80後中科院美女學霸:想破解中國北鬥導航,只有一個辦法……

2021-02-09 新華網

  

前幾天我去一個同學家裡玩,他們家小姑娘來問我說,「阿姨,我怎麼才能讓我爸爸看不到我的手機位置信息呢?如果把我的手機卡取下來之後,我的手機還能夠定位嗎?」

  

在這裡,我可以明確地告訴大家,取下手機卡以後,手機依然能夠定位的。這是因為我們大家都知道,我們手機當中定位採用的是衛星導航系統,與我們手機移動系統沒有關係的。

衛星導航系統,它是距離我們一群兩萬公裡的星星,它們不會發光也不會發熱,甚至肉眼沒有辦法觀察到它們,為我們提供著位置服務。衛星導航系統簡稱為GNSS系統,在GNSS俱樂部中一共有4位VIP會員,除了大家所熟知的美國GPS系統以外,包括俄羅斯的GLONASS系統、歐盟的伽利略系統以及我們國家自主建設的北鬥衛星導航定位系統。

北鬥衛星導航定位系統,是我們國家自主建設的衛星導航定位系統,現在正處在建設和應用推廣的階段,由五顆靜止軌道衛星,和30顆非靜止軌道衛星組成,北鬥衛星導航系統預計將在2020年左右提供一個全球性的服務。

在GNSS俱樂部中,會員小夥伴們最關心的是什麼?大家最關心的頻率資源問題。頻率資源是一種國際上公用的資源,頻率資源不是你想買,想買就能買的,所有頻率資源都要向國際電聯提出申請,由國際電聯進行劃分。就像我們高速公路車道一樣,每一個系統都有它自己的車道,不然的話,大家會發生撞車的情況。

在衛星導航系統建設的初始階段,頻率資源相對比較充沛,建設相對比較早的GPS系統和GLONASS系統不存在頻率資源的衝突問題。到了北鬥系統和伽利略系統建立的時候,頻率爭奪戰就非常明顯了。當時伽利略系統其實提前申請了這個頻率資源,但是大家知道後來歐洲出現了經濟危機,所以伽利略系統資金鍊斷了,他們當時發射了這個衛星,佔領了這個軌位,但是並沒有發射這個頻率的信號。根據國際電聯「先到先得」的規定,哪一個國家能夠先把這顆衛星發射上去,並且這個衛星向下發射了這個頻率的信號,以後這個頻率資源就是你的了。

在這樣情況下, 2007年4月17號就是北鬥所申報的頻率資源的最後期限,所以要求北鬥試驗星必須提前發射,這在我國航天史上是非常罕見的。

通常衛星發射只有延遲,沒有提前,因為提前會帶來一系列的問題。但是經過各個部門的配合之後,為了爭奪這個頻率,在4月14號的時候,這一顆火箭已經成功在發射中心準備進行發射了。在4月14號的凌晨4點07分,現場又發現新的問題,火箭有一個連接器沒有按照規定脫落,如果三分鐘內不能解決這個問題的話,對火箭、衛星甚至發射場都會是滅頂之災。

當時的發射指揮員在一分鐘之內下了7道指令,4點07分發現的問題,4點11分的時候,火箭帶著我們北鬥試驗星成功升空。4月14日發射了北鬥試驗星,4月15號時候衛星實現變軌,4月16號衛星開始向下發送信號,在距離4月17號北鬥申請的頻率資源失效前24個小時內,中國正式啟用了北鬥申報的頻率資源,也就此拉開了北鬥全球系統建設的帷幕。

在一個風雨交加、電閃雷鳴的夜晚,大家喜歡做什麼事情?我自己比較喜歡看恐怖片,那樣比較有感覺。雷電和恐怖片更配哦。那麼,雷電和什麼不般配呢?不錯,就是衛星發射。衛星發射的時候,火箭箭體中裝滿了燃料,一點點火花就能引起箭體的爆炸。1987年,美國大力神火箭就曾在大雨中發射,升上天空一分鐘後就在空中遭到雷擊,發生了爆炸。

所以,通常遇到雷電的時候,衛星發射是會推遲的。但是在2011年7月,北鬥第9顆衛星發射時,也是一個電閃雷鳴的天氣,它卻在等待著發射,為什麼明知山有虎偏向虎山行呢?

