無(wú)盡的星空就像一本無(wú)字的天書(shū)，
閃爍的繁星不僅給我們光芒，
還給了我們導航。
楊元喜 · 中國科學(xué)院院士
格致論道第97期 | 2023年5月27日 北京
我們人類(lèi)認識事物的變化，都是從時(shí)間和空間開(kāi)始的。我們的日常生活、每天的出行都需要導航和定位。約會(huì )時(shí)必須要明確是什么時(shí)間、什么地點(diǎn)。去購物、尋醫甚至如廁，都要大概知道應該往哪個(gè)方向走。這就叫定位導航和授時(shí)，我們把它叫做PNT，P是Positioning（定位），N是Navigation（導航），T是Timing（定時(shí)）。現代城市的高效運行同樣離不開(kāi)時(shí)空。沒(méi)有時(shí)間，就沒(méi)有穩定的電力。沒(méi)有電，大家想象會(huì )是什么樣？沒(méi)有時(shí)間，我們的5G通訊就可能中斷。在座的各位如果沒(méi)有手機，今天該怎么工作？同樣地，我們的金融系統、網(wǎng)絡(luò )通訊系統也可能會(huì )癱瘓。我們的物流、交通、無(wú)人駕駛以及無(wú)人機的編隊……哪一項能離開(kāi)時(shí)間，哪一項能離開(kāi)空間呢？戰爭也離不開(kāi)時(shí)空。無(wú)論是古代戰爭還是現代戰爭，哪一場(chǎng)戰爭能離得開(kāi)時(shí)間和空間？單兵作戰、集團作戰、聯(lián)合作戰、武器載體、指揮平臺等等……沒(méi)有時(shí)間沒(méi)有空間，怎么聯(lián)合？任何一場(chǎng)戰爭，首先得知道我們往哪兒打，我們自己在哪里，我們的友鄰部隊在哪里，我們如何才能打到那個(gè)地方去，我們什么時(shí)間開(kāi)始行動(dòng)。大型工程離得開(kāi)時(shí)間，離得開(kāi)空間嗎？同樣離不開(kāi)。所有大型工程的運行都需要位置，國家的高速公路、高速鐵路的建設能離開(kāi)位置嗎？大型的水利工程不但要位置，還要知道它的高差有多少?？偛荒茏屗畯牡吞幫咛幜靼?？“一帶一路”工程建設，我們不但要公路、鐵路、航路、水路，還要有信息高速公路。這些都離不開(kāi)時(shí)間和空間。因此，我想給大家匯報一下“定位導航”和“定時(shí)”。我們每時(shí)每刻都在定位、導航與定時(shí)首先我要回答一下什么叫導航。導航就是確定當前位置和目標位置，并參照地理、環(huán)境信息修正航線(xiàn)、方向、速度抵達目的地的手段。什么叫定時(shí)？定時(shí)就是利用外部授時(shí)信息和自身守時(shí)信息共同確定時(shí)間的過(guò)程。各位手上拿的手機，有授時(shí)也有守時(shí)，也有多種定位方法。那么我們的問(wèn)題是——定位就是導航嗎？定位不等于導航。定得了位，不一定導得了航。定位要加上制導或者參照，才叫導航。那么定時(shí)呢？能夠隨時(shí)獲得外部的時(shí)間信息再維持時(shí)間信息，還能傳遞時(shí)間信息。這個(gè)是定時(shí)。所有的人來(lái)到這個(gè)會(huì )議室之前，都導過(guò)航吧？你可能說(shuō)這里我很熟悉。但即使你再熟悉，你也得用視覺(jué)觀(guān)察你的路徑，然后和你大腦里面記憶的那個(gè)路徑做景象匹配。這個(gè)叫做匹配導航。所以我們日常生活中每時(shí)每刻都在用導航能力。▲上：司南、羅盤(pán)
