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揭秘北斗导航系统:守护中国时间
添加时间:2010-3-25  来源:中国新闻周刊  点击:2015  
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北斗
北斗卫星导航应用示意图

  全篇引言:

  对于一个迈入信息社会的现代化大国,导航定位和授时系统至为重要,称之为“最关键的国家基础设施之一”亦不为过。精密时间是科学研究、科学实验和工程技术诸方面的基本物理参量。它为一切动力学系统、时序过程的测量和定量研究提供了必不可少的时基坐标。精密授时在通信、电力、控制等工业领域和国防领域有着广泛和重要的应用。现代武器实(试)验、战争需要它保障,智能化交通运输系统的建立和数字地球的实现需要它支持。现代通信网和电力网建设也越来越增强了对精度时间和频率的依赖。从建立一个现代化国家的大系统工程总体考虑,导航定位和授时系统应该说是基石工程,对整体社会的支撑几乎是全方位的。可以看到,星基导航和授时是未来发展的必然趋势。

  第一篇:

  共和国的战略保障

  文/彭辉

  北斗系统定位的不仅仅是“你在哪”“我在哪”的位置,她更是在传递着中国与中国人的一种感知;她给予的不仅仅是高精度的时间,微秒与纳秒间更多的是一种安全

  且看这样一篇前线手记:

  2009年9月中旬,当年湘江战役战场硝烟再起,诞生于抗战时期,曾在“三保本溪,四战临江”和塔山阻击战中立下赫赫战功,以“打大仗、打硬仗,威震辽东”著称的广州军区某摩步师官兵飞渡湘江,千里跃进中原,打响“跨越-2009确山”演习收官之战,这也是中国人民解放军“跨越-2009”系列实兵检验性演习最后一支参演劲旅的最后一场战斗。

  读者请注意,曾在汶川地震救灾工作中立功的北斗卫星导航定位系统,在此次军演中,再次被赋予重任——演习部队不再依靠GPS授时和定位,亦可利用自己的看家把式:北斗系统,进行全战场态势显示和指挥控制。

  而在中国民用领域,一些悄悄进行着的类似转变正在上演。

  卫星导航定位系统是国家重要信息基础和战略设施,是体现国家综合国力的重要标志。“卫星导航不仅对军队信息化建设和经济社会发展具有重要意义,也在深刻地影响着社会文明进程,改变着人们的观念和生活。”中国人民解放军总参谋部测绘局局长袁树友少将这样诠释。

  建立自主卫星导航定位系统是几代中国人的夙愿和追求,改革开放的徐徐春风为实现这个光荣与梦想提供了动力和可能。经过八年艰苦奋战,顽强拼搏,三颗北斗导航试验卫星陆续升空。2003年12月15日,北斗一号建成并正式开通运行,中国成为世界上的继美、俄之后第三个拥有自主卫星导航定位系统的国家,中国卫星导航定位迈出了历史性的第一步。

  中国是一个发展中大国,在走向复兴的道路上,会有艰难险阻和险滩沟壑,中华民族同样是个优秀的民族,勤劳、智慧、坚定而懂得创新。在保障国家安全和促进经济可持续发展的历史时代背景下,国家和民众共同选择了一个坚强的保障——北斗卫星导航定位系统。

  北斗系统定位的不仅仅是“你在哪”“我在哪”的位置,她更是在传递着中国与中国人的一种感知;她给予的不仅仅是高精度的时间,微秒与纳秒间更多的是一种安全。她特有的功能很多,在实践中她的系统优点很受欢迎。

  中国非常重视北斗卫星导航应用推广工作,各级政府积极支持,主管部门陆续制定出台多项扶持政策和市场培育措施,一批应用示范项目带动并加速了北斗应用和产业化进程。系统已成功应用于水利水电、海洋渔业、交通运输、气象测报、国土测绘、减灾救灾和公共安全等领域,产生了显著的经济效益和社会效益。

  北斗卫星导航系统取得了骄人的成绩,展示了中华民族创新能力和中国的综合国力,成为新中国60年来重要的标志性成果。

  导航应用永无止境,北斗事业任重道远。未来,北斗导航应用将有飞跃式发展,用户数量将实现高速增长,基本覆盖经济社会建设的主要应用领域。中国第二代卫星导航系统建设正稳步推进,北斗二代将完全兼容北斗一代功能,并在用户容量、定位精度、服务区域、动态性能和抗干扰能力等方面有较大提高。北斗卫星导航定位系统实现全球覆盖亦为时不远,届时,能够完全满足未来信息化条件下经济社会和国防建设对卫星导航定位的需求。

  就开篇的那段手记,中国自主卫星导航正在按照既定发展战略扎实稳健推进,系统建设捷报连连,系统应用硕果累累。军地携手,加快科技成果转化,加快卫星导航技术应用,不断总结研究,探索创新,完善政策,规范服务,开拓市场,扩大产业,为全社会提供更稳定、更优质的北斗导航服务,并做好走向国际市场、提供海外服务的准备。

  可以预见,在不久的将来,北斗卫星导航将深刻影响中国军队的作战方式、作战理念,深刻影响人们的生产生活方式,成为全面建设小康社会的重要组成部分。

  成就理应喝彩,欣喜坚定未来。国人为自主卫星导航应用发展骄傲自豪,对中国卫星导航事业的灿烂明天信心百倍。

  第二篇:

