北斗系统的特点与产业优势

许其凤

      作者简介： 许其凤（1936—2020）,中国工程院院士。

  （引文格式许其凤.北斗系统的特点与产业优势[J].中国工业和信息化,2020(7):52-58.）

北斗系统的特点，表现为可以绕过发展阶段的技术瓶颈，充分利用区域的有利条件；属于性能投入比更高的系统；是具有系统级广域差分的系统，覆盖最大的差分导航系统；另外能够规避主要的技术风险，具有位置报告功能。与其他系统相比，北斗系统的优势是区域优势，不是全局优势。充分利用北斗系统的优势创造广泛的产业应用，是北斗未来成功的标志。

这两年，人们对整个北斗系统很关注，但了解并不是特别多，或者说不是特别系统，认识上存在不少问题。建设很重要，让客户以及更多的人了解同样重要，这样才可以更好地应用，尤其是产业应用。

对于卫星导航系统来说，我个人认为，产业的发展是成败的标志。卫星导航系统的成功在于广泛的应用，并且取得效益。这个效益不仅仅是芯片制造商的效益，也不仅仅是整机提供商的效益，还有应用，比如对铁路性能的提高产生什么效益；又如对大坝监测上以及水力发电有什么效益等。

另外，相关产业的发展是广泛应用的标志，作为卫星导航系统，应用的方面有很多。但是相关产业的发展，标志着广泛应用的程度如何。比如说，卡片相机用得很多，说明数字摄影被广泛应用。现在，很多人提出这样的问题，GPS已经占领了市场，北斗产业究竟怎么发展？说得更直截了当一点，这么大的投资保险吗？这样的问题目前难以回答。笔者把相关情况提供出来，留待读者自己去做结论。

GPS占主导的市场，北斗到底有没有出路

关于GPS占领了市场，北斗到底有没有出路的问题，笔者想到有关彩电的问题。上世纪80年代日本彩电占领了我国市场，只要提到彩电，不是东芝、日立就是夏普，可到了90年代，短短十年，中国彩电市场就发生了巨变，国产彩电成为了主力军。国产彩电厂商靠什么夺回市场？一是相对优越的性能，相对优越，并不是说整个系统的性能完全超过日本，而是说显示性能上更优越。日本彩电因为日本发射台相对距离都比较近，对接受机灵敏度的要求不是很高，只要求信号强度足够就好。但是在上世纪八九十年代，我国还没有普及数字电视，电视机离发射台距离比较远，信号并不是很强，日本产的彩电，屏幕上出现了星星点点的雪花，国产彩电则没有。这仅是局部的优越，就获得市场的极大认可。比较起来，灵敏度的提高就凸显出来。二是相对低廉的价格。彩电如此，北斗卫星导航产业能不能做到？答案应该是肯定的。三是方便快捷的服务。因为我们的生产商、销售商就在本地。如果出了什么问题，只要打一个电话，通过微信号，或者应用APP，就会得到及时的运维服务。靠着这三条，在十年的时间里，我国取代日本，成为彩电市场的主导力量，把丢失的彩电市场重新夺了回来。有些类似的是，卫星导航系统的性能是性能相对优越的基础。笔者所说的性能优越包括两个方面：一个是接收机、用户系统的性能更好；一个是产业自主权。这是已经心里有数的，但整体性能如何，还需要实践检验，要有一段时间的磨合期。

关于北斗卫星导航系统怎么样，有人说不错，国产的、拥有自主知识产权、双赢等。如果仅仅这么笼统地说，就难以让人相信，起码笔者不会相信，只有拿出具体的东西、有说服力的东西，别人才会做出相信的判断。

北斗导航究竟有没有优势，笔者试图拿出一些具体的东西，但不作结论。

卫星导航系统是由一定数量分布的卫星，包括卫星的高度、卫星的倾角、卫星的轨道组成的空间。分布着的卫星叫做卫星星座，比如GPS是由24颗星座组成的，叫做中轨卫星MEO。还有一部分是地面监测站不断观测所有的卫星，对所有卫星计算轨道，计算钟差。再有，就是通过注入站将轨道、钟差参数注入到卫星，用户接收机利用卫星发播的测距信号测距，依靠卫星的位置，用测量的距离解算自身的位置。简单说就是以上三类。