下：懸掛式指南針、指南龜早在大約公元前2697年，我們的祖先們就發(fā)明了導航的裝備——指南針。我認為這是我們中國人對國際導航事業(yè)做出的極大的貢獻。后來(lái)，他們利用地磁場(chǎng)的南北極屬性，把兩極的磁體組成一個(gè)羅盤(pán)。有了羅盤(pán)就可以指方位，指出方位就能知道我和北方向大概差多少方位角。這樣就可以定向。秦漢時(shí)期，中國和朝鮮、日本的海上往來(lái)；隋唐五代，中國和阿拉伯“絲綢之路”的往來(lái)；以及宋代南太平洋和印度洋大洋上大量的中國商船，都是靠指南針導航和天文導航。明初航海家鄭和七下西洋靠什么？靠指南針，靠天文導航。說(shuō)到天文導航，其實(shí)無(wú)盡的星空就像一本無(wú)字的天書(shū)。閃爍的繁星不僅給我們光芒，還給我們導航。星體本身是按照特定的規律在運行的。如果我們把這個(gè)特定的規律制成星表，就可以通過(guò)觀(guān)測某一個(gè)恒星或者幾個(gè)恒星的位置知道自己的經(jīng)度、緯度。在浩瀚的海洋、在無(wú)垠的大漠、在群山峻嶺當中，看星星、看太陽(yáng)就能定時(shí)，就能定位。所以，天文導航就是通過(guò)觀(guān)察太陽(yáng)和其他恒星的位置來(lái)確定地面點(diǎn)的經(jīng)度和緯度。有個(gè)美好的傳說(shuō)，有一天，福建泉州漁民劃著(zhù)小船在海洋上打魚(yú)。當他們打了一船魚(yú)高高興興地想回碼頭的時(shí)候，天空一片漆黑。這對漁民來(lái)說(shuō)幾乎是災難，他們沒(méi)有任何自救的能力。好在很短暫的狂風(fēng)暴雨之后，天空一片晴朗。漁民們看到了北極星，興高采烈地唱著(zhù)漁歌，回到了碼頭。為什么？因為有北極星，他們就能大概知道碼頭的方向，向那個(gè)方向行駛就可以。實(shí)際上在隋朝，我們的國家已經(jīng)發(fā)明了日晷。大家到了北京，會(huì )發(fā)現那里的古建筑中有很多日晷，我這個(gè)圖就是在那拍的。日晷它可以分為平面晷和斜晷。斜晷是黃赤交角23°角的晷，可以通過(guò)測晷影的方向來(lái)定時(shí)間，通過(guò)測晷影的長(cháng)度來(lái)定緯度。觀(guān)察日影的方向，還可以確定太陽(yáng)時(shí)。在元代，我們的祖先們就已經(jīng)建了27處天文觀(guān)測站。這些觀(guān)測站可以測黃道和赤道的交角。郭守敬主編了《授時(shí)歷》，把一年分成365.2425天，和現在相差無(wú)幾，非常精確。從公元1281年頒行，《授時(shí)歷》延用了400多年。這也是我們祖先對時(shí)間的貢獻。當然，導航還有慣性導航。它可以利用慣性敏感器測量加速度，計算出速度，從而可以確定相對的位置、相對的距離。如果還有初始位置，那么我們就可以確定載體的動(dòng)態(tài)位置。慣性導航有很好的隱蔽性，在艦船飛機上被大量使用。還有一種導航叫匹配導航。我剛才說(shuō)，各位朋友來(lái)到這里都用過(guò)匹配導航。如果制成地圖，大家在一個(gè)陌生的地方通過(guò)看地圖找到要去的地方，這就是典型的匹配導航。其實(shí)匹配導航在古今戰爭里都被廣泛使用著(zhù)，甚至現在的巡航導彈都在用匹配導航。一旦北斗失靈、GPS失靈，就可以用地圖進(jìn)行匹配導航。世界上現存最早的以實(shí)測為基礎的地圖——駐軍圖，就是長(cháng)沙馬王堆三號墓出土的畫(huà)在帛上的地圖。在那個(gè)時(shí)候，那就是一張精確測量的軍事地圖。除了幾何導航之外，匹配導航還可以利用重力場(chǎng)、磁力場(chǎng)。世界上每一個(gè)地方的重力場(chǎng)都是不一樣的，每個(gè)地方對我們的引力都有微弱的不同。我們可以通過(guò)傳感器測引力、測磁力。