北斗三号卫星本月首射,北斗系统为何如此重要?

月光下的温唇

北斗三号是继北斗一号、二号之后,我国北斗系统“三步走”发展战略的第三步,在技术更先进、建设规模更大、系统性更强的同时,还从区域走向了全球,预计到2020年左右,实现全球服务能力,让世界共享中国智慧,真正实现“中国的北斗、世界的北斗”。

再回到题主的问题,北斗系统为何如此重要?其实很多人都有类似的疑问,既然都有GPS,而且人们用的这么方便了,为什么中国还要建自己的北斗?

首先,北斗是我国一项重要的基础设施,对我国的国民生产、生活的各个领域都有着举足轻重的作用。其次,北斗卫星导航系统有着军民双重属性,对国家的信息安全、国防军事有着重大的影响。再者,北斗卫星导航系统带来的经济效应也很显著,围绕北斗系统的建设,可形成上下游可观的产业体系。第四,自主的卫星定位导航系统还是应对重大自然灾害的有力保障。

相反,如果没有自己的导航定位系统,势必就要依赖国外的,如此一来,安全性和可靠性都没有保障,相当于总有软肋捏在别人手里。过去我们依赖美国的GPS,尤其是电力、金融证券和移动通信等重要领域,从安全角度来看,拥有自主可控的系统不可谓不重要。

可喜的是,现如今,我们不仅有自己的卫星导航系统,而且中国北斗有很多自己的独特之处。如正在组网的北斗三号采用的星间链路技术、短报文功能等。不久的将来,随着北斗三号的全面组网,北斗系统将会服务全球,到那时,我们不仅可以从根本上摆脱受制于人的局面,而且我国的国际地位、综合实力也将随之提升。


留白说

从军事上说,没有自己的导航系统就是睁眼瞎。

在1996年台海危机时期,中国大陆为了表示决心,在东海海域展开了军演,军演过程当中发射了三枚导弹,但是这三枚导弹中,只有第一枚准确命中目标,而剩下的两枚则很快失去了信号,最终不知所踪。后来得知,是美国人对GPS信号做了手脚。

要知道,现代化战争实在太依赖卫星导航系统的导航作用了,没有了导航系统,就好像瞎子一样,根本就是寸步难行。所以把这么一个命脉交给美国的系统,不管怎么样都是非常愚蠢的行为。而就是这次危机之后,我国才下定决心,一定要做自己的导航系统。

↑卫星定位系统在现代战争十分重要↑

最近发生的美国对叙利亚的空袭事件中,来自千寻位置的一小则新闻让我们再次见识到了美国人对于GPS资源的把控是有多么可怕:

【通过国家北斗地基增强系统“全国一张网”连续监测发现,自北京时间4月13日晚上8时起,美国GPS系统部分卫星L2信号突然增强,信号强度为平时的两倍以上,这会导致使用L2频点的部分用户终端出现异常。】

可以说,美国又把当初对中国干过的事情重新做了一遍——通过释放干扰信号让叙利亚政府的GPS导航完全失灵,由此造成了大量武器的失效。现在回头看看,真的是一身的冷汗。

从民用上说,导航系统利润巨大。

除了我们熟知的导航和短报文功能外,北斗系统还可以在城市燃气、城镇供热、电力电网、供水排水、智慧交通、智慧养老等多种行业广泛运用,所以北斗的作用要比我们想象中的大得多。

下面这张图仅仅是国内卫星导航市场的规模,可以看到,在2016年,其规模就已经达到了2000亿元,更加不用说全球市场。所以这么大一块蛋糕,不知道可以养活多少相关从业人员、创造多少税收,从这个角度上看,也一定不能够把这块肥肉白白送给美国。

↑国内卫星导航市场规模↑

同时也应该注意到,有了导航系统,对于整个社会效率的提升都是巨大的,由此带来的经济利益更加是不可估量。

所以发展北斗卫星导航系统,实在是功在当代、利在千秋的伟大事业!