北斗星座的设计从一开始就是要扬长避短。为什么要避短扬长呢？这是规划所要求的。

首先要解决发展瓶颈的问题。习惯上，都是先强调有利条件，笔者侧重讲不利条件，就笔者的角度来讲，不利条件更重要。如果漏掉一个有利条件，后果很可能只是没有锦上添花。如果漏掉一个不利条件，后果很可能是颠覆性的。发展卫星导航，因为我们是后发，就可以向GPS借鉴、学习。但借鉴、学习决不能完全照搬。即使向GPS学习，仍然遇到一些问题，比如我们很难在全球布设监测站，高精度定轨需要对卫星进行全弧段监测。就像画圆，仅测量一小段，这个圆是画不准的。在实际数据上，就存在卫星位置的误差。左边是有监测数据的，右边是没有监测数据的，完全靠外推，观测一小段外推一段，位置误差就会很大。一旦没有监测数据，误差就会急剧增加。绕地球的GPS卫星是中轨道卫星，东西旋转。这就要求监测站必须全球分布，这一点美国可以做到，我们做起来就有一些困难。

其次，要解决星载原子钟相对滞后的问题。卫星如何定位？要依靠卫星的位置，通过测距来解算定位。测距怎么测？就是要依靠信号传播的距离，距离=传播时间×光速，如果数字错一点，实际误差就大多了。所以，对于星载原子钟的精度要求极高，因为所有的信号都是根据星载原子钟来发播的，精度要求上的误差要小于10的13次方，大约是百万年差一秒。我国星载原子钟的发展则相对滞后，最初是从美国、欧洲进口很高精度的原子钟，但人家知道你要用于卫星导航系统，就禁运了。

这是两个瓶颈问题，这样的问题很难在短时间内解决。我们试图从星座设计来寻求绕过瓶颈的办法，当然还尝试过其他多个途径，但能走通的是这条路。

提到星座设计，大致有三类卫星轨道。一类是中轨卫星轨道MEO，高度是2万千米，像GPS、欧洲的伽利略导航系统都属于这一类，是绕着全球转的。还有一类是地球同步卫星轨道GEO,3.6万千米，那是在赤道面上，同时维持这个高度。同步卫星只有维持这个高度，才能跟着地球一起转，与地球自转一致起来，而从地球上来看就是不动的。另外一类是倾斜轨道的同步卫星IGSO，这个高度同GEO一样，只不过不在赤道上，倾斜的角度一般采用55度，在地面上观察轨道类似“八字型”。这三类卫星，从地面上观察就有不同的特点。MEO是从东到西绕着全球转，GEO卫星是始终不动的。在我们国家上空发一个GEO，我们随时随地都可以看到的。IGSO卫星是南北转，而且有一定的弧度范围。如果选择GEO或者IGSO轨道，就可能绕过前面所说的两个瓶颈。因为这两类卫星不论怎么运转，大致跑不出我们国家，即使离开我国境内，也不会太远，我们能看得见，也就是说可以监测到，这样就增加了跟踪弧段。如果是和GPS一样的MEO，我们能观测到的弧段只占全弧段的40%，在精度上势必就差很多。在国内设站的情况下，可以实现对GEO和IGSO的全弧度监测，这样就解决了我们没有办法在全球布站的问题，也就降低了对星载原子钟的精度要求。要想取得准确的时间，当然要表的质量好，也可以天天和中央人民广播电视台对表。如果不能勤对，那就要表好。如果是GEO和IGSO，就随时可以看得见，也就可以随时对表。因此，在国内设站的条件下，可以实现勤对表。这样就降低了对星载原子钟的技术要求，为我国发展高精度原子钟争取了一些时间。很明显，这不是不发展，仍然要为发展争取时间。要马上拿出来，暂时还做不到，可能需要十年，甚至更长的时间。国外在这方面就曾经花费较长的时间。

既然避开了两个发展瓶颈，还要充分发挥GEO和IGSO利用率高的特点。我们搞的不是全球系统，而是区域系统。对于区域系统来讲，这两种卫星的利用率可以达到80%以上，与MEO在我国的区域系统40%来讲，差了一倍。利用率高就意味着我们可以用数量比较少的卫星来达到同样的效能，这是很划算的，投入性能比也较好。在具体设计中，经过了很多的探测，五个GEO和五个IGSO也就是十颗卫星就可以取得满意效果，覆盖区域大体上接近地球的三分之一。作为北斗二号，第一期就是区域系统，第二期就是全球系统。第一期星座就是5GEO+5IGSO。如果按照测距误差两米计算，当然我们可以达到更高的精度，来估计一下这个系统究竟怎么样？我们的精度基本上已做到6米到7米，与GPS大致相同。采用这种两类卫星相结合的方案利用率是非常高的。既然如此，就要充分利用这一特点。我国位于北半球，我们最关心的就是北半球，结果发现，用4GEO+12MEO的效果与5GEO+5IGSO是一样的，16颗卫星与10颗卫星相比，当然要10颗，这就是发挥了IGSO和GEO利用率高的特点。总结起来说，就是避短扬长，避开瓶颈，扬长高利用率。

