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科学+会客厅:对话北斗“牧星人”------李长江专访

来源:科学+项目组  作者:张恒  发布时间: 2013-10-18 点击数:

 古有 “天高可问参北斗”,如今“卫星导航定乾坤”。无人驾驶汽车、飞机自动导航、交通流量控制、穿戴式IT设备,卫星导航已经成为现代生活越来越重要的部分。不久的将来,导航信息可以应用于智慧城市管理的方方面面,离百姓生活越来越近:告诉你此时身处何处、帮你找到最近的加油站、在你喜欢的餐厅“签到” 并通过移动终端APP推荐给身边的朋友……

5月31日,由省科协、浙报集团联合主办的第33期“科学+会客厅”活动,邀请了中国“北斗二号”卫星系统总指挥李长江作题为“对话北斗‘牧星人’”的科普讲座。李总指挥为大家讲述了我国北斗卫星导航定位系统的研发历程;它与美国GPS的区别;在军用领域的意义;民用领域的应用前景;神秘航天人的工作生活等。

北斗卫星导航系统的研发历程

早在上世纪70年代,我国就已经提出了建立自己的卫星导航定位系统——灯塔系统。但由于国民经济无力支撑,这个系统无奈退出了历史舞台。2000年,我国第一个卫星导航系统——北斗一号建成,我国成为世界上第三个可以独立自主进行卫星导航定位的国家。2012年底,北斗二号导航定位系统,已经发射了16颗卫星,除了两颗实验用卫星,其余14颗在轨道上的定位卫星,组成了一个强大的定位网络。而相较于此前的北斗一号,北斗二号无疑具备更强大的性能——有效避免遭受电磁干扰和攻击,实现无源定位,在精确度方面大大提高。虽然北斗二号还是区域卫星导航系统,但是无论是无线电信号体制、无线电频率以及卫星轨道都已经具备了向全球卫星导航系统扩展的雏形。预计到2020年,中国北斗卫星导航系统能真正实现覆盖全球范围,形成全球无源服务能力。

卫星研制是一个系统工程

卫星研制是一个系统工程,涉及到力学、热学、材料学、微电子学、计算机和软件等等方方面面的知识。造一颗卫星,它从设计到发射,都要耗费科研人员数年的时间,花费少则几个亿,多则二三十个亿。在设制卫星导航精度上,科研人员还要考虑自然界的干扰因素,如无线电信号通过太空传输到地面,需要穿透大气层。大气层里的电离层会对无线电工作造成阻碍,科研团队就要精确计算以此产生的误差,以便在定位时减去这个误差,提高定位精度。李长江还介绍到,一次剧烈的宇宙、太阳活动都可能对卫星造成干扰。像太阳这样的大恒星,喷发出的重离子一旦打到计算机芯片上,有可能造成数据位错误,从而影响到导航定位信息。

有了美国GPS,为什么还要研发中国的北斗系统

李长江举了一个很形象的例子:我们家家都想着要有自己的房子,为什么不直接住在别人的房子里呢?每个人都有自己家的门钥匙,为了自己家的安全,不会把自己家门的钥匙交给陌生人。卫星导航技术也一样,掌控权在外人手上,我们永远是被动的。

的确,我们不能完全依赖美国的GPS,因为在涉及国家安全等特殊情况下,美国可以限制任意用户对GPS的使用权限,如降低对方的导航精度、变换编码、进行区域性管理等。

所以说,卫星导航系统是国家安全和经济社会发展不可或缺的信息基础设施,是大国地位和综合国力的重要标志。世界各大国都高度重视发展自主的卫星导航系统,美国不断提高GPS的精度和抗干扰、抗攻击、反利用能力,极力保持其霸主地位。大家都认识到,拥有自主研发自主掌控的卫星导航系统,不仅可以彰显国家科技力量,在国防军事上也至关重要。

