【技术·航天】北斗系统在导航和通信领域的跨界融合与发展

今天是5月17日——世界电信日,1969年,这一天被确定为世界电信日,主要是纪念1865年国际电联的成立,同时强调信息通信技术在国民经济发展和人民生产生活中的重要作用。上世纪末以来,世界各卫星导航系统和应用产业不断发展,卫星导航凭借广泛的产业关联度以及与通信产业的高度融合度,已有效渗透到国民经济和社会发展的诸多领域,成为高技术产业高成长的助推器。在交通运输领域,车辆、船舶等通过卫星导航系统定位,并利用信息通信手段实现车联网、船联网广泛互联;搜索救援领域,人员遇险时,通过卫星导航获得位置信息,并利用通信手段向相关部门呼救与报告位置;测量测绘领域,通过星基地基增强实现高精度定位,并在野外和偏远地区作业时自动回传测量信息等等。

北斗卫星导航系统作为我国自主研发建设的全球卫星导航系统,作为联合国认可的全球四大核心卫星导航系统之一,卫星导航与通信融合的特点尤为突出。北斗定位加短报文通信的特色设计,让用户既能知道“我在哪里”,也能知道“你在哪里”。这种功能非常适合公交车、客货车、渔船以及野外作业人员等的调度和监管服务,尤其在沙漠、山区、海洋等人烟稀少地区实施抢险救援时,北斗通过导通融合功能可及时报告所处位置和灾情,有效缩短救援搜寻时间,提高抢险救灾时效性。

近年来,北斗导通能力高度聚合,服务能力逐步升级,“北斗+”,强化北斗导通融合服务特色;移动通信、互联网、卫星通信等信息通信领域广泛应用北斗,“+北斗”,培育产业导通融合新业态

一、导通高度融合、应用效益显著

北斗系统可提供六大服务,包括全球定位导航授时、全球短报文通信、区域短报文通信、国际搜救、星基增强和精密单点定位,其中短报文通信一直是北斗系统的特色服务。正如北斗卫星导航系统的新闻发言人、中国卫星导航系统管理办公室冉承其主任所言:“其他卫星导航系统只是告诉你什么时间、在什么地方,而北斗系统除了让你自己知道在什么时间、什么地方之外,还可以将你的位置信息发送出去,使你想告知的其他人获知你的情况,解决了何人、何事、何地的问题。”

2000年,北斗一号建成,基于地球静止卫星(GEO)采用卫星无线电测定业务(RDSS)体制为我国及周边地区提供定位、双向授时、短报文通信和位置报告等服务。北斗二号、北斗三号先后继承了这一体制和特色服务,并不断升级,大幅提高系统容量、降低用户功耗、提升用户体验。北斗短报文通信服务,在交通运输、农林渔业、气象预报、水文监测、测绘地理信息、减灾救灾等各领域均取得较好应用,在2008年汶川地震救灾、2012年中菲黄岩岛对峙、2020年抗击新冠疫情等重大事件中发挥了重要作用。

刚刚过去的5月12日是国家防灾减灾日,2008年5月12日汶川发生里氏8.0级特大地震,灾区移动通信基站损毁破坏严重,地面通讯设备无法联通。汶川变成信息孤岛,灾区消息出不来,外部救援进不去,受灾群众危在旦夕。转机发生在震后的第22小时,一个红点突然出现在指挥中心监控屏幕上:“沿着马尔康、黑水的317国道急进汶川”,这是一支奉命携带北斗终端前往灾区的武警救援部队,汶川灾区的情况第一时间由北斗传回,为指挥部的决策提供了重要依据。之后一批批震中救灾信息由北斗短报文功能传递出来,加装在抗震救灾直升机上的北斗设备,更是有效解决了山区复杂环境航迹监视、通信联络等问题,提高了飞行安全系数,为打赢抗震救灾攻坚战发挥了重要作用。