区域系统有区域系统的优势，系统级的广域差分，是美国人为了降低民用精度搞的，也就是人为加入轨道误差和钟差误差，将精度从30米降低到100米。GPS开始民用的时候测试的是30米，结果达到的是20多米。但是美国军方认为这样不行，因为民用的美国人可以用，其他国家的军方也可以用，用于军事目的，所以就人为降低到100米。当时，为了解决这个问题，美国首先提出来“差分”。最后发现比较好的是广域差分。广域差分原理很简单，就是布测一些参考站，这些站是精确的，同时利用GPS定位，利用使用者的位置，反求出来卫星轨道偏差多少。为了做到这一点，需要建立差分参考站，像我国就需要20来个这样的差分站。另外，还需要配套计算中心，并通过注入站向地球同步卫星发射数据，地球同步卫星再告诉用户，但同步卫星则是GPS系统以外的。参考站观测卫星，通过注入同步卫星向用户发播修正参数，精度可以从100m提高至5m左右。广域差分有一个特点，就是区域的，不是全球的，系统的单个用户可以在监测站范围之内使用。另外，用户级系统如果要提高精度，就要进差分站，建注入中心，再发同步卫星。但是发播的信号是一样的，却不是原来的系统级别，而是同一个用户级系统。它的功能是可以提高轨道和钟差的精度，但它只提供给差分站内的用户，站外就不灵了。靠站监测求出修正值，MEO卫星是东西转的，如果转到东边，东边的用户就可以看到这颗卫星，但是监测站测不到这颗卫星，因此就没有修正值，用起来效果差一些。当然，美国本土内的用户是不存在这样的问题的。美国人与欧洲人搞的都是广域差分系统，都需要建立参考站、计算中心、注入站、同步卫星。我们的导航系统本身就有计算中心、注入站，还有五颗地球同步卫星。因此，我们建立的是一个系统级的广域差分系统，也就是说在建北斗系统的时候，就把广域差分系统融合在一起了。一般所说的二级监测站，指的就是这个。应该说，这是我们建成的第一个系统级的广域差分系统。显然，这个系统的投资要少得多，性能也会好得多。同时不仅仅是对一个系统，只对北斗进行广域差分服务，因为同步卫星多，因此在信号编排格式的时候，既可以为北斗发播差分信息，也可以为GPS系统，同样也可以为伽利略系统发播差分信息，有可能成为三个系统服务的广域差分系统。同时，可以为北斗全覆盖提供差分服务，北斗覆盖区是比我国国土大得多的区域。按照一般的广域差分，必须在国土内，不管用户在最东边还是在西边，看到的卫星就是十颗IGSO和GEO。这十颗卫星在国内监测站随时随地都可以监测到，可以为广大的区域提供广域差分服务，这是以前的广域差分系统所不能做到的。当然，只限北斗，对GPS不灵，对伽利略也不灵，也就是监测站的范围之内，对北斗可以更广泛一些。另外，在建设阶段可以规避一些风险，最主要的技术风险，就是开始的时候轨道可能测不准，钟差也可能测不准，广域差分可以进行很好地修正，可以规避一时达不到的设计指标所带来的不利影响，最后得到好的结果。正像前面说的，在GPS做广域差分的时候，我们可以从100米提高到5米，从某种意义上讲，这是很重要的规避风险措施。

北斗的稳定与改进需要磨合期

简单总结北斗的特点，第一个是绕过发展阶段的技术瓶颈，充分利用区域的有利条件。第二个是性能投入比比较高的系统。第三个是具有系统级广域差分的系统，覆盖最大的差分导航系统。另外能够规避主要的技术风险，具有位置报告功能。位置报告北斗1号就具备，北斗2号继续沿用。位置报告就是搞GPS定位，如果车辆上路了，使用者就可以知道现在在哪里。但是，家里人并不知道，若想让我家里人也知道，那就需要通讯设备辅助。一个系统本身就具备这样的功能，是很重要的。渔船出海后，就需要把位置随时报告给指挥部。如果有台风，指挥部会随时告诉船只，这一点很重要。手机系统到海上都不灵了，因为没有基站，卫星系统就可以。但是卫星设备有多大呢？GPS用户机手掌这么大，GPS辅助设备却大很多。