  找寻属于我们的安全授时观

  文/邹周

  面对风云变幻的国际形势,作为一个独立自主的大国,建立中国星基的导航定位和授时系统,无论对于保障国民经济的正常运行,还是保障国防安全,都至关重要

  2009年岁末,中国国家主席、中央军委主席胡锦涛签署命令,将于2010年6月1日正式实行《中国人民解放军标准时间管理规定》,中国人民解放军标准时间将在近期正式发播。规定的应运而生充分表明党中央、国务院、中央军委对国家时间频率体系建设的关心和支持,也从侧面明确了北斗卫星导航定位系统高精度授时必须由军队先行推广的态度。

  时间信息的安全、高精度授时的自主化,已经摆在各级军队的工作案头,在理解中国的安全观,应用自主的“北斗时间”方面,军队及相关国防领域已经成为全国的排头兵。

  随着今年1月北斗第三颗卫星成功发射,这种“未雨绸缪”的状况将更加贴近大众——北斗卫星导航定位系统在高精度授时与信息反馈监控技术上可以进入商业运营;自主研发,运用于地面设备的电子芯片技术业已成熟。

  一个属于中国的高精度授时时代,徐徐拉开帷幕!

  军地联动 安全保障

  “在精确打击时代,原子钟的作用和位置不亚于原子弹。”中国著名的原子钟专家、原北京大学常务副校长王义遒教授掷地有声。

  2003年3月20日,伊拉克战争爆发。大批轰炸机、战斗机扑向伊拉克首都巴格达,用炸弹准确地将一座建筑彻底摧毁,行动代号:“斩首行动”;4月,一架B-1B“枪骑兵”轰炸机临时接到任务,用炸弹摧毁了另一座建筑。这两次行动的目标都是一个人:萨达姆•侯赛因;他们所使用的炸弹都是一种:联合攻击炸弹(JDAM)。这些炸弹之所以都能够精确地打击目标,是因为他们都是通过卫星定位和精度授时实现目标的全景式多维锁定,拥有这种能力的正是由24颗美国卫星组成的全球定位系统——GPS。

  2003年5月25日零时34分,中国在西昌卫星发射中心用“长征三号甲”运载火箭,成功地将第三颗“北斗一号”导航定位卫星送入太空。前两颗“北斗一号”卫星分别于2000年10月31日和12月21日发射升空,运行至今导航定位系统工作稳定,状态良好。这次发射的是导航定位系统的备份星。它与前两颗工作星组成了完整的“北斗一号”卫星导航定位系统,确保全天候、全天时提供卫星导航信息。

  这标志着中国成为继美国全球卫星定位系统(GPS)和俄罗斯全球导航卫星系统(GLONASS)后,在世界上第三个建立了自主的卫星导航系统的国家。

  2010年1月17日0时12分,中国在西昌卫星发射中心成功将第二代北斗导航定位系统的第三颗卫星送入预定轨道,并按预定计划组网工作。这标志中国继“北斗一号”区域性卫星导航定位系统建成后,逐步向全球系统迈进。

  面对风云变幻的国际形势,作为一个独立自主的大国,建立中国星基的导航定位和授时系统无论对于保障国民经济的正常运行,还是保障国防安全,都至关重要。

  全球四大卫星导航系统,无一例外的都具备高精度授时功能,殊不知,时间作为基本单元,已经成为测量距离的最准确要素,换句话说,高精度授时是准确定位的基础。目前公开的授时精度中,北斗系统略胜GPS一筹。

  北斗的高精度授时分为单向授时和双向授时。单向授时的精度为100ns,双向授时的精度为20ns。在公开使用的高精度授时领域中,这是目前国际授时精度最高的。

  北斗系统在单向授时模式下,用户机不需要与地面中心站进行交互,只需接收导航电文信号,自主获得本地时间与北斗标准时间的钟差,实现时间同步;双向授时模式下,用户机与中心站进行交互,向中心站发射定时申请信号,由中心站来计算用户机的时差,再通过出站信号经卫星转发给用户,用户按此时间调整本地时钟与标准时间信号对齐。

  7年多来的应用实践充分说明,中国的时间频率系统也将在这里起步,不远的将来,“北斗时间”会走入我们的生活,准确、安全地保证国防安全和经济的繁荣。

  这也预示着,在中央的统一协调下,国家正在下力优化整合军地两方资源,加快推进北斗高精度授时的产业化道路,构建具有中国特色、与国际接轨的时间频率体系。

  安全金融 护佑民众

  金融安全直接关系到公民私有财产,乃民生之大事。以股票交易为例,目前中国股民主要通过交易大厅电子显示牌和互联网终端交易。这些交易终端显示的信息是否为实时的?它们与交易所主机发布的消息是否完全同步?看上去这是一个细微的问题,但内中却另有深意。

  公安部技术局表示,“金融黑客”常常利用计算机终端与服务器时间产生的微小时滞,操纵股票价格的涨跌。”一只股票涨势良好,交易者准备买进的时候,可能交易者看到的“良好态势”已经过去。而在交易所主机上“第一时间”的讯息,这支股票已经开始走跌。而这讯息一早一晚的差别,大量资金就从股民手中涌入“金融黑客”的账户。

  而这个时滞需要多久?专业人士表示,仅需要短短的两秒!

