中国就这么做,他们在讲,我觉得脸红,不是因为国大人多就厉害,没用,国际民航说,你能把国际民航的系统给换了吗?你们中国缺钱吗?我们制定一个标准,按照你们北斗系统标准我要花十年时间制定一个准,中国不需要,中国可能两三个人花半年时间就制作出来了,西方严厉,他说这个钱是你们出吗?所以说,别指望整个都按照中国的标准。区域短报文系统,BDS-2有,BDS-3也有,但是功能有了极大的拓展。我们有全球短报文,这个是BDS-3特有的,北斗的精密单点定位PPP。另外国际节圆SAR,加了关键探测,这个是性能检测。
 
 
       BDS-3基本服务
 
       信号方面,B1I、B3I、B1C、B2a、B2b都是可以服务和定位的;星基增强是B1C、B2a暂定的,3个GEO提供服务;区域短报文目前是RSMCS,是L频率和S频率,一个上传一个下传,3个GEO;全球短报文,是L上传,B2b下传;国际搜救大概406MHz和1544.21MHz,6个MEO来完成这个任务;精密单点定位是B2b通路卫星,3个GEO,这个是BDS-3的基本服务。
 
       我们最简星座是有星间链路支撑的简星座轨道系统精度,径向轨道是0.1到0.3米,切向0.5到1米,法向0.4到1.5米。但是,用户不会有获得感,我特别强调,用户没有获得感。BDS-3最简系统广播钟差大概是1-2ns,1ns大概是0.3米,1-2ns大概是到0.6米左右,这个记录是可喜的。个别时段个别卫星的星钟存在较大扰动。
 
       我们的空间信号精度目前在境内是0.3到0.65米,表面上与GPS相当,一不留神,你们干到20年,我们干到几天就跟它水平差不多。可以这么说,但是没有这个底气,为什么?要让全球用户有获得感,说SISRE和我们差不多,那才是厉害,现在我们是自己这么说。在中国境内,我们可以这么说,因为在中国境内有这个精度。SISRE表面上与GPS相当,但GPS是求平均精度,达到了0.5米,我们是中国的精度,0.3到0.5米。
 
       如果用iGMAS监测,我们径向精度是0.4米,钟差约0.7米;再看SISRE记录约1米。DBS-3卫星服务性能,用3颗GEO和IGSO卫星,最佳观测几何位置在经度70°到150°,纬度-75°-75°之间,可以看到11-13颗卫星。BDS-3的PDOP是1.3-2.7,HDOP是0.7-1.5,VDOP是1.1-2.4。大家想想,如果你的用户PDOP是1.1米,HDOP达到1.5米,那么VDOP就可以达到2.4米,但是目前达不到,所以说用户的体验感并不太好。
 
       自主定轨反应空间坐标基准和时间基准,同样反应视角误差。那么又可以定位在覆盖范围内的定位反演的坐标系统。中国的北斗目前仅限本土范围,在全球我们不能承诺有很好的跟踪精度。
 
       我们地面运控系统本身是脆弱的,一旦失去地面跟踪和星历注入,精密度将会下降。所以说BDS-3设计了星间链路,包括Ka和链路,一方面提高空间基准和时间基准,同样,也可以为自主定轨打下坚实的基础。
 
       在定轨方面,我们也制作了一个方法,星间链路定轨类似于无已知点的导线网平差,顾及轨道先验模型是传递基准的合理选择之一。考虑轨道先验参数向量,则具有先验信息的轨道改正。可以看到,用72个小时ISL的数据和iGMAS数据做的试验,把全球定轨的轨道定在10M,现在做的是10M,现在的精度,链度I1S-M1S、I1S-M2S、I2S-M1S和M1S-M2S做一个跟踪,轨道测定是四个卫星,I1S、I2S、M1S和M2S。结果是这样,在下边的表格里,用4个链路,轨道精度好于2M,而且轨道的径向精度好于0.6M,切向好于1.2M,法向精度好于2.1M。
 
 
       由轨道残差计算的四条链路的误差小于0.005M,残差中有显著的系统误差的。而且先验轨道是可以控制的,我准备在下一次给大家汇报这个工作。目前先验轨道方面,很多工作还在完善。
 
       我们有一个基本的认识,异轨道星间链路好于同轨道面的,但是同轨道始终是跟踪,始终跟踪可以减少卫星检测,现在还没有研究,定轨结构是这样,重复弧段轨道位置差计算的RMS,RS是1亩,GS是0.5米,RS+1SL是0.5米,什么概念?就是用中国的局部跟踪+星间链路就可以实现可全球跟踪,所以说,总有那么一天,我们中国的北斗卫星导航系统在全球不会发现明显的轨道系统误差。同样BDS-3卫星轨道预报24小时后的精度,也有很好的结果,RS在2米,轨道也是2米,想达到全球化不可能。RS+1SL是0.73米,全球,那么预报24小时内达到0.73米,能提高64%。
 
