北斗导航系统副总设计师：北斗系统开通，艰巨挑战还在后头

杨元喜/中国科学报

2020-08-10 07:26

中国科学报8月10日消息，7月31日，中共中央总书记、国家主席、中央军委主席习近平向全世界庄严宣布“北斗三号全球卫星导航系统正式开通”。历时26年，历经北斗一号、二号、三号的艰难建设过程，我国独立自主运行控制的国家时空基础设施正式建成，并投入运行。
北斗导航定位系统不仅具有定位、导航和授时（PNT）功能，还具有区域短报文通信、区域精密单点定位和区域星基增强服务功能，以及国际搜救、全球短报文等特殊服务功能。北斗全球卫星导航系统的建成，标志着我国具备了独立自主的全球卫星导航系统，我国重要基础设施的时空基准不再依赖国外的卫星导航系统。
北斗三号全球卫星导航系统由位于三个不同轨道的30颗卫星组成，是国家其他重要基础设施的基础设施。国家金融体系、国家电网、通信网络和互联网均属于国家重要基础设施,它们需要高精度时间同步，否则金融系统可能瘫痪，电网可能发生故障，通信网络和互联网可能出现服务中断或服务效率低下的现象；国家航空系统、铁路交通、公路交通等属于国家交通基础设施，它们均需要精确的定位、导航和时间同步。
北斗卫星导航系统服务模块可以植入航空、高铁和公路系统，使空中运输更安全，高铁运行更高效，公路交通管理更有序。北斗系统还能为智慧城市、精细农业、数字渔业等提供位置和时间信息，为国家坐标系统维持与更新提供自主的高精度监测，为地壳形变监测、滑坡监测等提供精密的位置变化信息。
北斗卫星导航系统的开通运行只是北斗系统建设与服务的一个重要节点。正如孙家栋院士所说，“北斗系统不但要做到天上好用，而且要做到地上用好”，为此北斗卫星导航系统的维护、运行与监控就显得十分重要。
北斗系统的稳定运行与服务取决于监控系统的精稳监测、精细调控和故障的快速排查与恢复。尽管在设计与建设过程中留有冗余备份，并有严密监测与故障预警体系，但北斗系统是一个复杂的巨型系统，系统的稳定运行不仅受空间环境和卫星上各种载荷可靠性的影响，而且受地面环境及各类运行控制要素的影响。任何环节运行失误都可能导致系统服务质量下降，甚至服务中断。显然，北斗的稳定运行仍面临十分艰巨的任务。
首先，我们要加强卫星的冗余设计和冗余备份，确保空间星座的完备性；其次，还要加强监测和运控系统备份，确保北斗运行控制系统的稳定可靠；此外，我们要不断精化卫星轨道测定算法，使其具备误差识别和补偿能力，加强卫星钟差的监测与预报计算软件优化，使其具有可靠的卫星钟差建模与预报能力。只有这样，北斗系统的稳定运行与服务才有可靠保障。
我们必须清醒地认识到，北斗卫星导航系统与其他全球导航卫星系统一样具有天然的脆弱性。北斗卫星导航信号微弱，易被干扰和欺骗，且不能惠及室内、水下和地下以及其他受遮蔽的地区。为了国家重大基础设施PNT信息的安全、可靠、连续，必须建立“更加泛在、更加融合、更加智能”的综合PNT体系。
综合PNT体系要求基于不同物理原理、不同信息层，建立从深空到深海，甚至深地的无缝PNT信息基础设施。强调“不同物理原理”，是因为基于相同原理的信息一旦受干扰、遮蔽，再多的信息源也无济于事。于是,包括银河系外的脉冲星X射线导航定位信息源、基于拉格朗日星座的PNT信息源、高低轨卫星星座组合的空间PNT信息源、地面5G/6G通信信息和海底声呐信标等提供的PNT信息源，将成为下一代国家PNT体系的主要信息源，最终建成以北斗系统为核心、从深空到深海无缝覆盖的PNT信息基础设施，实现时空基准统一、服务信息多源、服务体系连续、可靠、稳定、抗干扰、防欺骗的PNT服务。
基于综合PNT基础设施，我们还必须构建多源信息弹性集成、观测模型弹性优化、随机模型弹性调整的弹性PNT服务体系。实现多PNT传感器的集成化和小型化、运控手段的“云端化”、多源信息融合的“自适应化”，最终实现PNT服务模式的“智能化”，以便实现各类PNT信息的最佳融合。
国家综合PNT基础设施和弹性PNT服务体系是确保国家重大基础设施安全、稳定、可靠运行的重要保障，也是国防建设的重要支撑。总之，北斗卫星导航系统的建成，解决了国家经济建设和国防建设的急需，但是更加泛在的、独立自主的综合PNT体系和相应的弹性PNT体系建设才是我们追求的最终目标。