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2023-11-23 09:48
科技

北斗标准被国际接纳,意味着什么?

过高依赖GPS这一单一系统,使得民航飞机的GNSS导航系统在面临一些特殊情况时就较为脆弱。例如巴以冲突中,以色列对东地中海地区的GPS信号进行欺骗式干扰,导致该区域内民航飞机的GNSS定位产生极大偏差,明明飞行在海面上,定位却出现在以色列北部,对区域航空安全产生不小影响。
北斗标准被国际接纳,意味着什么?
张仲麟

■自2000年10月第一颗北斗卫星发射上天之后,北斗卫星导航系统成为了GNSS系统中一颗冉冉升起的新星。它不仅仅继承了恒古以来北斗星指引人类的使命,更是在世界范围内扮演着越来越重要的角色。

而在距离首颗北斗卫星上天23年之后,2023年11月16日,北斗标准正式被国际民航组织采纳,列入《国际民航公约》附录10并正式生效,与GPS和GLONASS一同成为了国际公认的GNSS系统之一。

23年前,一颗北斗卫星孤独的在星空中闪耀,而23年后,在地球的每一个角落都能看到北斗卫星,收到它的信号。这不仅仅是中国航天事业的一大进步,也是全球GNSS系统的一次重大革新,更是给全球民航体系增加了新的安全保障。

为什么要构建北斗系统

作为广袤地球上生活的一员,人类自文明起源之初就对定位与导航有着极为强烈的需求,也因此发明了一系列的手段来定向与定位,中国四大发明之一的指南针就是其中之一。

对幅员辽阔的中国来说,拥有一种可靠的、大范围的、精确的导航系统尤为重要。早在上世纪七十年代,中国就立项了灯塔导航卫星项目也即691项目,利用卫星的无线电信标进行测向和定位,但由于各种原因灯塔项目在1980年下马。而随着美国GPS系统与苏联/俄罗斯的GLONASS系统投入使用,并在军事及经济领域发挥巨大作用,中国自己的GNSS系统又被提上日程。

GNSS系统对一般国家而言是个昂贵的奢侈品。一方面,建立一个全球GNSS星座,需要至少24颗卫星才能覆盖全球,如果考虑到卫星到寿轮替、备用星、地面站以及巨额的研发费用,单独建立一套GNSS系统对一般国家来说并不经济。

另一方面,很多国家觉得有现成的美俄GNSS系统,并且民码免费开放给所有用户使用,为啥还要费大力气自己再搭建一套呢?何况建立GNSS系统需要极强的航天能力。

也因此,对印度、日本这类国家来说,在现有GNSS的基础上搭建一套辅助GNSS来提高区域精度,是更为现实的选择,如日本的QZSS准天顶卫星系统是用来补充日本地区GPS精度,使用专用终端能达到极高精度。而印度的IRNSS(印度区域导航卫星系统)从名字上就可以看出是个专门用于南亚次大陆及印度洋地区的卫星导航系统,而非全球性卫星导航系统。

对于地区强国来说,基于现有GNSS系统进行针对性补充或者搭建区域性卫星导航系统,就已经足够使用了,但是对于真正的大国来说,必须得有自己的GNSS系统。纵使目前美俄的GNSS系统在民用领域是开放的,但是这种新时代的“关键基础设施”如果没掌握在自己手上,就很容易受制于人。

而且考虑到GNSS在军事领域的巨大用途以及各GNSS系统的军码是高度机密的,因此对于真正的大国来说,建立一套自己的GNSS系统不仅仅可以展示自己的航天技术实力,更是战略自主性和国防及国家安全的关键。

事实上,依赖他国的GNSS系统意味着关键时刻会面临服务受限或者中断的风险,而对一直在进行东南方向军事斗争准备的我国来说,依赖他国GNSS(尤其是GPS)将有极大可能在未来的摊牌时刻陷入巨大的被动之中。

也因此,上世纪九十年代初我国就着手立项建立自己的GNSS系统也即北斗系统。北斗系统也是秉持着我国一贯的小步快跑策略,除了实验性的第一代北斗之外,投入实用并在2012年完成搭建的第二代北斗是先以中国及亚太地区为服务核心,并在随后的第三代北斗(BDS3)中覆盖全球,于2020年正式完成BDS3的搭建。这使北斗系统从一个区域卫星导航系统变成了真正意义上的全球卫星导航系统。

北斗算是什么水平?