  解决这个问题,只能依赖一个全国性金融证券实时授时网络的建立。倘若这个网络的建立又依赖GPS系统,那么等于将金融授时的安全保障交给国外机构来监管,这无疑是缺乏自主权的危险举措。倘若发生境外个人或团体干扰、操纵GPS授时信号的事件,那金融安全的问题将直接从个人扩大到整个国家的经济安全层面。

  随着我国北斗一号卫星导航系统的开通运行和第二代系统的加紧建设,通过自主技术建立时频系统的条件已初步成熟。

  在开发应用上,企业可以将北斗授时的原子钟嵌入金融交易系统的主机与各地分子机器,如此,可切实保证各地实时接收到各类金融讯息,彻底避免“金融黑客”,乃至“恶意庄家”蓄意破坏,遏制他们扰乱金融市场秩序,危害国家经济安全。

  政务外网 全国标准

  2009年11月,国家信息中心、国家卫星导航信息服务中心北斗导航民用开发合作签约仪式。双方就使用中国完全自主产权的中国标准时间网络授时系统,全面实现国家政务外网时间采用北斗卫星统一发布授时等事宜达成一致。

  中国的信息化建设伴随改革开放进程得以迅速实施,其网络建设规模已稳居世界首位。在电信网、互联网、广电网的整体框架下,国家电子政务外网已构成中国各级政府电子政务和信息化应用服务的唯一工具平台。

  国家虽然拥有巨大的网络规模,由于“建立自主可控的网络时间频率标准化体系”没有得到各级政府应有的重视,因此,中国网络时间频率比较混乱。比如,国家某权威新闻网站的信息发布系统,经常出现信息发布的时间超前于当前实际时间的情况,无需置疑,时间频率不统一的现状已经为信息安全和经济建设带来重大隐患。

  “2008年至今,我们与国家信息中心联合研制开发北斗导航民用服务‘用户电子签名’,保证信息安全和北斗统一时间频率在国家政务外网授时实现。”国家卫星导航信息服务中心常务副主任王平介绍。

  国家政务外网电子签名(数字证书)与国家卫星导航信息服务中心合作研发的北斗导航用户身份认证信息安全体系,是中国北斗导航民用标准化服务体系建设的重大举措。

  系统以中国北斗卫星导航系统服务平台为载体,建立为各类卫星导航用户(政府用户、行业集团用户、公共社会用户等)的实名制用户管理和应用服务监管平台,保障中国北斗导航用户的有序发展,提高卫星导航民用开发的创新能力。

  回首上世纪90年代,美国正式向全球开放GPS民用信号。时至今日,从道路导航、远洋导航、工程测绘,到登山远足,再到国土资源管理,GPS系统已经渗透到人们生活和社会的方方面面。在市场最大的个人消费领域,GPS一直处于垄断地位。

  而今,新一轮从空间到地面的立体化大国崛起业已开始,中国北斗,必然掀起从国防安全、社会稳定到经济腾飞的新旋风,成为引导中国繁荣的启明星群。

  第三篇:

  谁来“护驾”电力全网时间?

  文/彭辉

  北斗的高精度、稳定性、安全性和自主性已然折射出中国智慧的光芒

  随着中国经济社会发展,电网规模不断扩大,运行水平大幅提高,建设“坚强的智能电网”成为中国电网建设的既定战略。国家发改委称,2009年至2020年,中国将投资4万亿元用于智能电网建设。

  要建设智能电网就离不开数字化变电站。而目前,在涉及电网安全的广域电网运行、保护与控制等方面,尤其是电网中重要发电厂及变电站内各自动化系统的实时时钟,建立在脉冲技术上的工作原理,还有很多问题和安全性论证没有实现。

  系统实时时钟的时间同步成为当代电网以及未来智能电网运行的一项基本要求。为实现电力时间统一基准,GPS系统一直被广泛地应用于中国电网调度中心、电厂和变电站的自动化运行、保护、控制、安全生产等领域的授时。

  事实上,采用美国的GPS作为主时钟源或许是过去的一种技术无奈,或许是决策者出于经济性、认知惯性的考虑,但在电力系统中,广泛采用GPS,就真正统一了设备与系统间的时间吗?真的实现了电力全网时间的统一吗?如此的“GPS时间”可靠安全吗?

  “GPS”隐患

  2007年12月,某区域电网公司(应公司要求隐去真实名称)对其所在省电力电网GPS授时设备进行全面检查。随后,一份汇报材料被紧急送到公司领导案头。汇报所涉及内容令该公司高层颇感惊讶:“全省GPS授时设备完好率不足60%”。

  看到这一消息,公司第一时间召集协调会,与会专家和一线输电站负责人也认识到问题严重性,经过数天讨论和分析,设备质量只是一方面,“GPS授时安全隐患”这一深层次问题,更应引起足够重视。

  “我们已经将这一重大隐患备份至国家相关电力安全管理部门。电力工业的安全生产关系国家能源安全和国民经济命脉,是保障国家安全、经济发展、社会稳定的关键性因素之一。”公司负责人事后感慨。