測好的磁力的方格網(wǎng)上面有經(jīng)度、有緯度，用它們進(jìn)行匹配，就可以知道自己在哪里。在水下沒(méi)辦法找北斗導航的時(shí)候，就可以用磁力導航和重力導航。無(wú)線(xiàn)電導航就更不用說(shuō)，它可以測速、測向，包括了陸基無(wú)線(xiàn)電導航和星基無(wú)線(xiàn)電導航。北斗、GPS就是典型的星基無(wú)線(xiàn)電導航。我再跟大家簡(jiǎn)短匯報一下北斗導航。北斗導航在建設之初，遇到了很多的挑戰。作為國家重要的基礎設施的基礎設施，這是我的描述，它必須得做到自主、可控。“自主”就意味著(zhù)不能依賴(lài)他人的技術(shù)。因為依賴(lài)就得順從，就得受控制，就得交學(xué)費，就得看臉色。作為國家的空間基礎設施，還得要做到“可控”?！白灾鳌辈坏扔凇翱煽亍?。有的項目做到了自主，但是技術(shù)不可控。中國的北斗無(wú)法照搬GPS、Galileo（伽利略）等全球導航衛星系統（GNSS），因為重要的技術(shù)都有專(zhuān)利，我們要發(fā)展自己獨立自主的衛星導航系統就會(huì )面臨極大的挑戰。留給我們北斗人做的工作只有一條出路——創(chuàng )新。北斗系統建設不但要“標新”，還得“立異”。“標新”不光是追求表面的靚麗、追求名詞的新穎，還要追求技術(shù)的突破和性能的超越?！傲悺辈皇菫榱嘶ㄉ?，也不是為了嘩眾取寵，而是追求豐富的功能和鮮明的應用特色，否則就不可能有市場(chǎng)。因為前面有GPS、有GLONASS（格洛納斯）。所以沒(méi)有標新的設計，北斗就不可能有高性能；沒(méi)有立異的功能，北斗就不可能有市場(chǎng)。無(wú)論是“標新”或者“立異”，它都要求北斗衛星導航系統必須管用、必須有用、必須好用。這個(gè)好用不能只靠我們北斗人說(shuō)。北斗是個(gè)透明系統，全球的用戶(hù)都可以監測它，都可以對它做出評價(jià)，我們的評價(jià)有時(shí)候還不算數。在20世紀80年代，中國在決定構建北斗衛星導航系統之初，確定了“三步走策略”。第一步，解決有無(wú)問(wèn)題。我們把它叫做驗證系統BDS-1“北斗一號”。它只發(fā)兩顆衛星，是有源定位，從此解決了有和無(wú)的問(wèn)題。第二步，我們希望把有源和無(wú)源結合起來(lái)，于是發(fā)展了“北斗二號”。北斗二號服務(wù)于亞太地區，做到了有源和無(wú)源相結合。用戶(hù)不請求定位，它也能定位?！氨倍范枴痹?012年年底正式開(kāi)通服務(wù)。到了“北斗三號”，我們就做到了全球的定位導航，實(shí)現了區域到全球的突破。2020年7月31號，中國正式向全世界宣布：中國北斗衛星導航系統向全球用戶(hù)正式提供服務(wù)。這表明全球導航衛星系統體系里有了中國的衛星導航系統的貢獻。說(shuō)到衛星導航系統，大家是不是覺(jué)得太高大上了？是的，的確是高大上，因為它是高新技術(shù)。但是它又極其地簡(jiǎn)單。圖中畫(huà)的這些鐵塔就是我們的大地測量控制點(diǎn)。大地測量工作者先把這些點(diǎn)的位置測出來(lái)，衛星發(fā)射信號時(shí)地下所有的點(diǎn)就能接收它的信號，之后就可以測時(shí)間差、測距離，就可以把第1個(gè)衛星的軌道和位置算出來(lái)，第2個(gè)、第3個(gè)……直到把所有衛星的軌道和鐘差全部算出來(lái)。如此，汽車(chē)接收衛星的信號就可以導航。因為衛星的位置已經(jīng)知道了，再加上衛星的位置和時(shí)間差，我們解個(gè)四元方程還難嗎？