北斗与GPS相比的优势与劣势

李长江介绍,“目前,北斗二号建成的是区域定位卫星导航系统,覆盖范围只是整个亚太地区。举个简单的例子,我们能收到美国GPS的信号,但是到美国就不可能收到北斗的信号了。”只有当北斗建成全球系统后,在世界各个角落都可以同时看到四五颗北斗卫星的时候,北斗才能像GPS一样覆盖全球的每一个角落。另外,在定位精度上, GPS已经能将精度锁定在亚米级,而北斗的精度还只在米级。李长江展望,等到新一代“北斗”建成后,亚米级的精度也就指日可待了。

但是,北斗系统也有独到之处,世界上其他的全球导航系统只是告诉用户什么时间,在什么地方,而北斗系统除此以外还可以将用户的位置信息发送出去,使用户想告知的其他人获知用户的情况,较好的解决了何人、何事、何地的问题,把短信和导航结合起来,是中国北斗卫星导航系统的独特发明。

世界上的四套卫星导航系统

全世界共有4套卫星导航系统:我国的北斗、美国的GPS、俄罗斯的GLONASS系统;欧盟的Galileo系统。其中,美国的GPS是到目前为止发展最成熟、应用最广泛的卫星定位系统。在全球卫星导航系统的市场格局中,GPS已经基本形成了“独霸天下” 的局面。飞机、轮船需要它来导航,抗灾、救援行动需要它来指引,甚至国防、公共安全等至关重要的环节也需要它来监控。近年来,我国的卫星导航产业发展迅速,但95%的应用都是建立在美国的GPS系统之上的。此外,在我国周边,印度日本也在积极谋求建设独立自主的卫星导航系统。

卫星升空需要预约

卫星运行的轨道是一种资源,空间承载力是有限的,卫星的轨道位置资源非常紧张,是受国际电联严格控制的,空间碎片、太空垃圾,它多了以后对在航天运行的航天器都是有危险的。“卫星频道的资源也非常稀缺,它根据无线电的频率划分的。先期美国的GPS和俄罗斯的GLONASS两个系统开发较早,占据大部分资源,只留下了很少的一部分资源供我们使用。”李长江介绍说,“我们在2007年发射的一颗实验卫星,其中的目的之一就是抢占卫星导航资源。”

看来,卫星升空也是要预约的,国际电联也相当于管委会,对太空文明公约能够有一个管理,遵守规则也是每个国家必须要做的一件事情。

北斗系统的民用展望

北斗导航系统为百姓所熟知,是它在汶川地震中发挥的独特作用,在网络、通讯全断的情况下,通过北斗的用户机来准确定位,第一时间反馈灾区实地信息,帮助灾民脱离危险。李长江介绍,北斗走入寻常百姓生活的领域已指日可待,目前相关部门正在组织一些企业开发北斗系统的定位机,内部的芯片已经研制出来,提供给厂家,就可以制作出来各种各样的北斗应用机。李长江提到,随着科技水平的不断发展,北斗系统的定位精确度不断提升,可应用到的领域也会越来越广:如改善城市的交通环境,设想在所有的车上安装北斗导航,在上、下班的高峰期,系统可以自动接收城市的路况,“建议”车主到车流量较少的马路上行驶;在制定飞机航线和引导飞机着陆上,北斗也大有可为,可通过定位导航缩短两架飞机的飞行距离,提升航线层高,从而增大飞行流量,民航航班的晚点率将大大降低;无人驾驶的汽车或许在不久的将来也能成为现实,在车上安装北斗导航设备,就能够自动接收道路信息,选择一条最佳路线行驶。李长江还建议在杭州的各个旅游景点和各大博物馆,制作语音讲解系统,与导航定位系统结合起来,当游客走到某个地点就会自动播放讲解信息。

天为棋盘星作子,以李长江为首的北斗团队,还将在浩瀚的"天空棋盘"继续布棋,在不久的将来,或许寻常百姓家喻户晓的,不是GPS,而是北斗了。