如果没有基站怎么办？就需要备份手段。比如，汶川地震的时候，很多通讯手段不灵了。因此，中央也不知道汶川震到什么程度，灾情怎么样，震区多大范围也不知道。最早把消息传出来的是我们抢险部队带上的北斗接收机，相当于短信发播。当然也有遗憾，这种消息报了几天就没有了，因为没电了。当然，北斗1号耗电量比较大，这是不足的地方，也是具有优势的地方。北斗是第一个实现三频发播的卫星导航系统，美国人的GPS现代化要增加一个发播频率，因为民用用处很大，只有一个频率，消除不了电频层。当然第三频还有一个作用就是搜索。尽管美国人第一个提出来的，但是很可能我们是第一个实现的。美国人这么早提出来，为什么实现不了呢？可能是因为GPS系统已经发上去了，坏一颗就要发一颗三频卫星上去。如果全坏了，就是30颗。但库存卫星又不是三频的，从经济上考虑，可能也需要一段时间。但是，我们现在就是三频发射上去的。这是优势，但也有不足。

第一个是GEO卫星工作期间有断点，按照规定GEO需要轨道微调，因为天上只有一个赤道，所有通讯卫星都挤在圆弧上，国际电联有规定，每个卫星向左右不能偏出一度，卫星一旦偏0.1度，就要马上调整回来，这是按照规定必须做的。这样调整的一段时间就会影响到定轨精度。轨道调整的时间是两天到三天，也需要这段时间进行数据校准。那么，这两三天怎么办？卫星不能用了，就是一个大问题。对于这个问题，现在的办法就是快速定轨，但是精度要差那么一点，并不是不能用。随后的调整工作仍要继续，争取用更短的时间，尽量缩短工作断点。通过系统级广域差分，新轨道广域差分不需要很长的时间，很短时间内就可以测出来，甚至几秒钟就可以测出来。一旦发生轨道微调，就可以使用这套系统及时发布修正值。这需要更高的数据更新率，原来不太适用，现在的技术可以解决。

第二个是位置报告或者短信通信含有小功率的发射，相比北斗1号时间压缩得更短了，而且资源有限。北斗1号可以发短报文，但用户真的这么做，却发现容量不够。那个时候说是150万次/小时，但是按小时数再除以3600秒，每秒的服务量并不多。如果大家都要用，就堵塞了，无法提供此项服务。北斗2号就有很大改进。另外，还存在一个问题，就是发射功率容易引起暴露。从军事上来讲，就是很容易被对方侦查到，或者有被侦查到的可能。再有就是功耗体积不容易降下来，解决的办法就是按需求分配。并不是所有的用户都需要报告，也不是所有的用户都需要短信，这样就不必生产这种接收器。用户也不是每秒都需要发报，或者每分钟都要报告。汽车行驶途中，三五分钟报告一次就足够了，有的甚至半小时都没有移动，比如严重堵车的时候。那么，指挥全球系统，更没有必要几秒钟就报告一次，也是按需求分配。同时，要合理控制和利用资源，因为空间资源是有限的。可能忽然之间短信都不能发了，这不是笑话，真有这种情况。

另一个问题是，局部地区的信号功率增强逊于GPS。比如，在天津地区，GPS可以增强30分贝，北斗只能增强15分贝。同样的道理，抗干扰能力也不如GPS，这个可以留待后续改进。再有就是一些技术细节和衔接的问题。作为一个复杂系统，需要有一个发现问题并改进问题的磨合期。并不是系统发到天上，就能完全完成系统指标，复杂系统本身不大容易做到这一点。我国的技术指标基本上是按照美国GPS的指标来定的，但是美国人从发射卫星开始，至达到所谓的技术指标，也是在发展二三十年之后，一开始不仅没有目前的精度，而且也没有目前的性能，这需要耐心。当然也有性急的同行，急于将北斗和GPS放在一起对比，结论是北斗不如GPS，这个判断是不适当的。北斗做实验的时候是5颗卫星，GPS是12颗卫星，这就不能做对比。也就是说北斗系统还没有GPS成熟，当然就需要一定的磨合期。