不就是高中的解析幾何嘛。同學(xué)們就該說(shuō)了，這么簡(jiǎn)單的東西竟然需要那么多科學(xué)家花國家那么多錢(qián)。其實(shí)，在解決這個(gè)幾何問(wèn)題之前，我們還有其他的問(wèn)題要先解決。要把時(shí)間測準，得考慮原子鐘怎么研制；要把坐標測準，要知道坐標基準怎么來(lái)的……等等一大堆的問(wèn)題?？臻g信號位于太空當中，要傳到地面來(lái)還得解決電離層和對流層的延遲。除此之外，還得解決一大堆其他的物理問(wèn)題。“北斗三號”是由30顆衛星組成的。其中有3顆地球靜止軌道衛星（GEO），3顆傾斜地球同步軌道衛星（IGSO），還有24顆中圓軌道地球衛星（MEO）。我們在信號上做了創(chuàng )新設計，因為不能用GPS調制的信號，實(shí)現了全星座的星間鏈路。我們設計了區域短報文，還用支持1000個(gè)漢字通信的全球短報文，這樣特殊的用戶(hù)就可以使用北斗的短報文。我們構建了全球搜救，不但有一般的搜救功能，還設計了返向鏈路。這樣就能確保我們中心收到用戶(hù)的求救信號以后會(huì )給用戶(hù)反饋，告訴用戶(hù)我們收到信息了，還會(huì )告訴用戶(hù)大概在什么位置我能找到你。這樣就能確保用戶(hù)不會(huì )一直不停地發(fā)求救信號。大家知道，一個(gè)人遇到危機的時(shí)候，會(huì )有很強的求生欲望，所以就會(huì )不停地呼救，有時(shí)就會(huì )導致搜救隊員快到達的時(shí)候設備沒(méi)電。特別是在海洋上，經(jīng)常會(huì )因此搜救失敗。所以我們改善了一下，加了一個(gè)返向鏈路。另外我們還做了星基增強。GPS、GLONASS、Galileo都另外做一套系統。但我們北斗不同，我們把星基增強直接嵌入北斗衛星，可以支持飛機自行盲降。我們實(shí)現了自主定軌功能，構建了云平臺運控，讓北斗衛星導航系統不受單一系統的控制。北斗的3類(lèi)衛星星座中，GEO衛星的功能是最強大的。它除了PNT導航定位授時(shí)之外，還可以做星基增強，也可以做區域短報文服務(wù)，甚至可以做精密單點(diǎn)定位。傳統精密單點(diǎn)定位就是能通過(guò)國際互聯(lián)網(wǎng)，讓用戶(hù)獲得導航星座精密軌道和精密衛星鐘差，從而高精度的計算自己的位置。大家想想，假如我在荒漠、高原或者海洋，那個(gè)地方?jīng)]有5G，沒(méi)有網(wǎng)絡(luò )，怎么能得到這些信息？我們想了一個(gè)辦法，就是把這些信息直接上注到北斗的同步衛星上，然后通過(guò)同步衛星播發(fā)給用戶(hù)。這樣不就解決了嗎？這就是我們的一個(gè)創(chuàng )造，把精密單點(diǎn)定位嵌入到北斗衛星里面播發(fā)給用戶(hù)，所以用戶(hù)可以免費獲得高精度的定位。我們還有一個(gè)星座是55°傾角的傾斜軌道星座IGSO。這個(gè)星座不但可以給我們導航定位，還可以做其他的增強，也能參與全球短報文服務(wù)和國際搜救。這個(gè)衛星星下點(diǎn)主要是在中國和亞太地區畫(huà)“8”字。另外還有24顆MEO，它們的傾角也是55°，可以提供全球高精度定位，還可以提供全球短報文服務(wù)和國際搜救。在性能上，北斗目前的水平定位精度怎樣呢？我們有4個(gè)頻點(diǎn)在工作，2022年2月的全球監測結果顯示其中B1C頻點(diǎn)的定位精度是水平精度1.76m、高程精度3.14m，空間信號精度0.49m。和GPS比，我們更好。