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北斗卫星导航系统是中国着眼于国家安全和经济社会发展需要,自主建设、独立运行的卫星导航系统,是

为全球用户提供全天候、全天时、高精度的定位、导航和授时服务的国家重要空间基础设施。

20世纪后期,中国开始探索适合国情的卫星导航系统发展道路,逐步形成了三步走发展战略:

2000年年底,建成北斗一号系统,向中国提供服务;

2012年年底,建成北斗二号系统,向亚太地区提供服务。

目前,我国正在实施北斗三号系统建设。

根据系统建设总体规划,计划2018年,面向“一带一路”沿线及周边国家提供基本服务;2020年前后,完成35颗卫星发射组网,为全球用户提供服务。

北斗系统的建设实践,实现了在区域快速形成服务能力、逐步扩展为全球服务的发展路径,丰富了世界卫星导航事业的发展模式。

北斗系统具有以下特点:

一是北斗系统空间段采用三种轨道卫星组成的混合星座,与其他卫星导航系统相比高轨卫星更多,抗遮挡能力强,尤其低纬度地区性能特点更为明显。

二是北斗系统提供多个频点的导航信号,能够通过多频信号组合使用等方式提高服务精度。

三是北斗系统创新融合了导航与通信能力,具有实时导航、快速定位、精确授时、位置报告和短报文通信服务五大功能。


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系统构成

北斗卫星导航系统空间段由5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成,中国2012年左右, “北斗”系统复盖亚太地区,2020年左右复盖全球。中国正在实施北斗卫星导航系统建设,已成功发射16颗北斗导航卫星。根据系统建设总体规划,2012年左右,系统将首先具备复盖亚太地区的定位、导航和授时以及短报文通信服务能力。2016年7月23日中国卫星导航系统管理办公室总工程师张春领在南京举行的“2016中国北斗与物联产业技术研讨会”上表示,中国自主研制的北斗卫星导航系统,已初步具备向全球拓展的基础,该系统将于2018年形成面向“一带一路”沿线国家的服务能力,2020年形成全球服务能力。

定位原理

35颗卫星在离地面2万多千米的高空上,以固定的周期环绕地球运行,使得在任意时刻,在地面上的任意一点都可以同时观测到4颗以上的卫星。

由于卫星的位置精确可知,在接收机对卫星观测中,我们可得到卫星到接收机的距离,利用三维坐标中的距离公式,利用3颗卫星,就可以组成3个方程式,解出观测点的位置(X,Y,Z)。考虑到卫星的时钟与接收机时钟之间的误差,实际上有4个未知数,X、Y、Z和钟差,因而需要引入第4颗卫星,形成4个方程式进行求解,从而得到观测点的经纬度和高程。

事实上,接收机往往可以锁住4颗以上的卫星,这时,接收机可按卫星的星座分布分成若干组,每组4颗,然后通过算法挑选出误差最小的一组用作定位,从而提高精度。

卫星定位实施的是“到达时间差”(时延)的概念:利用每一颗卫星的精确位置和连续发送的星上原子钟生成的导航信息获得从卫星至接收机的到达时间差。

卫星在空中连续发送带有时间和位置信息的无线电信号,供接收机接收。由于传输的距离因素,接收机接收到信号的时刻要比卫星发送信号的时刻延迟,通常称之为时延,因此,也可以通过时延来确定距离。卫星和接收机同时产生同样的伪随机码,一旦两个码实现时间同步,接收机便能测定时延;将时延乘上光速,便能得到距离。

每颗卫星上的计算机和导航信息发生器非常精确地了解其轨道位置和系统时间,而全球监测站网保持连续跟踪。

卫星导航原理

踪卫星的轨道位置和系统时间。位于地面的主控站与其运控段一起,至少每天一次对每颗卫星注入校正数据。注入数据包括:星座中每颗卫星的轨道位置测定和星上时钟的校正。这些校正数据是在复杂模型的基础上算出的,可在几个星期内保持有效。

卫星导航系统时间是由每颗卫星上原子钟的铯和铷原子频标保持的。这些星钟一般来讲精确到世界协调时(UTC)的几纳秒以内,UTC是由美国海军观象台的“主钟”保持的,每台主钟的稳定性为若干个10^-13秒。卫星早期采用两部铯频标和两部铷频标,后来逐步改变为更多地采用铷频标。通常,在任一指定时间内,每颗卫星上只有一台频标在工作。

卫星导航原理:卫星至用户间的距离测量是基于卫星信号的发射时间与到达接收机的时间之差,称为伪距。为了计算用户的三维位置和接收机时钟偏差,伪距测量要求至少接收来自4颗卫星的信号。

由于卫星运行轨道、卫星时钟存在误差,大气对流层、电离层对信号的影响,使得民用的定位精度只有数十米量级。为提高定位精度,普遍采用差分定位技术(如DGPS、DGNSS),建立地面基准站 (差分台)进行卫星观测,利用已知的基准站精确坐标,与观测值进行比较,从而得出一修正数,并对外发布。接收机收到该修正数后,与自身的观测值进行比较,消去大部分误差,得到一个比较准确的位置。实验表明,利用差分定位技术,定位精度可提高到米级。