  在一个省份出现如此高比例的设备损坏,非但不正常,更需要警惕的是其危险程度。近年来,随着中国电网运行控制及保护水平的提升,大部分变电站采用了综合自动化方案,这也是今后电网的发展方向。

  自动化、信息化和输电效率得到了不同程度提高,降低成本同时,问题也随之而来。中国电力企业从电力传输网到电力计算机网络的时间系统,主要是以GPS作为主时钟源,进行同步授时,由于其授时的工作原理和系统时钟源被美国掌控,GPS授时存在重大隐患。

  具体而言,目前中国电力行业接收GPS授时信号是免费的,GPS授时终端价格低廉,这是美国GPS系统在民用领域的应用。正因为是“免费的午餐”,所以美国不承诺对任何应用所产生的问题负责。

  众所周知,GPS系统是美国政府引以为豪的战略工程,所有信号的发生、传输权由美国掌控,一旦出现民用信号关闭、误码率加大或者系统出现故障,以GPS技术为基础的系统将被置于危险的境地,中国电网概莫能外。

  在中国,存在长距离大规模电力传输的现实,从电厂发出的每度电,都以高达每秒30万公里的速度经过变电站并网输送,经过数个、数十个变电站的长距离配送,最终抵达用户。这个过程需要同时有几百台设备保护电力安全运行,涉及各种以计算机技术和通信技术为基础的自动化装置,如电厂机组自动控制系统、调度自动化系统、变电站计算机监控系统等,如此大量设备是否能够按照预先计划的流程,准确安全地传输到位,决然离不开全网设备时间基准问题。

  “倘若这些设备运行时间不同步,那么轻则运行设备失控,影响正常输供,重则造成整个地区电网瘫痪。而且由于时间不同步,很难及时排查事故原因。”北京国智恒电力管理科技有限公司董事长吕建光如此描绘。

  客观来说,电力输配对设备时间同步的精准度提出了极高极严的技术要求,电力设备时间同步的精准度正从过去的微秒级过渡到纳秒级,因此,必须为电力系统配置高精度、高可靠的授时系统,在传输系统和接收系统间出现时间误差,高压电流势必会在瞬间烧毁被接收的变电站或是传输线路,这很容易理解。

  “北斗”精准而出

  如何解决报告所涉问题,公司经过反复论证,决定起用独立自主的北斗卫星导航授时技术,利用中国的高精度卫星授时系统支撑电网运行。

  对GPS授时在电力行业应用存在的重大安全隐患进行分析调查,做出科学判断,根据北斗系统的特性,自主创新,联合研发了“北斗电力全网时间同步管理系统”。

  “北斗一号”是中国自行研制建立的卫星导航定位系统,集导航定位、短报文通信、高精度授时三大主要功能于一体。

  该系统目前工作覆盖区域主要集中在北纬5°~55°,东经70°~140°之间的广大地区。随着2003年5月25日“北斗一号”系统的第3颗卫星成功发射升空,“北斗一号”系统已经开始全面为各种用户提供稳定和可靠的服务,开通运行7年来,系统运行稳定,技术状况良好。

  目前,北斗二代系统正待字闺中,2010年1月17日,北斗导航卫星Compass G1成功发射,第二代北斗卫星组网正在按照预定计划进行。可以预见的未来,系统服务能力更强,定位授时精度更高,并与北斗一号系统完全兼容,能够为用户提供更加完善稳定的服务。

  “北斗电力全网时间同步管理系统”(下称系统)是采用北斗与GPS(或其它)等多时间源智能切换技术开发完成的新一代电力系统的时间同步系统产品。系统装置内置恒温晶振或铷钟,通过多时间源智能切换技术和先进的时间控制处理算法实现可靠的、高精度的时间输出;采用“北斗双向授时功能”专有技术能实现严格意义上全电力系统时间的统一;通过利用北斗卫星导航系统的短信息功能,能够实现所有厂站端时间同步系统远程监测和运行控制;系统为电力输送提供高精度的、安全的全网时间同步整体解决方案,准确、可靠、易用的特点确保了可靠、高精度授时的广泛需要。

  由此,中国电力输送领域重点攻坚的时间同步课题将得到彻底解决,2008年9月,选择将中国华东电网公司调度中心作为北斗电力全网时间同步监测控制系统的总控中心,2个500KV变电站(上海南汇变电站和南京东善桥变电站)和2个电厂(新安江电厂和富春江电厂)作为卫星同步时钟的使用单位,构成实用性北斗电力时间同步示范系统。试用结果表明,系统各项指标达到使用要求,实现了全网范围内的时间同步。

  系统于2008年12月19日通过组织的专家委员会鉴定验收。鉴定委员会认为,该研究成果整体水平国内领先,具有推广应用价值。

  2009年9月,国家电监会公开表示,国家正式确立“天地互备,以北斗为主的电力授时体系”。

  这标志着中国电力行业自主高精度授时时代已经开启。中国自主研发的北斗卫星导航授时应用的春天也已到来。

  中国创造

  “北斗导航,是‘中国创造’的杰出代表,闪耀着中华民族自主创新的灿烂光芒,是天之骄子。”中国卫星导航定位应用管理中心副主任赵康宁如是说。

  作为中国具有战略意义的国家重要信息基础和战略设施,北斗卫星导航定位系统正在表达着中国综合国力,已经为包括电力在内的国民经济关键领域发挥重要作用。

  北斗系统将继续在包括智能电网在内的电力电网建设中发挥更大作用。未来几年,建设特高压电网又是发展智能电网的强大物理基础,大容量、远距离输电是最大特点,对各种技术要求、设备配备、电网的建设和特性提出了更高要求。

