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精度可达厘米级!北斗卫星核心器件国产化率100%!自研原子钟每三百万年误差仅1秒

2020-08-04
来源:芯智讯

 7月31日,北斗三号全球卫星导航系统正式开通,标志着北斗“三步走”发展战略圆满完成,北斗迈进全球服务新时代。

  8月3日上午,北斗三号全球卫星导航系统建成开通新闻发布会在国务院新闻办公室召开。中国卫星导航系统管理办公室主任、北斗卫星导航系统新闻发言人冉承其,北斗系统工程副总设计师、北斗三号工程卫星系统总设计师谢军,北斗三号工程卫星系统总设计师林宝军,北斗三号工程运控系统总设计师陈金平出席本次新闻发布会,从四个方面介绍了北斗三号全球卫星导航系统建成开通有关情况。

  一、北斗三号工程建设提前半年完成

  北斗三号2009年11月启动建设,历经关键技术攻关、试验卫星工程、最简系统、基本系统、完整系统五个阶段,提前半年完成全球星座部署,开通全系统服务,实现了建成即开通、开通即服务。

  关键核心技术方面,北斗三号实现了自主可控,400多家单位、30余万科技人员攻克了星间链路、高精度原子钟等160余项关键核心技术,500多种器部件突破国产化研制,北斗三号卫星核心器部件国产化率达到100%。

  另据央视网报道称,北斗卫星导航系统的“最强中国芯”的心脏是国产自主研发的,而这个铷原子钟(决定着定位、测速和授时功能的精度)目前可以精度做到每三百万年差1秒的水平,绝对是全球领先水平,而在这之前,进口铷原子钟不但性能不领先,而且交付时间太长,严重影响了发射速度。解决了这一问题之后,北斗卫星的发射速度也开始加快。

  2017年11月起,两年半的时间高密度发射了18箭30星,建成40余个地面站,快速形成星地一体化运行能力。

  二、系统功能强大性能一流

  北斗三号支持导航定位、通信数传两大功能,可提供定位导航授时、全球短报文通信、区域短报文通信、国际搜救、星基增强、地基增强、精密单点定位共7类服务,是功能强大的全球卫星导航系统。

  性能指标方面,北斗三号全球范围定位精度优于10米、测速精度优于0.2米/秒、授时精度优于20纳秒、服务可用性优于99%,亚太地区性能更优。

  全球服务可用性方面,如上图,下半部分2018年刚建成北斗基本系统时的情况,图中阴影部分是系统不能覆盖的区域,当时全球服务可用性为95%,而现在北斗全球系统建成后,上半部分可以看出赢没有阴影,全球服务可用性超过99%。

  同时,全球典型区域上空北斗卫星的星空图,红色圆点代表观测到的北斗卫星,可以看出相较两年前,现在各区域上空可视卫星数明显增多。

  此外,根据全球连续监测评估系统最近一周的测算结果,北斗系统的全球实测定位精度均值为2.34米,而结合地基增强、精密单点定位,还能提供最高厘米级定位服务。

  作为北斗系统的传统强项,短报文通信服务也进行了升级拓展,区域通信能力达到每次14000比特(1000汉字),既能传输文字,还可传输语音和图片,并支持每次560比特(40个汉字)的全球通信能力。

  星基增强服务具备一类垂直引导进近(APV-I)能力,填补我国星基增强服务空白。

  国际搜救服务检测概率优于99%,具备返向链路确认特色能力,显著增强遇险人员求生信心。

  在前期已发布的有关文件的基础上,北斗系统今天还发布了定位导航授时(B2b)、星基增强(BDSBAS-B1C)、地基增强、精密单点定位(PPP-B2b)、国际搜救共五类服务的接口控制文件,北斗官方网站同步上线,而区域短报文通信、全球短报文通信两类服务的接口控制文件将定向发布。