汶川地震中北斗第一时间传递救灾信息

2012年中菲爆发的黄岩岛对峙中,北斗短报文功能再立新功。面对菲律宾军舰对我在黄岩岛避风渔船不断袭扰,我渔船迅速使用北斗终端短信功能呼救,国家海洋局接到呼救后,迅速安排正在附近执行南海定期维权巡航执法任务的中国海监船编队赶赴该海域,对渔船渔民实施现场保护。当天傍晚,两船在环礁缺口处横在菲律宾军舰前面,阻止菲军小艇进入礁湖。菲军士兵退回军舰,之后未再对中国渔船进行骚扰。同时,在美济礁执行守礁任务的中国渔政船,接到呼救后也立刻出发,赶往300海里外的事发现场实行护渔。目前,北斗定位与短报文通信的导通融合功能,已在海洋渔业广泛应用,尤其在远海区域没有移动通信基站且卫星电话费用昂贵情况下,渔民通过北斗短报文向家里报平安,开展渔业生产,进行紧急求救是既经济又安全的不二之选。北斗成为远洋渔民便捷可靠的新选择,成为渔民新的海上保护神。

黄岩岛对峙中北斗导通融合功能助力渔船求助

2020年初全国抗击新冠肺炎疫情中,北斗系统快速响应、全面融入疫情防控主战场,担当科技抗疫先锋。北斗导通高度融合的应用服务,在武汉雷神山和火神山医院快速建设、无人机精确喷洒消毒、医疗物资物流准时配送以及复工复产后国内600余万辆交通营运车辆运输监管和信息服务中发挥了重要作用。

北斗卫星导航服务助力科技抗疫

疫情期间,为更好地对特殊时期医疗废物进行监管,湖北武汉成立全市医疗废物处置调度指挥中心,采用了基于“互联网+北斗”的医疗和防疫废弃物智能监管平台,有效助力医疗废物从产生量、到存储量及转运、处置量变化情况反馈,实现了对医疗废物全过程数据透明化实时监管。采用点对点方式,确定医疗废物“在哪里产生、产生多少、由谁运、何时运、运到哪里”问题,保证了医疗废物安全高效转运处置,杜绝二次污染及次生灾害。

北斗是目前世界上唯一可进行短报文通信的全球卫星导航系统,这是其他系统不具备的,即使没有移动通信也可以发短信。

由于导通融合的高度关联性以及带来的高增益,世界各卫星导航国家也陆续在各自全球和区域导航系统中积极开发短信功能。其中,印度导航星座系统在提供定位服务的同时,增加了短消息服务,并支持通过互联网网络接口发送短消息;日本准天顶系统可提供地震、天气等灾害预警信息传输;欧洲也在与日本准天顶系统联合开展早期告警服务试验,计划在下一代伽利略系统中提供相关服务。

二、导通标准先行,移动终端标配

我国拥有巨大的卫星导航产业应用与服务市场,14亿多人口更是形成了世界上最大的移动通信市场、世界上发展最快的互联网用户群体和汽车市场。这些市场不仅彼此关联密切,又都与卫星导航和信息通信息息相关。据统计,2019年底我国手机网民已达8.47亿,入网率已由2018年的98.6%提升至99.1%。2019年第一季度,在中国市场申请进网的手机中,70%的手机支持北斗定位。预计2020年,国内支持北斗的智能手机出货量将超过3亿部。2020年6月,随着北斗三号系统全面建成,北斗位置服务将迎来业务爆发期,后续随着5G商用时代的到来,北斗向用户提供更加精准快捷的导航位置服务,更是如虎添翼。

北斗在移动通信终端市场的占有率不断提高,北斗日益成为具有定位导航功能终端设备的标准配置,这很大程度上归功于国内相关行业主管部门、移动通信终端、芯片厂商和研究机构在推动北斗国际国内移动通信标准化方面的工作成效。

众所周知,国际移动通信领域,第三代合作伙伴计划(3GPP)、开放移动联盟(OMA)、第三代合作伙伴计划2(3GPP2)等国际标准化组织最具影响力。3GPP导航定位标准体系中,共包含了技术标准、性能标准和测试标准三类,分别对导航系统的技术方案选择、性能的最低参数要求,以及定位终端的测试评估等内容进行了定义和分析。目前,中国卫星导航系统管理办公室联合工业与信息化部,依托中国信通院等机构,已在3GPP上完成了北斗B1I信号26项国际标准的制定。2018年9月,3GPP无线接入网络工作组全会通过了北斗三号系统提案,将北斗三号系统新信号列入了标准制定计划。

2018年中国代表在3GPPP会议提出北斗全球新信号标准化建议

在积极推动标准制定的同时,鉴于网络辅助北斗位置服务平台在产业应用的重要性,中国信通院于2017年发布了网络辅助北斗/GPS位置服务平台,支持95%以上商用芯片及终端的北斗/GPS/GLONASS定位方式,提供全面、可靠和高性能的全星座快速定位服务。与传统定位方式相比,利用辅助北斗定位平台进行导航,这也是目前大家常说的A-北斗,可使终端在接收卫星信号的基础上,与地面基站进行通信,通过平台获取辅助信息,不仅可将终端首次定位时间缩短85%以上,而且定位精度相对较高,功耗更低,可极大地提升用户体验。