  2009年,中国4万亿元拉动内需的投资分配落地,随后,国家电网公司宣布将建设“坚强智能电网”、“特高压电网”作为未来五年的核心发展目标,其在时间同步系统方面对高精度授时将有更加苛刻的要求,我国北斗卫星授时技术将逐步替代国外GPS产品与技术,摆脱对国外系统的依赖,保证电网的正常建设和安全。

  “电力全网时间同步系统”的系统和终端开发成功与应用,解决了目前电力系统时间同步应用中的三大难题:提供可靠的备用时钟源;实现全网时间同步;实现远程监测与维护。

  此项高精度授时系统不仅能全时段、全区域地控制电力全网内所有时钟的信息,实现真正意义上的全网同步。同时,还可自动监视系统中各单位时钟状态,并进行主动干预和控制,实现真正意义上电力全网时间同步管理和远程监控,进而解决了因GPS固有缺陷给电力调度、生产带来的重大事故隐患。

  时间同步管理系统的研制成功,创造了历史,填补了国内相关领域的空白,系统全部采用具有中国自主知识产权的技术。

  北斗的高精度、稳定性、安全性和自主性已然折射出中国智慧的光芒,也同样因为拥有这些,她才不断的被技术界、产业界、科学界和民众所认可,也因为拥有这些,北斗的未来会更好。

  第四篇:

  低调背后的中国自豪

  文/于丽娜

  “全球卫星导航技术其实就是航天技术与原子钟技术的联姻,卫星导航定位精确度主要取决于卫星上的原子钟精度。某种意义上讲,当今高技术下的局部战争,更多地依靠原子钟,而不是原子弹。”

  2010年初,中国第三颗北斗导航卫星进入预定轨道,随后,美国太空评论网刊发了航天专家泰勒•迪纳曼题为《中国的压力推进美国GPS系统升级》的文章,文章提到,中国北斗的快速发展已经严重威胁了美国GPS的霸主地位。

  北斗——一个稍显神秘的概念进入大众的视野,在30年默默无闻的研发中,北斗卫星导航定位系统俨然迎来了自己的春天。

  倾力北川

  2008年5月12日,四川汶川发生8.0级特大地震。房屋倒塌、人员死伤严重、基础设施损坏、交通中断、给水中断、通信中断。在时间就是生命、灾情就是命令的危急时刻,如何第一时间了解灾区情况等诸多问题扑面而来。

  5月13日,一支没有装备任何大型救援设备的神秘部队,正沿着马尔康、黑水、理县的317国道,一路急进汶川,而正是这支队伍让举国上下焦急的心看到了希望。

  事后,我们才从中国卫星导航应用管理中心获知详情,地震发生后,该中心为救援部队紧急配备了1000多台“北斗一号”终端机,实现了各点位之间、点位与指挥部之间的直线联络。

  在灾区通信没有完全修复,信息传送不畅的情况下,各救援部队利用“北斗一号”及时准确地将各种信息发回。

  前面我们疑惑的那支神秘部队便是携带了“北斗一号”终端机,第一个进入汶川重灾区的“北斗英雄”小分队。

  5月14日起,紧急组建的总参抗震救灾北斗导航应急小分队急赴成都,深入北川、绵竹等重灾区,小分队和救援部队携带的“北斗一号”终端机传回地震灾区的最新灾情和救援情况,为指挥部决策、指挥提供了大量信息。救援部队利用北斗用户机成功实现各救灾点的情况互通和报告。

  “北斗一号”终端机在抗震救灾中起到了关键性作用。北斗终端随救灾部队进入震中地区,并不断从前线发回各类灾情报告,为指挥部指挥抗震救灾提供了重要的信息支援。

  2008年12月,在美国帕萨迪纳举行的全球卫星导航国际委员会(ICG)年会上,中国代表介绍了北斗导航在抗震救灾中成功应用的情况,受到了与会代表、专家的赞赏和关注。

  北斗系统承受住了考验。不仅在关键时刻救助了灾区同胞,也向世人证明了中国自主的卫星定位系统完全可以媲美国际先进水平。

  缘起北斗

  在北川发挥了巨大作用的北斗系统始终低调而神秘。

  其实早在1983年,中国已故著名“两弹一星”科学家陈芳允院士便提出利用地球同步卫星建立中国自主的卫星导航定位系统的设想。

  当时,整个世界拥有或是在建的卫星导航定位系统只有美国后来的“GPS系统”,几乎呈现一骑绝尘的态势,而卫星导航系统是一个大国重要的战略设施,卫星导航对维护国家安全、推动经济社会和国防建设具有重要的意义。

  “双星定位系统,完全能做成,在科学上是靠得住、行得通的。”原北斗卫星导航定位系统总设计师陈芳允院士给中国的卫星导航定位系统发展,指明了道路。

  2010年1月17日0时12分,中国在西昌卫星发射中心用“长征三号丙”运载火箭,成功将第三颗北斗导航卫星送入预定轨道,这标志着北斗卫星导航系统工程建设又迈出重要一步,也标志着中国卫星导航系统的发展进入快车道。