這是因為北鬥系統不是一個單顆衛星,而是一個組網星座。對於組網星座而言,每一顆衛星都要有既定位置。北鬥系統不僅要求把這顆衛星發射到哪一個軌道,還要求這一顆衛星在軌道中的既定位置。要滿足這樣的條件,必須有發射窗口,而這一天就是一個不可多得的發射窗口,如果錯過這天的機會,有可能推遲四個月,甚至推遲一年才能夠迎來新的一個窗口。

北鬥系統當時正在如火如荼建設過程當中,如果推遲發射的話,進程必然會延誤,帶來的經濟損失不可估量。當時的指揮系統決定冒雨發射,在兩次雷電的間隙,發了。非常幸運,北鬥第9顆衛星升空了。在同年年底,北鬥開始試運行。現在,北鬥系統已經發射了22顆衛星,已經能夠為中國以及我們周邊地區提供非常穩定的導航定位服務。

大家可能會問,北鬥系統已經發射這麼多顆衛星,北鬥到底有什麼用呢?首先,業內有這樣一句名言:「衛星導航定位系統的應用只受想像力的限制」,毫不誇張地說,作為典型的國家重器,它就像我們水、電、還有公路一樣,是我們社會建設基礎的保障。歐盟曾經做過估算,衛星導航服務中斷兩天就會給整個歐洲帶來超過10億歐元的損失。下面,我們來看一下北鬥應用的相關視頻。

這是北鬥系統一些典型應用,這個是藏羚羊遷徙,北鬥系統保護野生動物;大興安嶺發生火災,北鬥系統能夠為營救人員提供方位和方向的服務;這是北鬥系統用於精確打擊;這是北鬥用於海洋漁業,在海洋上我們所用的通信定位手段都非常少,有了北鬥衛星導航,能夠有效保障漁民的生命安全;這是北鬥系統用於大型車輛定位和監控;這是北鬥系統用於我們精準農業,在農業現代化當中,我們可以用北鬥系統非常精密地控制;這是北鬥系統用於我們大型貨櫃航運和海運。

以上這些只是北鬥系統應用非常基本的方面,在這裡,我想重點強調一下我們剛才看到的海洋漁業的應用。在這個應用中,北鬥系統不僅提供了位置、導航和授時這樣的功能,而且還提供通信功能,漁民在海上能夠用北鬥系統發簡訊,報平安。通信功能到底有什麼用呢,這裡我想引用一下美國GPS之父帕金森教授的一句名言,他曾經這樣盛讚北鬥的導航通信一體化功能:「既能夠知道你在哪裡,也能夠知道我在哪裡,這是多麼美妙的體驗。」

那麼,通信到底有什麼用呢?給大家舉一個簡單的例子,大家都看過《魯賓遜漂流記》吧,如果有一天一個人漂流到了孤島上,能怎麼辦呢?如果這個時候他選擇的是GPS,他只能知道自己在什麼位置,無法通知別人前來救援,所以他還是只能夠在荒島上求生。

如果我們用的是北鬥系統,情況完全不一樣了,我們既可以知道自己位置在哪裡,而且還能夠把我們的位置發送給方圓幾十公裡、幾百公裡甚至千裡之外的人。相信我,如果你選擇了北鬥定位系統,你很快就可以在救援船上和你手持GPS的小夥伴說拜拜了~

我們講了這麼多北鬥系統非常好用,而且可用,為什麼現在好像在生活當中我們大家似乎很少用北鬥,好像GPS多一點。GPS衛星導航定位系統比北鬥系統早建設了大約20年,20年的歷史鴻溝不是我們一朝一夕技術能夠填補的,GPS系統的應用推廣都已經非常成熟,比如現在最便宜的GPS晶片可能大約兩美元左右,而北鬥系統的晶片價格由於量產等原因可能仍然普遍在百元左右。用不起制約著北鬥發展,但用不起不是制約主要因素,不敢用、不想用,這才是制約北鬥發展的重要原因。

北鬥系統從誕生到現在,雖然已經通過多方面證明,精度和可靠性完全不輸GPS導航系統,但是人們對北鬥系統有著種種質疑。這是網上大概2011年左右傳得比較沸沸揚揚的新聞,當時媒體使用的標題是「清華女生破解北鬥送給美國」,或者是「北鬥上百億的投資打水漂」等等,比較聳人聽聞。

那麼,北鬥真的如此不堪一擊嗎?當然不是。事實上,真正不可靠的是GPS系統。因為GPS系統只被我們開放了民碼,而且GPS民碼信號戰爭時候很容易說變就變,為了保障自主權,歐盟建設了伽利略系統。對我們來講也是如此,為了保障我們的可靠性,我們國家開始建設屬於我們自己的北鬥系統。

……

作為一個衛星導航的普通科研工作者,我們相信北鬥這一艘巨輪在大家的支持下,在我們的不懈努力下,一定可以繼續乘風破浪走向世界,謝謝大家。

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