三、申请加入GMDSS,保障生命安全

北斗短报文服务区域覆盖亚洲及周边海域,可以向用户提供全天时、全天候报文和广播通信服务,不仅丰富了海上安全通信手段,还大大提升了海上遇险搜救能力。为在生命安全领域有更大的用武之地,北斗短报文服务系统,积极申请加入全球海上遇险与安全系统(Global

Maritime Distress and Safety System,GMDSS),致力成为最高等级的“生命守护神”。

GMDSS概念示意图

GMDSS作为一个用于遇险、安全和救助行动的综合通信系统,是国际海事组织(International

Maritime

Organization,IMO)用于改善现行海上遇险与安全通信,建立新的搜救通信秩序,并进一步完善现行海上常规通信的一套全球性的海事通信系统。

2018年6月,国际海事组织批准北斗短报文服务系统加入GMDSS的申请,2020年1月,北斗加入GMDSS预评估提案顺利通过了IMO航行安全、通信与搜救分委会会议的审议,后面将进一步由国际移动卫星组织开展技术与运营评估。

四、按照电联规则,拓展频率资源

空间频率轨位资源是建设和发展空间系统必备的宝贵战略资源。为了拓展卫星导航频率资源,北斗系统积极开拓新的卫星网络资源。2000年,与欧洲伽利略系统联合在国际电联(ITU)框架下,成功拓展了新的导航频率资源(1164-1215MHz,1260-1300MHz)以及C频段资源。

北斗积极在国际电联拓展卫星导航频率资源

按照国际电联无线电规则,2007年4月14日,我国按期发射首颗北斗二号卫星,在我们自己拓展的资源上,为中国北斗赢得了“太空国土”,获得了对新增频率资源的合法使用权。这些资源的获得,为北斗系统提供多样化服务奠定了重要基础。2015年3月31日,我国发射北斗三号新一代IGSO试验卫星,在国际上率先开展C频段导航信号在轨试验。

在获得前述频率资源使用权的同时,中方针对北斗短报文下行S频段(2483.5MHz-2500MHz)在全球部分区域为主要业务、部分区域为次要业务的RDSS业务地位,积极争取全球范围主要业务地位。经多年艰苦协调和多方斡旋,2012年世界无线电通信大会(WRC-12)终于通过了将该频段在全球划分给作为主要业务的RDSS业务的决议。2015年7月25日,我国发射北斗三号新一代MEO试验卫星,搭载S频段导航信号,开展在轨试验验证,获得了对S频段RNSS业务频率资源的合法使用权。这些都是中国北斗为世界卫星导航做出的重要贡献。

2012年世界无线电通信大会闭幕,中国代表团取得丰硕成果

五、导通跨界融合,未来空间广阔

今天是世界电信日,也是国际电联成立155周年纪念日。2020年,随着世界各主要卫星导航系统全面建成、全面升级,卫星导航技术和应用将更加蓬勃发展;同时,信息通信技术也历久弥新,加速更新换代,导通融合空间更加广阔

北斗与5G移动通信融合,可以让广域或全球分布的物理设备,在时空感知的基础上具有计算、通信、远程协同、精准控制和自治等功能,为实现万物互联愿景打下坚实基础;低轨通信星座发展如火如荼,北斗与低轨通信卫星的进一步融合,也将带来更多新赋能,实现独立的备份定位导航能力,提升用户捕获灵敏度,缩短定位操作时间,获取更高辅助定位能力等等。

卫星导航和通信的深度融合也将为国家新基建带来新机遇。北斗高精度时空信息基础服务,将成为助力国家新基建发展的新翼。包括,加快北斗与5G、物联网、工业互联网、低轨卫星互联网等为代表的通信网络基础设施,与人工智能、云计算、区块链为代表的新技术基础设施,与交通基础设施、能源基础设施等的融合应用。

跨界带来更多可能,跨界带来1+1〉2的新增量,未来,卫星导航和通信跨界融合的新能力,将不断催生北斗导通融合应用的新模式、新业态、新经济,更好的惠及全球用户。

作者:卢鋆 郭夏

图片:网络

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