  中国正在实施北斗卫星导航系统(COMPASS)建设工作,规划相继发射5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星,建成覆盖全球的北斗卫星导航系统。

  此前,已成功发射了两颗北斗导航卫星,这一颗卫星为静止轨道卫星。按照建设规划,2012 年左右,北斗卫星导航系统将首先提供覆盖亚太地区的导航、授时和短报文通信等功能服务,该服务将延伸至系统覆盖范围内的其他国家。2020年前,建成覆盖全球的北斗卫星导航定位系统。

  北斗卫星导航系统集卫星导航定位、报文通信、高精度授时三大功能与一体,不仅能解决“我在哪”的定位问题和“你在哪”的感知问题,还能高效快捷地实现“我”和“你”之间的信息传递。这是北斗导航系统的特有功能,是实践中用得最多最好、最受欢迎的创新优势。

  刚刚荣获2009年度国家最高科学技术奖的中国科学院院士、北斗卫星导航系统工程总设计师孙家栋表示:北斗卫星导航系统应用,只有想不到没有做不到的。

  其实早在2001年12月,建成北斗卫星导航试验系统后,中国就已经成为继美国、俄罗斯之后世界上第三个拥有自主卫星导航系统的国家。自2003年,系统正式开通并提供服务到现在,7年多来,北斗系统在已成功应用于测绘、电信、水利、渔业、交通运输、森林防火、减灾救灾和国家安全等诸多领域。

  一波三折

  作为北斗卫星导航系统的主要功能之一,高精度授时也历经了近30年的发展。

  中国卫星导航定位应用管理中心柳其许总工程师认为:“全球卫星导航技术其实是航天技术与原子钟技术的联姻,表达了时间和空间的统一,卫星导航定位精确度主要取决于原子钟精度。某种意义讲,未来高技术条件下的局部战争,更多的依靠原子钟,而不是原子弹。”

  原子钟是时间频率技术的核心装备,人类精确使用和掌握时间正是利用原子钟。原子钟利用围绕在原子核周围不同电子层的能量差,释放出的能量产生共振频率,以共振频率为节拍器来测定时间。“研究中国自己的原子钟,建设自主的时间频率体系”,面对困难,国人坚定的发出自己的声音。

  遥想当初,卫星导航定位系统在中国是一穷二白,要迅速发展起来谈何容易,更何况原子钟。当时国家正处于国防事业建设热潮中,领导人意识到要确保国家真正的安全就要有自己的原子钟。

  作为最早研究原子钟的科学家之一,原北大常务副校长王义遒教授回忆说:“1969年,周恩来总理专门召集搞原子钟的人在一起吃饭,后来还开过一次专门的原子钟会议,这些都充分说明了国家的重视。”

  在收到国家自主研发原子钟的指示后,全国几家研究单位同时启动了研究。王义遒教授说:“北大在接到这个任务后,与当时的国防科委一起合作研究出了国家第一台铯束原子钟。”正是由于国家的重视,原子钟的研发成了重点,在短短的十年时间里,中国已经研制成功了包括:铯束、铷气室和氢原子钟等三种类型,在原子钟研发领域,中国已经取得了不错的成绩。

  “上世纪80年代,我们和美国在这个领域几乎处于同一水平”王义遒教授如是说。原子钟研究的项目均是耗资不菲且需要连续性,要不断更新原子钟的核心元素才能获得更为精确的时间频率,达到误差最小。而随着国际形势的缓和,国家重点转向经济建设,原子钟的研究开始淡出领导人的视线。

  从逐渐淡出到完全停滞,一晃就是20年。而自从停止了原子钟的研究,中国的高精度授时设备,几乎依靠进口,接收的信号也全是单一的GPS时间。如果双边或是多边关系恶化,美国完全可以“用软刀子杀人”——只要在中国上空屏蔽GPS信号,包括时间频率系统在内的中国信息系统就会大面积瘫痪。由于时间误差是积累的,数字信息高速传输系统、通讯系统等会因时间系统瘫痪而报废。

  王义遒教授回忆起原子钟研究的停止充满惋惜:“实际上70年代还是有大量经费支持。后来就很少了,再后来就基本上没了,所以我们只能做一些基础研究。但是我感觉到原子钟这个东西既然是一个非常重要的东西,从国家的军事力量来看,又是一个核心。如果我们没有的话,国家就很难完全的独立自主,所以我们还在北大保留了一支队伍,这支队伍非常困难,在基本上没有经费的情况下,我们把它维持下来了。”

  时间到了世纪之交,王义遒教授带领着艰难维持下来的研究队伍,积极地联合其他科学家向相关领导写信汇报,希望恢复对原子钟及国家时频系统的研究;另外,不忘延续着仅存的研究成果进行着基础的项目攻关,以期保存基本的实力和人才队伍。

  2000年以来,美国自海湾战争后的一系列军事行动让世界震惊,让世界沉思,促使全世界都深刻意识到非接触性打击的信息化战争中原子钟的授时作用更加重要,在国家相关机构组织下,新一轮原子钟研制和国家时间频率系统的建设重新启动。

  经过几年的研究,取得了很多成果,王义遒教授说:“在这么短的时间内能获得突破,多亏了当时保存下来的那批科研力量。”