北斗的优势是区域优势

2020年要搞的全球系统，是区域增强的全球系统。关键区域的精度最好、性能最好，两方面都要超出其他地区。不论是我国区域内的军用，还是民用，都增强到类似GPS系统的27颗MEO全球卫星的精度，IGSO和GEO两个区域星座的叠加，性能会提升很多。比如说，GPS卫星27颗可以全都看到，再叠加8颗卫星，就可以看到35颗卫星。星际链路示意，卫星对卫星进行测距，就构成一个高精度的多面体，监测站观测可以看得见，中心站对诸卫星进行定轨，这是一种模式。另外一种模式就是对卫星地面的标靶，主卫星对诸卫星定轨，计算各个卫星的轨道再发给各个卫星，这个跟踪方式比地面站跟踪更高，因为天空中卫星对卫星的观测没有大气的影响，而且频率更高，可以很稳定地工作，也就意味着分辨率增高。这两种模式究竟采用哪一种，现在仍在讨论。这也是美国人首先提出来的，到现在快30年了，称为卫星自主定轨。但是到现在为止，并没有像样的成果公布。测距很容易实现，但是跟地面建立不起联系，从坐标系统的定义来讲，只进行测距是相视性，就是可以转和跑，但是跟地面没有联系。从轨道来讲，没有定向。距离地球这么远的卫星，卫星与卫星之间更超过地球与卫星的距离，定向是非常困难的，精度是千分之几秒，理论上太空望远镜可以做到，但是如果每颗卫星都装上太空望远镜，成本和工艺都是大问题。美国人认为，理论上可以做到自主定轨，但是代价比较大。我国不是为了自主定轨，而要解决的是不能全球布站的问题。我们是把问题简化了，指标落地了。为什么不提自主定轨呢？现在，很多人还在提我们是自主定轨，其实并不完全是，主要是靠地面站。美国的出发点是什么？一旦地面站遭到对方攻击，就可以自主定轨，不影响导航。但是，如果卫星被打掉了，怎么搞自主定轨？情况变了，观点也要跟着变。

十年来，我们的原子钟取得快速发展，预计2020年能实现突破。

再说一说与北斗相关的产业。问题是列出来了，但这需要既懂得北斗系统，又要对产业与用户很熟悉。与其他系统相比，北斗的优势是区域优势，不是全局优势。就像解放战争的时候，国民党兵力是200万，共产党兵力是30万。就全局来讲国民党有优势，但是在局部，共产党聚集了大量兵力，这样就取得局部优势。北斗的优势，目前来看就是区域优势，并不是全面比GPS如何如何，而是在关键区域和GPS相差不大，甚至更强。北斗比较安全，举一个例子，现在的通讯系统，不管是GSM还是CDMA都需要时间同步和频率校准，用的都是GPS。一旦GPS受到干扰，时间同步就不行了，系统就不工作了。而我们具备开发双系统应用的有利条件。双系统就是我的模片既可以做GPS又可以做北斗，并不是做两个系统。去年有一个学者说，做双系统是北斗“傍大款”。这个问题不能这么说，双系统应用最早是美国人先搞的，那是GPS和另一个系统双应用。双系统一方面是一个系统出问题，另一个系统可以马上做补充。当然，两个系统同时用，性能会提高很多。大体上说，用户并不大关心精度是7.8米还是8.7米，但是很关心在北京很好用，在天津为什么就不行。通过实验发现，GPS高度角大于35度的卫星，需要四颗才能定位。在城市会经常出现这样的问题，在战争环境的复杂地形条件下也容易出现这样的问题。实际上，俄罗斯的GLONASS在1990年一开始，就是双系统。所以说，“傍大款”的说法，笔者是不能同意的。应用双系统比任何一个单系统都更具有优势，不单纯的是补缺。国内目前有唯一的广域差分，之前国内的广域差分没有健全，GLONASS根本就没有。我们还可以对GPS和伽利略进行差分。

对于相关产业来讲，希望能充分利用北斗系统的优势，来创造优势产业!

笔者所说的性能优越包括两个方面：一个是接收机、用户系统的性能更好；一个是产业自主权。这是已经心里有数的，但整体性能如何，还需要实践检验，要有一段时间的磨合期。

作为一个复杂系统，需要有一个发现问题并改进问题的磨合期。并不是系统发到天上，就能完全完成系统指标，复杂系统本身不大容易做到这一点。我国的技术指标基本上是按照美国GPS的指标来定的，但是美国人从发射卫星开始，到达到所谓的技术指标，也是在发展二三十年之后，一开始不仅没有目前的精度，而且也没有目前的性能，这需要耐心。

（编者后记：今年7月2日，许其凤院士因病逝世。特发此文，谨表哀悼！