虽说是最新的GNSS系统,但是由于诞生的比较晚以及商业化开发不足,使得北斗系统在全球范围内的民用应用并不大。尤其在几十年GPS系统成熟的生态与产品所产生的路径依赖之下,国外并没有多少用户使用北斗系统的动力,主要用户还是集中在国内尤其是专业用户。

但这并不代表北斗系统不如GPS与GLONASS系统,作为2020年才完成搭建的系统,本身就具备着一定的后发优势,而且从客观规律来说。更新的技术、更高的星座密度必然会带来更好的导航精度。毕竟北斗三代是基于24颗MEO(中轨道)卫星、3颗GEO(地球同步轨道)卫星与3颗IGSO(倾斜同步轨道)卫星所建立的系统,相比GPS和GLONASS多了GEO与IGSO轨道卫星,而这6颗同步轨道卫星是为了加强区域信号以获得特定范围内更好的精度——当然我们都猜得到,这是用来加强东亚与西太地区的北斗精度。

而目前由于处在北斗二代与三代同时使用的阶段,这就使得天上的北斗卫星星座密度处于一个极高的水平,简单点说就是目前天上北斗卫星数量(含6颗实验星一共62颗)比GPS(32)和GLONASS(24)加起来还多。当然光说数量不够具体,我们不看说明书看疗效,毕竟GNSS系统最终还是得看定位精度,而某一区域里有多少颗星覆盖,也一定程度上代表着信号强度与定位精度。

如果我们查看中国卫星导航系统测试评估研究中心实时显示的各GNSS系统关键指标,就能发现不少有意思的事。以可见卫星数这一指标为例,可以看到北斗系统除了南北美洲部分地区之外,其他地区可见星数都保持着一个极高的水平。而亚洲地区的可见星数格外高,一方面是北斗三代本来就加强了亚洲地区的卫星,另一方面则是专注于亚太地区的北斗二代也还在使用,导致可见星数密度极高。

而GPS系统可见星数分布就较为均匀,作为使用最久也最成熟的GNSS系统,其32颗卫星构成的星座确保地球每一处都有着堪用的可见星数。而俄罗斯的GLONASS就显得有些一言难尽了,大量地区处于可见星数较少的状态,也算是侧面反应了俄罗斯GLONASS系统的现状。

当然可见星数只是一个侧面指标,最直观而且最重要的指标还是定位精度了,而在GNSS系统中所使用的指标就是位置几何精度因子(PDOP),在用户测距误差一定的情况下,PDOP越大定位精度越差,PDOP越小定位精度越高。

从数据中可以看到,北斗系统在全球大部分区域定位精度高于GLONASS,与GPS相当,但在印太区域是精度最高的。这也是得益于北斗系统中GEO及IGSO轨道卫星对印太地区的区域性加强。以PDOP这一关键指标而言,北斗系统具备了全球大部分区域与GPS相当,印太地区强于GPS的能力。至于欧洲的伽利略系统,从测试评估研究中心未收录其性能情况一事就可见一斑。

北斗标准被国际接纳代表着什么

自2010年中国向国际民航组织提交北斗系统标准开始,时隔13年之后终于纳入国际民航组织的标准之中。此前国际民航所采纳的GNSS系统标准只有GPS与GLONASS,但由于GLONASS在世界大部分地区的定位性能不如GPS,加上GPS有着更好的商业化应用,使得实际使用中依然是以GPS为主。

过高依赖GPS这一单一系统,使得民航飞机的GNSS导航系统在面临一些特殊情况时就较为脆弱。例如在巴以冲突中,以色列对东地中海地区的GPS信号进行欺骗式干扰,导致该区域内民航飞机的GNSS定位产生了极大的偏差,明明飞行在海面上,定位却出现在以色列北部地区,对区域航空安全产生了不小的影响。

而随着北斗系统的加入,使得民航GNSS系统有了不亚于GPS的选择,纵使以色列可以在某些大国的暗中协助之下,对GPS进行大范围的欺骗式干扰,但对北斗系统进行大范围欺骗式干扰就没那么容易了。