GPS的水平精度是2.23m，高程精度是4.28m，空間信號精度是0.85m。當然，我們比Galileo略差。在亞太地區，我們能達到的水平定位精度是1.32m，垂直精度2.14m；全球范圍內，能達到的水平精度大概是1.53m，垂直精度是2.59m。這就是北斗的服務(wù)性能，與GPS相當，甚至更優(yōu)，也優(yōu)于俄羅斯的GLONASS。在區域短報文方面，我們用了3顆靜止軌道衛星，使用戶(hù)可以在亞太地區使用區域短報文服務(wù)，也就是說(shuō)，用戶(hù)可以在沒(méi)有手機網(wǎng)絡(luò )信號的情況下用北斗的短報文通信。它對海洋、沙漠地區的用戶(hù)來(lái)說(shuō)極其地方便。目前服務(wù)上行容量是每個(gè)小時(shí)大概1530萬(wàn)次，下行是每小時(shí)935萬(wàn)次，成功率高達99.6%。我們的有源定位即RDSS，可以用于位置跟蹤，水平精度在10米左右。嵌入式的精密單點(diǎn)定位服務(wù)、星基增強，全球短報文、國際搜救，這都是北斗的特色功能。在應用上，北斗系統已經(jīng)嵌入了手機，各位現在的手機都會(huì )有北斗；嵌入汽車(chē)就可以支撐智能駕駛；嵌入高鐵，可以支撐高鐵的平穩運行；嵌入交通、艦船、互聯(lián)網(wǎng)、通訊、機械、農業(yè)、電力……都可以支撐我們社會(huì )的智能化運行。這個(gè)視頻是形變監測的示例。這種形變監測用GPS不靈，為什么？請大家注意那個(gè)天線(xiàn)（那個(gè)天線(xiàn)馬上掉下去了），它是個(gè)拋灑的北斗。拋灑出去后依靠北斗短報文，就可以不停地向中心傳輸這個(gè)地方的變形量信息。特別是當它自己“犧牲”了以后，還會(huì )把信息傳回來(lái)。這樣的好處是可以迅速預警。在危機情況下，哪怕提前1分鐘、提前20秒預警，也可以救很多人的命。這幾年在甘肅一帶已經(jīng)有大量的成功案例。目前的北斗已經(jīng)成功用于國家坐標框架的監測。我們生活的這個(gè)地球不停地在變化，北斗可以監測它每天的變化量。大家知道，珠峰登頂的人可以用GPS測高程，現在用北斗就更靈了。北斗可以在峰頂上進(jìn)行精密單點(diǎn)定位且不需要返工，在山頂上就能知道測得對不對。本來(lái)沖頂就這么一次機會(huì )，沖到頂測得不成功，回來(lái)再返工，這是不行的。但是利用北斗在山頂就可以確定測得成功不成功。更重要的是，北斗有一個(gè)特殊的功能。盡管沒(méi)有網(wǎng)絡(luò )的支持，登山隊員的整個(gè)登頂過(guò)程都可以被地面中心追蹤到。我們可以知道哪個(gè)登山隊員在什么地方，有全程的位置跟蹤，所以至少保證登山隊員不會(huì )失聯(lián)。曾經(jīng)中國到歐洲的班列上運輸的中國電腦、手機經(jīng)常會(huì )在半途中丟失，沒(méi)有一個(gè)火車(chē)站承認是自己的錯?，F在沒(méi)關(guān)系，那些設備上面都有一個(gè)北斗鎖。在哪個(gè)站丟失的、在哪個(gè)站被打開(kāi)過(guò)，全程有跟蹤。這靠的就是北斗的位置跟蹤和時(shí)間。在什么時(shí)間、哪一秒、什么時(shí)候被人動(dòng)過(guò)，都會(huì )有全程的記錄。用北斗還可以進(jìn)行精細農業(yè)。在廣袤的農村，特別是東北，不需要基站就可以做到厘米級定位。精準施肥、精準治蟲(chóng)，都可以用北斗精密單點(diǎn)定位。在海洋、民航領(lǐng)域，已經(jīng)開(kāi)啟了北斗替代GPS。瓊州海峽156座的航標已經(jīng)全部替換成了北斗。