系统功能

四大功能

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短报文通信:北斗系统用户终端具有双向报文通信功能,用户可以一次传送40-60个汉字的短报文信息。

可以达到一次传送达120个汉字的信息。在远洋航行中有重要的应用价值。

精密授时:北斗系统具有精密授时功能,可向用户提供20ns-100ns时间同步精度。

定位精度:水平精度100米(1σ),设立标校站之后为20米(类似差分状态)。工作频率:2491.75MHz。

系统容纳的最大用户数:540000户/小时。

军用功能

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“北斗”卫星导航定位系统的军事功能与GPS类似,如:运动目标的定位导航;为缩短反应时间的武器载具发射位置的快速定位;人员搜救、水上排雷的定位需求等。

这项功能用在军事上,意味着可主动进行各级部队的定位,也就是说大陆各级部队一旦配备“北斗”卫星导航定位系统,除了可供自身定位导航外,高层指挥部也可随时通过“北斗”系统掌握部队位置,并传递相关命令,对任务的执行有相当大的助益。换言之,大陆可利用“北斗”卫星导航定位系统执行部队指挥与管制及战场管理。

民用功能

个人位置服务

当你进入不熟悉的地方时,你可以使用装有北斗卫星导航接收芯片的手机或车载卫星导航装置找到你要走的路线。

北斗卫星导航系统示意图

气象应用

北斗导航卫星气象应用的开展,可以促进中国天气分析和数值天气预报、气候变化监测和预测,也可以提高空间天气预警业务水平,提升中国气象防灾减灾的能力。

除此之外,北斗导航卫星系统的气象应用对推动北斗导航卫星创新应用和产业拓展也具有重要的影响。

道路交通管理

卫星导航将有利于减缓交通阻塞,提升道路交通管理水平。通过在车辆上安装卫星导航接收机和数据发射机,车辆的位置信息就能在几秒钟内自动转发到中心站。这些位置信息可用于道路交通管理。

铁路智能交通

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卫星导航将促进传统运输方式实现升级与转型。例如,在铁路运输领域,通过安装卫星导航终端设备,可极大缩短列车行驶间隔时间,降低运输成本,有效提高运输效率。未来,北斗卫星导航系统将提供

高可靠、高精度的定位、测速、授时服务,促进铁路交通的现代化,实现传统调度向智能交通管理的转型。

海运和水运

海运和水运是全世界最广泛的运输方式之一,也是卫星导航最早应用的领域之一。在世界各大洋和江河湖泊行驶的各类船舶大多都安装了卫星导航终端设备,使海上和水路运输更为高效和安全。北斗卫星导航系统将在任何天气条件下,为水上航行船舶提供导航定位和安全保障。同时,北斗卫星导航系统特有的短报文通信功能将支持各种新型服务的开发。

北斗卫星定位系统示意图

航空运输

当飞机在机场跑道着陆时,最基本的要求是确保飞机相互间的安全距离。利用卫星导航精确定位与测速的优势,可实时确定飞机的瞬时位置,有效减小飞机之间的安全距离,甚至在大雾天气情况下,可以实现自动盲降,极大提高飞行安全和机场运营效率。通过将北斗卫星导航系统与其他系统的有效结合,将为航空运输提供更多的安全保障。

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应急救援

卫星导航已广泛用于沙漠、山区、海洋等人烟稀少地区的搜索救援。在发生地震、洪灾等重大灾害时,救援成功的关键在于及时了解灾情并迅速到达救援地点。北斗卫星导航系统除导航定位外,还具备短报文通信功能,通过卫星导航终端设备可及时报告所处位置和受灾情况,有效缩短救援搜寻时间,提高抢险救灾时效,大大减少人民生命财产损失。

指导放牧

2014年10月,北斗系统开始在青海省牧区试点建设北斗卫星放牧信息化指导系统,主要依靠牧区放牧智能指导系统管理平台、牧民专用北斗智能终端和牧场数据采集自动站,实现数据信息传输,并通过北斗地面站及北斗星群中转、中继处理,实现草场牧草、牛羊的动态监控。2015年夏季,试点牧区的牧民就能使用专用北斗智能终端设备来指导放牧。

总而言之,要想成为强国必须要有自己的技术,自己的命运要把握在自己手里。


疯起来自己都害怕

我先跟你说一个事实。美军是世界上拥有最多的制导弹药,其中的大头是GPS制导弹药,据美军说是上亿件。几年前,美国要升级GPS以反超北斗,美参谋长联席会议主席在美国会作证说,如果升级GPS,制导弹药更新需要很长时间,这段时期的美国安全谁负责?


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