随着北斗系统加入民航GNSS导航体系,使得全球航空导航体系不再局限于某一单一系统,极大的提升了整个系统的鲁棒性和稳定性。一旦由于各种原因GPS系统或其他GNSS遇到干扰或者不可用的情况,北斗系统就可以提供备用的导航服务,增强整个航空体系的安全性。而且在亚太地区,北斗系统优于其他GNSS的定位精度,无疑可以更好地为该区域内飞行的民用航空提供定位服务。

北斗系统特有的短报文上传系统,在航空领域也有着极大的应用空间。就以至今依然不知去向的MH370航班,如果在飞机的GNSS导航系统中配置北斗系统并定时上传位置信息报文(如每十分钟一次),那么对失联飞机的搜索工作来说,就可以极大地缩小搜索范围了,也就可以更快地开展搜索工作。更不用说在一些现有空地信息交换系统(如ACARS、VHF等)无法工作的偏远地区(如南印度洋、南大西洋等),北斗短报文可以充当一种紧急时刻的替代通讯手段。

而国际民航组织也意识到了单一依赖GPS系统所带来的隐患,因此现在开始在航空GNSS系统上努力推广DFMC GNSS系统(双频多模全球导航卫星系统)。DFMC GNSS允许终端同时接受四个GNSS星座(北斗、GPS、GLONASS、伽利略)的双频信号,以获得更高的定位精度与系统冗余性,而且可以在更高精度的支持之下进行更为复杂和精密的飞行。

在国际民航组织的DFMC GNSS框架下,北斗的加入不仅意味着更精确的全球覆盖,特别是在亚太地区,还意味着系统在抵御干扰和信号失真方面的能力得到了增强。这为航空器提供了更为稳定和可靠的导航支持,从而提高了整个航空系统的安全性。

北斗系统成功的融入国际民航标准,也是一种国际合作与技术交流的典范。它促进了全球航空导航技术领域的合作,为全球航空导航技术的标准化和统一铺平了道路。这种国际合作的深入,无疑将推动全球航空行业的健康和持续发展。可以说北斗系统的加入,不仅是对中国航天科技成就的肯定,更是全球航空导航系统向着更加全面、高效和协调发展的重要一步。

从远古时代北斗星的简单导航到现代北斗卫星系统的复杂技术,我们见证了人类导航历史的一次伟大跨越。而未来,随着技术的不断进步和国际合作的深入,北斗系统将在全球航空航天领域发挥更大的作用,为全人类的交流与发展贡献更多的力量。■ 
                                                                                       
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张仲麟

■自2000年10月第一颗北斗卫星发射上天之后,北斗卫星导航系统成为了GNSS系统中一颗冉冉升起的新星。它不仅仅继承了恒古以来北斗星指引人类的使命,更是在世界范围内扮演着越来越重要的角色。

而在距离首颗北斗卫星上天23年之后,2023年11月16日,北斗标准正式被国际民航组织采纳,列入《国际民航公约》附录10并正式生效,与GPS和GLONASS一同成为了国际公认的GNSS系统之一。

23年前,一颗北斗卫星孤独的在星空中闪耀,而23年后,在地球的每一个角落都能看到北斗卫星,收到它的信号。这不仅仅是中国航天事业的一大进步,也是全球GNSS系统的一次重大革新,更是给全球民航体系增加了新的安全保障。

为什么要构建北斗系统

作为广袤地球上生活的一员,人类自文明起源之初就对定位与导航有着极为强烈的需求,也因此发明了一系列的手段来定向与定位,中国四大发明之一的指南针就是其中之一。

对幅员辽阔的中国来说,拥有一种可靠的、大范围的、精确的导航系统尤为重要。早在上世纪七十年代,中国就立项了灯塔导航卫星项目也即691项目,利用卫星的无线电信标进行测向和定位,但由于各种原因灯塔项目在1980年下马。而随着美国GPS系统与苏联/俄罗斯的GLONASS系统投入使用,并在军事及经济领域发挥巨大作用,中国自己的GNSS系统又被提上日程。

GNSS系统对一般国家而言是个昂贵的奢侈品。一方面,建立一个全球GNSS星座,需要至少24颗卫星才能覆盖全球,如果考虑到卫星到寿轮替、备用星、地面站以及巨额的研发费用,单独建立一套GNSS系统对一般国家来说并不经济。