2020年底，南海海區已經(jīng)實(shí)現了北斗遙控遙測航標的100%的覆蓋。而且民航的波音737-800完成了北斗加裝審定。維護安全更不用說(shuō)了。索馬里護航的導航通信靠什么？那個(gè)地方?jīng)]有5G，北斗不但知道你的位置在哪里，還可以用短報文向總部進(jìn)行匯報。北斗可以搜救。我們有14萬(wàn)漁民，一旦在海洋上出現問(wèn)題，遇險的漁船把SOS信息發(fā)給北斗，北斗發(fā)送到衛星地面站，地面站發(fā)送到服務(wù)中心，服務(wù)中心聯(lián)系海上救援中心，工作人員馬上搜查，通過(guò)位置跟蹤就可以看到漁民附近有哪些船可以提供幫助，就可以進(jìn)行緊急救援。現在空間站的對接可以用北斗相對定位，相對定位精度是毫米量級的。還有之前發(fā)射火箭時(shí)不知道火箭殘骸會(huì )落在哪兒，需要疏散很多人?，F在不需要?；鸺厦嬗幸粋€(gè)北斗終端，可以精確地進(jìn)行位置跟蹤，就能知道它落點(diǎn)在哪里，甚至還可以控制它。北斗的產(chǎn)業(yè)這幾年獲得了極大發(fā)展。2023年《導航與位置服務(wù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的白皮書(shū)》上寫(xiě)道，2022年一年北斗的產(chǎn)值是5007億元人民幣，其中終端出貨量就有3.76億臺/套，含北斗的手機有2.64億部，含車(chē)載衛星導航終端大概1200萬(wàn)臺套。未來(lái)的“北斗”會(huì )如何發(fā)展？那么未來(lái)，有了北斗是不是可以解決一切？北斗有脆弱性。一旦被遮擋、被干擾、被隔絕，它就不能工作。所以我們在《中國定位、導航和定時(shí)2035發(fā)展戰略》里面，構建了一個(gè)以北斗為核心的，包括了深空衛星星座、北斗星座、地基增強系統、海底基站、陸基導航和低軌衛星的，基于不同物理原理且由多種信息源構成的、從深空到深海、無(wú)縫的定位導航和定時(shí)服務(wù)基礎設施體系。我們把它叫做“綜合PNT基礎設施”。有了基礎設施就解決問(wèn)題了嗎？解決不了問(wèn)題。假如用戶(hù)拿著(zhù)一個(gè)手機，你不可能把那么多信息都收下來(lái)，也不可能把深空拉格朗日星座、北斗星座、低軌星座、地基的信息都用來(lái)定位。此外還有慣性導航信息、磁導航信息、重力導航信息，信息太多，需要彈性集成。如果收不到北斗信號，就應該轉換成接收別的信號，做到彈性化。所以我們提出了一個(gè)“彈性PNT框架”。有了彈性PNT是不是就是最終模式呢？彈性PNT是一種高級模式，但是能不能從彈性PNT指向智能化PNT呢？這就是我們所提的，讓專(zhuān)家的“知”專(zhuān)家的“識”上升到“智”，上升到知識圖譜，上升到智能PNT。建設北斗衛星導航系統是中國人對國際世界衛星導航系統的重大貢獻，北斗衛星導航系統的創(chuàng )新設計成就了北斗的高性能，而北斗的特色功能又成就了北斗的特色市場(chǎng)。衛星導航有天然的脆弱性，所以希望在未來(lái)構建一個(gè)綜合的、從深空到深海、無(wú)縫的綜合PNT體系，再在這個(gè)基礎上構建彈性化的應用模式。在彈性PNT的基礎上，我們就可以把專(zhuān)家的知識加入進(jìn)去，變成智能化的PNT服務(wù)。讓我們共同關(guān)注中國的北斗，關(guān)注中國的PNT的基礎設施建設，為中國的PNT建設做出我們應有的貢獻。
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