  “中国时间频率系统建设和原子钟研发工作已进入历史上最好时期。”中国卫星导航定位应用管理中心赵康宁副主任介绍,“但是,对建设一个自主完善的国家时间频率体系来说,这还只是开了一个好头。”

  由于国外原子钟研究、生产已没有间断地历经了半个世纪,而中国原子钟事业自身时间短,且时断时续,目前的研究团队参差不齐,中青年专家太少,加上科技与工业基础条件尚不足,原子钟的研制和国家时频系统的建立,距离国际先进水平特别是美国还有相当的差距。

  北斗卫星导航系统从20多年前大胆的“双星定位”设想,到如今自主研发成功,再到如火如荼地推广应用,其中蕴含了北斗人的汗水和坚毅。

  “我们寄希望于国家能够建立原子钟和国家时频体系研究专项。我相信,到2020年我们的原子钟水平能够走到世界的最前列。” 王义遒教授壮心不已。

  第五篇:

  中国的北斗星座

  文/彭辉

  通过“卫星导航应用产业化”等重大工程项目的实施,中国在卫星导航定位技术的开发、应用与服务方面取得长足进步

  卫星导航系统是重要的空间基础设施,为人类带来了巨大的社会和经济效益。中国作为发展中的大国,拥有广阔的领土和海域,一直在努力探索和发展拥有自主知识产权的卫星导航定位系统。2003年北斗一号卫星导航系统正式开通,并提供服务,自此,中国的北斗开始频繁出现在国防建设和经济社会的各个领域。

  以点促面 服务亚太

  北斗卫星导航定位应用从无到有,快速发展,成效显著。北斗一号系统集卫星定位、短信报文、高精度授时三大功能于一体,不仅能解决“我在哪”的定位问题和“你在哪”的感知问题,还能高效快捷地实现“我”和“你”之间的信息传递。这是北斗导航系统的特有功能,也是实践中用得最多最好、最受欢迎的创新优势。

  2008年12月30日,我国卫星导航定位知名专家、学者,国家相关部委和地方政府部门,设备制造厂家,分理服务公司,用户和军队代表200余人齐聚北京,参加了由中国卫星导航定位应用管理中心等单位主办的“北斗卫星导航应用五周年座谈”。座谈会深具代表性,称其为“北斗系统的‘全国两会’”实不为过。会上,来自各领域的代表纷纷总结北斗卫星导航应用成果及管理经验,深入探讨北斗导航推广应用和产业发展大计。

  据中国卫星导航定位应用管理中心杨宝峰主任介绍,“北斗卫星导航定位系统开通以来,中国领导人非常重视北斗卫星导航应用推广工作,各级政府积极支持,主管部门陆续制定出台多项扶持政策和市场培育措施。”

  中国第二代卫星导航系统已经成为《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020)》中明确的16项具有战略性、标志性和带动性的科技重大专项之一。

  截至2009年,系统管理科学,运行高效,保持了连续工作稳定状态,为用户提供了坚实可靠的应用服务平台。据统计,累计用户数量突破6万,提供定位服务3.3亿次,通信服务2.2亿次,双向授时服务3000万次,系统运行可靠性优于99.98%设计指标。已成功应用于水利水电、海洋渔业、交通运输、气象测报、国土测绘、减灾救灾和公共安全等领域,牵引推动了电子、通信、机械制造、地理信息等相关产业和信息服务业的发展,产生了显著的经济效益和社会效益。

  早在2006年,中国政府发表的《中国的航天》白皮书中,特别提到“完善北斗导航试验卫星系统,启动并实施北斗卫星导航系统计划”。发展卫星导航、定位与授时的自主应用技术和产品,建立规范的、与卫星导航定位相关的位置服务支撑系统、大众化应用系列终端,扩展应用领域和市场。通过“卫星导航应用产业化”等重大工程项目的实施,中国在卫星导航定位技术的开发、应用与服务方面取得长足进步。

  在2003年建成的北斗一号导航系统基础上,第二代北斗卫星导航系统的建设拉开序幕,紧张实施,2007年成功发射第一颗北斗导航卫星M1,2009年成功发射第二颗北斗导航卫星G2,2010年初第三颗北斗导航卫星G1成功遨游太空。北斗卫星导航系统的建设功能更趋完善,不仅完全兼容试验系统功能,而且在用户容量、定位精度、服务区域、动态性能和抗干扰能力等方面有较大提高,能够满足未来信息化条件下国防和经济社会建设对卫星导航定位的需求。

  不久前,在泰国曼谷召开的“全球卫星导航(GNSS)亚洲大洋洲区域研讨会”上获悉,中国的北斗导航建设与应用成就引起与会代表的普遍关注,中国北斗不久将开始为亚太部分地区用户提供服务,大规模、成系统的商用服务也已为期不远。中国代表团表示:亚洲将成为全球卫星导航系统建设最具吸引力、挑战力的区域。中国将一如既往地稳步推进北斗卫星导航应用的健康发展。联合国亚太地区经济与社会委员会宣增培司长指出,北斗导航系统在中国2008年汶川抗震救灾中发挥了极其重要的作用,“北斗”所具有的定位与通信功能优势将会为造福人类贡献更多力量。