另一方面,很多国家觉得有现成的美俄GNSS系统,并且民码免费开放给所有用户使用,为啥还要费大力气自己再搭建一套呢?何况建立GNSS系统需要极强的航天能力。

也因此,对印度、日本这类国家来说,在现有GNSS的基础上搭建一套辅助GNSS来提高区域精度,是更为现实的选择,如日本的QZSS准天顶卫星系统是用来补充日本地区GPS精度,使用专用终端能达到极高精度。而印度的IRNSS(印度区域导航卫星系统)从名字上就可以看出是个专门用于南亚次大陆及印度洋地区的卫星导航系统,而非全球性卫星导航系统。

对于地区强国来说,基于现有GNSS系统进行针对性补充或者搭建区域性卫星导航系统,就已经足够使用了,但是对于真正的大国来说,必须得有自己的GNSS系统。纵使目前美俄的GNSS系统在民用领域是开放的,但是这种新时代的“关键基础设施”如果没掌握在自己手上,就很容易受制于人。

而且考虑到GNSS在军事领域的巨大用途以及各GNSS系统的军码是高度机密的,因此对于真正的大国来说,建立一套自己的GNSS系统不仅仅可以展示自己的航天技术实力,更是战略自主性和国防及国家安全的关键。

事实上,依赖他国的GNSS系统意味着关键时刻会面临服务受限或者中断的风险,而对一直在进行东南方向军事斗争准备的我国来说,依赖他国GNSS(尤其是GPS)将有极大可能在未来的摊牌时刻陷入巨大的被动之中。

也因此,上世纪九十年代初我国就着手立项建立自己的GNSS系统也即北斗系统。北斗系统也是秉持着我国一贯的小步快跑策略,除了实验性的第一代北斗之外,投入实用并在2012年完成搭建的第二代北斗是先以中国及亚太地区为服务核心,并在随后的第三代北斗(BDS3)中覆盖全球,于2020年正式完成BDS3的搭建。这使北斗系统从一个区域卫星导航系统变成了真正意义上的全球卫星导航系统。

北斗算是什么水平?

虽说是最新的GNSS系统,但是由于诞生的比较晚以及商业化开发不足,使得北斗系统在全球范围内的民用应用并不大。尤其在几十年GPS系统成熟的生态与产品所产生的路径依赖之下,国外并没有多少用户使用北斗系统的动力,主要用户还是集中在国内尤其是专业用户。

但这并不代表北斗系统不如GPS与GLONASS系统,作为2020年才完成搭建的系统,本身就具备着一定的后发优势,而且从客观规律来说。更新的技术、更高的星座密度必然会带来更好的导航精度。毕竟北斗三代是基于24颗MEO(中轨道)卫星、3颗GEO(地球同步轨道)卫星与3颗IGSO(倾斜同步轨道)卫星所建立的系统,相比GPS和GLONASS多了GEO与IGSO轨道卫星,而这6颗同步轨道卫星是为了加强区域信号以获得特定范围内更好的精度——当然我们都猜得到,这是用来加强东亚与西太地区的北斗精度。

而目前由于处在北斗二代与三代同时使用的阶段,这就使得天上的北斗卫星星座密度处于一个极高的水平,简单点说就是目前天上北斗卫星数量(含6颗实验星一共62颗)比GPS(32)和GLONASS(24)加起来还多。当然光说数量不够具体,我们不看说明书看疗效,毕竟GNSS系统最终还是得看定位精度,而某一区域里有多少颗星覆盖,也一定程度上代表着信号强度与定位精度。

如果我们查看中国卫星导航系统测试评估研究中心实时显示的各GNSS系统关键指标,就能发现不少有意思的事。以可见卫星数这一指标为例,可以看到北斗系统除了南北美洲部分地区之外,其他地区可见星数都保持着一个极高的水平。而亚洲地区的可见星数格外高,一方面是北斗三代本来就加强了亚洲地区的卫星,另一方面则是专注于亚太地区的北斗二代也还在使用,导致可见星数密度极高。

而GPS系统可见星数分布就较为均匀,作为使用最久也最成熟的GNSS系统,其32颗卫星构成的星座确保地球每一处都有着堪用的可见星数。而俄罗斯的GLONASS就显得有些一言难尽了,大量地区处于可见星数较少的状态,也算是侧面反应了俄罗斯GLONASS系统的现状。