  至此,北斗系统发布的接口控制文件覆盖全部七类服务。

  △北斗卫星地面跟踪

  △全球不同区域可见北斗卫星数量

  对于北斗三号卫星的使用寿命和可靠性问题,北斗三号工程卫星系统总师林宝军 林宝军表示:“通常一个重大攻关需要花十年时间,我们的卫星是10-12年寿命,寿命末期已经是20年前的技术了,大家想想20年前的技术很难说它是先进的。所以说如何保证长寿命、高可靠特别是不可修复的卫星的持续先进性,确实是难题,也是工程初期困扰我们很长时间的一个命题。通常设计一个系统,都是按照短板理论来做,一个木桶到底能盛多少水,短板决定了盛水的量,短板理论最经济。通俗地来说,只要满足系统的需求和指标就行了,不用过多考虑余量,包括指标的余量、能力的余量,这对于长寿命、高可靠的卫星来讲并不是很合适。我们的做法是,不拘泥于当下能够实现的指标,而是通过系统的持续创新把长板和短板结合,持续地改进硬件系统的先进性,通过在轨赋能来解决卫星发射上天后产品性能的持续改善。”

  △图为北斗三号工程卫星系统总师林宝军。(徐想 摄)

  “在工程设计之初,我们打破以往新技术不超过30%的惯例,在配置上尽量进行前瞻性的规划,尽量采用一系列的创新技术。我们的新技术甚至超过70%,像当今新技术不断涌现、系统更新周期很快的情况下,这种做法更有利于提高系统的性能。在产品的研制过程中,通过靠谱的创新技术+成熟的工艺+充分的地面验证,确保在轨成功。特别是每组卫星投产前,我们最后再进行一次状态确认,保证上天产品能成功。”

  林宝军举例表示,工程初期为解决地面覆盖问题,我们提出了“相控阵”这种星间链路方案,这是国际上从来没有过的技术,我们用这种思路很好解决了问题。这项技术成为我们很重要的创新,把整个卫星连成很大的网,国内测站可以实现全部卫星的测控,实现了一星通、星星通。卫星发射上天以后硬件没有办法更改了,通过在轨赋能技术解决后面问题。就好像手机一样,手机可以通过软件升级来更新系统,我们可以下载一个新的APP,增加新的能力,我们这种能力在卫星上叫做“软件重构和在轨赋能”,当卫星有了这种能力之后,卫星在发射上天后就可以完成性能、能力的持续改进。

  出色的技术性能,长达12年的寿命,为北斗系统服务的连续、稳定提供了基础保证。

  三、综合效益显著成果丰硕

  目前,北斗系统已全面服务交通运输、公共安全、救灾减灾、农林牧渔、城市治理等行业,融入电力、金融、通信等国家核心基础设施建设。

  28nm工艺的北斗芯片已经量产,22nm工艺芯片即将量产。

  大部分智能手机均支持北斗功能,支持北斗地基增强高精度应用的手机已经上市,同时构建起了集芯片、模块、板卡、终端、运营服务为一体的完整产业链。

  10年来,我国卫星导航与位置服务产业总体产值年均增长20%以上,2019年达到3450亿元,2020年有望超4000亿元。

  对外方面,北斗已是联合国认可的四大全球卫星导航系统之一,与美国GPS、俄罗斯格洛纳斯、欧盟伽利略的兼容、互操作、系统间合作持续深化。

  北斗已相继进入民航、海事、搜救卫星、移动通信等多个国际组织,多个支持北斗系统的国际标准已发布。

  目前,北斗相关产品已出口120余个国家和地区,向亿级以上用户提供服务,基于北斗的国土测绘、精准农业、数字施工、智慧港口等已在东盟、南亚、东欧、西亚、非洲成功应用。

  四、打造综合定位导航授时体系

  根据规划,2035年前,我国将建成更加泛在、更加融合、更加智能的国家综合定位导航授时体系,为未来智能化、无人化发展提供核心支撑,持续推进系统升级换代,融合新一代通信、低轨增强等新兴技术,大力发展量子导航、全源导航、微PNT等新质能力,构建覆盖天空地海、基准统一、高精度、高智能、高安全、高效益的时空信息服务基础设施。

  五、下一代北斗卫星已经开建

  今天的北斗三号全球卫星导航系统建成开通新闻发布会上,中国卫星导航系统管理办公室主任、北斗卫星导航系统新闻发言人冉承其表示,北斗三号全球卫星导航系统的正式开通,标志着北斗“三步走”发展战略圆满完成。北斗三号建成以后,已经着手下一代北斗建设发展。

  冉承其称:“我们要在2035年前建设一个更智能、更泛在、更融合的系统。简单来讲,从室内到室外、深海到深空的立体服务覆盖的更强、更安全、更可靠的系统。我们正在推动这个工程的论证和后续的起步建设,它一定是北斗三号后续新的亮点工程。”

  

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