  来自中国的导航定位应用专家王岩博士介绍说,北斗导航与多传感器技术将在长江航运中推广应用,开发实现长江流域航船吃水深度、航速、流速、水质信息采集,以及位置报告、预警报警、航务查询、调度监控和应急救援等服务功能。内河航运领域的应用将和航运油气改造、二氧化碳排放监测联动展开,是落实中国减排承诺的又一重要举措。

  目前,北斗卫星导航系统研制建设正在按计划紧张有序开展。工程建设转入卫星组网发射阶段,预计到2012年共发射12颗工作卫星,完成服务范围覆盖整个亚太地区的目标。

  基地引领发展

  在应用广度和深度有了极大拓展同时,北斗系统的产业化道路前景愈加明朗。2009年12月26日,总参测绘局与上海市闵行区人民政府正式签署《共建国家卫星导航应用浦江产业基地战略合作框架协议》。这是中国首个国家卫星导航应用产业基地。

  浦江产业基地作为推动北斗规模化应用,增强北斗核心竞争力,服务国家卫星导航发展战略的重要平台和示范园区,将主要承担北斗卫星导航应用产业化试点、应用管理制度创新、应用技术创新、应用技术研发与管理人才培养,以及国际交流与合作的重任,北斗人冀望其能成为“中国卫星导航应用产业的硅谷”。

  基地规划建设核心区和扩展区,主要采用“政府扶持引导、企业投资建设、重点项目入驻、市场主导发展”的方式运作,通过构建公共技术服务平台,引进重点产业项目,完善应用产业链,打造一批上规模企业,形成卫星导航应用产业的龙头,提升科研、生产和服务水平。

  “通过典型示范和辐射引导,带动我国卫星导航应用技术的全面发展,提高自主创新能力,加速我国卫星导航应用的产业化进程,提升自主卫星导航系统的国际知名度和竞争力。”总参测绘局局长袁树友少将这样解读基地的作用。框架协议的签署,标志着北斗导航民用产业化进程向前迈出实质性重要一步。

  基地位于上海国家民用航天产业基地首期启动区内,东至万芳路,南至联航路,西至三鲁河,北至规划界限,一期建设用地面积约53亩,总投资预算4亿元人民币,将重点建设卫星导航技术应用研究中心、应用终端生产中心、应用监控指挥中心等五个中心。上海市闵行区区长陈靖介绍,“建成后的国家卫星导航应用浦江产业基地,将成为基础设施完善,环境清新优美、文化氛围浓郁、社会秩序良好的现代化卫星导航应用工业基地,成为国内一流的高科技园区和北斗卫星应用产业发展的示范基地。”此间已有2家业内龙头企业入住,分别是:北京中兴恒和投资集团卫星应用科技股份公司、北京国智恒电力管理科技有限公司。

  开放式应用

  北斗卫星导航系统建设一直按照循序渐进的原则逐步实验进行,发展中,带有浓厚的开放性、自由性、兼容性、渐进性色彩。

  北斗二代卫星导航定位系统的建设功能不仅完全兼容试验系统功能,而且在用户容量、定位精度、服务区域、动态性能和抗干扰能力等方面有较大提高,这样开放性的设计和应用,不仅能够使“北斗一号”系统的功能延续稳定,保证用户使用的简单,而且能够更好地树立“北斗”的品牌,解决用户的后顾之忧。系统开发的同时,接收机的研制更具开放性,推广系统民用全过程,北斗接收机终端的研发、生产,一直坚持多个卫星导航系统的集成开发应用,达到互兼容互操作,研制推广的“多模芯片”,可实现彼此信号的自由切换。诚然,北斗二代卫星导航定位系统的这种开放性原则,直接能够满足未来信息化条件下国防和经济社会建设对卫星导航定位的需求。

  目前,第二代北斗卫星导航系统在扩大服务信号覆盖面积同时,正在向具备无源服务能力平稳过渡。随着系统不断完善和发展,2020年前完成的全球系统空间段将由5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成,提供开放服务和授权服务,同时具备无线电测定业务(RDSS)和无线电导航业务(RNSS)能力。

  除系统开放性外,北斗应用和宣传应更具开放性姿态。

  中国北斗系统建成之初的那抹神秘,因快速的发展而渐渐褪去,一颗耀眼的东方之星冉冉升起,响亮的北斗被世人所知,开放性的研制、建设和应用,正在呼唤宽松、和谐的舆论环境,加大对北斗系统的宣传力度,使之能更加可持续的发展。

  构建科学的发展之路,中国政府要制定实施开放型政策,切实加大对北斗卫星导航产业的扶持力度,同时,企业也应在这一开放格局中勇于担当主力,产业化是未来北斗系统开放性应用的最佳道路和归宿。

  中国的企业需要依靠北斗系统切入导航定位市场,中国已经是全球最大的航运市场、最大的汽车市场、最大的移动通信市场,这种背景下,在北斗全球定位系统充分商用开展后,市场潜力空前巨大。

  而当前的市场格局恰好相反,95%以上的国内终端市场被GPS垄断,如何将北斗系统建设得更完善?不断扩大用户群?改变长期依赖国外导航系统的局面?行者需慎思。

  在推广应用北斗卫星导航定位系统的路途中,坚持开放性的兼容原则是上策。

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