当然可见星数只是一个侧面指标,最直观而且最重要的指标还是定位精度了,而在GNSS系统中所使用的指标就是位置几何精度因子(PDOP),在用户测距误差一定的情况下,PDOP越大定位精度越差,PDOP越小定位精度越高。

从数据中可以看到,北斗系统在全球大部分区域定位精度高于GLONASS,与GPS相当,但在印太区域是精度最高的。这也是得益于北斗系统中GEO及IGSO轨道卫星对印太地区的区域性加强。以PDOP这一关键指标而言,北斗系统具备了全球大部分区域与GPS相当,印太地区强于GPS的能力。至于欧洲的伽利略系统,从测试评估研究中心未收录其性能情况一事就可见一斑。

北斗标准被国际接纳代表着什么

自2010年中国向国际民航组织提交北斗系统标准开始,时隔13年之后终于纳入国际民航组织的标准之中。此前国际民航所采纳的GNSS系统标准只有GPS与GLONASS,但由于GLONASS在世界大部分地区的定位性能不如GPS,加上GPS有着更好的商业化应用,使得实际使用中依然是以GPS为主。

过高依赖GPS这一单一系统,使得民航飞机的GNSS导航系统在面临一些特殊情况时就较为脆弱。例如在巴以冲突中,以色列对东地中海地区的GPS信号进行欺骗式干扰,导致该区域内民航飞机的GNSS定位产生了极大的偏差,明明飞行在海面上,定位却出现在以色列北部地区,对区域航空安全产生了不小的影响。

而随着北斗系统的加入,使得民航GNSS系统有了不亚于GPS的选择,纵使以色列可以在某些大国的暗中协助之下,对GPS进行大范围的欺骗式干扰,但对北斗系统进行大范围欺骗式干扰就没那么容易了。

随着北斗系统加入民航GNSS导航体系,使得全球航空导航体系不再局限于某一单一系统,极大的提升了整个系统的鲁棒性和稳定性。一旦由于各种原因GPS系统或其他GNSS遇到干扰或者不可用的情况,北斗系统就可以提供备用的导航服务,增强整个航空体系的安全性。而且在亚太地区,北斗系统优于其他GNSS的定位精度,无疑可以更好地为该区域内飞行的民用航空提供定位服务。

北斗系统特有的短报文上传系统,在航空领域也有着极大的应用空间。就以至今依然不知去向的MH370航班,如果在飞机的GNSS导航系统中配置北斗系统并定时上传位置信息报文(如每十分钟一次),那么对失联飞机的搜索工作来说,就可以极大地缩小搜索范围了,也就可以更快地开展搜索工作。更不用说在一些现有空地信息交换系统(如ACARS、VHF等)无法工作的偏远地区(如南印度洋、南大西洋等),北斗短报文可以充当一种紧急时刻的替代通讯手段。

而国际民航组织也意识到了单一依赖GPS系统所带来的隐患,因此现在开始在航空GNSS系统上努力推广DFMC GNSS系统(双频多模全球导航卫星系统)。DFMC GNSS允许终端同时接受四个GNSS星座(北斗、GPS、GLONASS、伽利略)的双频信号,以获得更高的定位精度与系统冗余性,而且可以在更高精度的支持之下进行更为复杂和精密的飞行。

在国际民航组织的DFMC GNSS框架下,北斗的加入不仅意味着更精确的全球覆盖,特别是在亚太地区,还意味着系统在抵御干扰和信号失真方面的能力得到了增强。这为航空器提供了更为稳定和可靠的导航支持,从而提高了整个航空系统的安全性。

北斗系统成功的融入国际民航标准,也是一种国际合作与技术交流的典范。它促进了全球航空导航技术领域的合作,为全球航空导航技术的标准化和统一铺平了道路。这种国际合作的深入,无疑将推动全球航空行业的健康和持续发展。可以说北斗系统的加入,不仅是对中国航天科技成就的肯定,更是全球航空导航系统向着更加全面、高效和协调发展的重要一步。

从远古时代北斗星的简单导航到现代北斗卫星系统的复杂技术,我们见证了人类导航历史的一次伟大跨越。而未来,随着技术的不断进步和国际合作的深入,北斗系统将在全球航空航天领域发挥更大的作用,为全人类的交流与发展贡献更多的力量。■ 
                                                                                       
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