       没有创新的设计就没有特色的北斗系统,没有创新的载荷就没有自主可控的北斗系统,同样没有特色的北斗系统就不会有北斗的特色应用,也不会有北斗的市场
 
       BDS-3目前的信号设计,B2a+b,B2a和B2b,写了两种设计,如果两个分开用,就是QPSK,如果把B2a+b会好一点,这个是信号调节的模式,这个是目前各个信号所调节的模式情况。信号调制模式具有自主知识产权。
 
 
       北斗3运控系统有比较多的变化,尤其是我们实现了云平台,前几年云平台不是现在的云平台,我们的运控系统有不少的新设计。 报文通信设计,这个是中国特有的设计,北斗区域总报文、全球总报文。相对BDS-2,BDS-3的区域总报文容量提高10倍,用户的发射功率降低至1/10,支持手机应用。全球短报文是由14颗MEO提供服务。
 
       北斗的短报文可能会有广泛的应用,短报文可以支持民营系统的服务,包括导航,气象探测、汽车租赁以及参与其他全球无人机等设备的能力。
 
       这是一个简单的数据,发生危险发到北斗卫星上,北斗到地面站,再到海面救援中心,那么救援中心会发现离你最近的哪些船只就可以定位,直接搜救。满足国际的基本标准,所有功能我们都具备,我们有4个云轨道卫星,4个轨道面自动收集BDS  SAR服务。但是我们有反向链路,反向链路是干什么?可以给我们的搜救还有用户提供极大的帮助,不需要那么紧张,不需要不停的发信号,不知道北斗收到了没有,等你把信号发完了都没电了,救援队到了,却找不到你在哪,没电了。现在发一次,只要我们收到就告诉你我们收到,多久时间救援可以到,这样对于被搜救者来说,情绪会稳定。
 
 
精准高效搜救
 
       同样,星间的Ka链路和激光链路,增大了数据传输功能,也增加了搜救的效率,一星通,星星通。
 
       BDS-3的PPP服务,区域报文可以通过同步卫星把正常的信息,通过总报文发布给用户。例如中国境内的监测站生成高精度轨道和卫星钟差产品,服务于中国及周边。
 
       BDS-3星基增强,增强B1C和B2a,未来会增强四个系统。同样,我们有星间链路与自主导航,有Ka有激光链路,将来有可能做的是径外精度保持,时间的同步,自主的导航,以及可确保地面连通性,为我们搜救,全球搜救,全球总报文都提供极大的支撑。
 
       新业态方面已经讲好了,精确管理,小蓝车目前使用PNT,摩拜也应用了北斗的系统,精确农业、房地产的管理、高压电站的维护以及故障的监测,都可以用到北斗的短报文自动检测功能。
 
 
       BDS-3是在BDS-1、BDS-2基础上发展起来的,发展是迅速的。北斗三号性能明显优于北斗二号系统,多径效应有明显减弱,星间支撑未来的全功能的发展,所以产业界可以围绕这些功能去挖掘应用。
 
       北斗卫星导航系统作为国家PNT基础设施,已经在国防、交通发挥很好的作用,BDS-3的新的设计,具有广阔的应用需求,同样也有广阔的研究空间。没有创新的设计就没有特色的北斗系统,没有创新的载荷就没有自主可控的北斗系统,同样没有特色的北斗系统就不会有北斗的特色应用,也不会有北斗的市场。所以所有的特色设计一定要方便应用,不要太任性,为了要和别人不一样而和别人不一样,这是荒唐的。给大家举一个很荒唐的例子,你喝水你能说大家都这么说,我在底部打一个洞喝,当然是创新,这种创新只是立异,不叫创新,没用;所以我们认为,创新一定要强调应用。
 
 
       北斗的创新设计已经发挥了重要作用,提升了北斗的国际地位。但是很多创新设计和新的载荷还没有发挥出应有的作用,比如说我们的卫星环境探测载荷目前还没有看到相应的成果;卫星的星间链路,以及新的运控体系还没有搞出效应,北斗系统的创新还必须配合应用创新,所以北斗应用不仅需要芯片。我们国家有太多的芯片公司,不知道将来市场是怎么样,往哪卖?卖给谁?而且芯片利润是很低的。北斗不仅要板卡,不仅要终端,更需要有创新的应用思维,所以从事北斗应用开发的公司以及各位同事,如何保持我们的公司可持续发展,不仅靠政府支柱,不仅去搞房地产。保持可持续,是需要我们动脑筋的!

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