北斗系統(tǒng)總師楊長風：中國北斗綜合定位導航授時體系發(fā)展構想

尊敬的懷進鵬書記，各位領導、各位專家，非常感謝這次年會的組委會給我提供這樣的機會介紹我們北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)。
       

大家都知道時間和空間是宇宙萬物的基本屬性，據統(tǒng)計大概有85%的信息與位置和時間相關。從科學技術的發(fā)展史來看，在需求牽引和技術推動的作用下，人們一直在尋求更多的技術先進來獲取空間位置和時間位置的手段。到目前，衛(wèi)星導航已經成為了最重要的定位導航設施的手段，能夠為全球地表和近地空間提供服務。從未來來看PNT體系將是定位導航設施技術的發(fā)展方向。
       

為此首先我介紹北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的基本情況。根據我們衛(wèi)星導航的基本要求以及結合我們的國情，我們設計了北斗系統(tǒng)三步走的發(fā)展戰(zhàn)略。第一步，2000年建成了三顆北斗一號系統(tǒng)，為中國和周邊地區(qū)的用戶提供了有源定位和短報位服務，首先解決的一個有無的問題。第二步到2012年建成了北斗二號系統(tǒng)，為亞太地區(qū)的用戶提供無源的導航服務。在技術方面應該來說還是追趕國外的先進水平。作為第三步，我們從2009年開始啟動北斗三號系統(tǒng)的建設，到2020年將為全球的用戶提供無縫覆蓋的無源導航服務。并在我國及其周邊地區(qū)乃至全球提供高精度的有源定位和短報文服務。
       

下面介紹我們正在運行的北斗二號的系統(tǒng)的基本情況。北斗二號系統(tǒng)投入運行五年來，我們系統(tǒng)連續(xù)穩(wěn)定的運行，從未發(fā)生過服務中斷，定位精度實際上是穩(wěn)中有升，服務性能跟GPS相當，亞太地區(qū)已經達到了國際先進水平。據我們了解，在東南亞地區(qū)，尤其是在泰國他們使用的時候，反映比GPS的精度還高。
       

我們的北斗二號實現了國際衛(wèi)星導航領域和我國航天領域的多個首創(chuàng)，走出了一條符合我國國情，獨具特色的衛(wèi)星導航系統(tǒng)的發(fā)展道路。一是在國際衛(wèi)星導航領域開創(chuàng)了衛(wèi)星導航技術發(fā)展的新方向，這邊有五個方面，我覺得主要包括首次將衛(wèi)星導航定位、短報文通信、差分增強三種服務融為一體。并且首次采用了GEO/IGSO/MEO混合導航星座，GEO是地球同步定軌、IGSO是地球同步傾斜軌道，還有MEO是在22000km的原軌道上形成了混合星座，這是國際首創(chuàng)，這五個方面都是我們值得驕傲的幾個方面。
       

我們在航天領域應該跨越的提升了我國航天的科技生產能力。在這里有六個方面，應該來說我們首次具備了大型復雜星座構建和運行管理的能力。也實現了衛(wèi)星火箭的批量生產，立即發(fā)射，實現了航天產品研制生產方式的轉型。從應用推廣方面，我國高度重視北斗系統(tǒng)的應用以及產業(yè)化。將北斗產業(yè)列為戰(zhàn)略性的新興產業(yè)予以重點的推廣，已形成北斗完整的自主產業(yè)鏈，國內外的芯片廠商已經主動的支持我們北斗，北斗的芯片實現了規(guī)?；膽??？傮w性能達到了國際先進水平，國內新入網的一些手機，大部分手機都具備了北斗的功能。
       

在航天應用方面已經在公安、交通、漁業(yè)、電力、林業(yè)、減災等行業(yè)得到了廣泛的使用。北斗系統(tǒng)已經引入了國家核心信息基礎設施，有力的促進了經濟社會的發(fā)展。在大眾應用方面，北斗與互聯網、物聯網、云計算、大數據等技術的深度融合，催生了一些新的業(yè)態(tài)。共享單車裝備了北斗，實現精細的管理，我們制成的北斗的手表、手環(huán)、學生卡，更加方便的和保護了人們的日常生活，已經深刻影響社會的行為和生活方式。
       

據我們統(tǒng)計，在2017年國內衛(wèi)星導航及位置服務產業(yè)的總體產值突破了2550億元，產業(yè)的年均增長率超過20%，與北斗直接關聯的上市公司就有50多家，從業(yè)的單位有14000家。北斗已經成為了戰(zhàn)略的新興產業(yè)。
       

在國際合作方面，北斗已經走出了國門，初步實現了國際化，北斗是聯合國全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)國際委員會認可的四大核心供應商，北斗已經獲得了國際民航、國際海事、3GPP移動通信、國際海運等國際組織認可，北斗相關的標準都已經得到了通過。北斗已作為國家的一種品牌，納入了外交大局。國家領導人見證簽署了一系列北斗系統(tǒng)的合作文件，北斗產品輸出全球30多個國家和地區(qū)。

2016年我們北斗在埃及巡展的時候，習總書記陪同埃及總理到我們展館，我們北斗辦主任跟習主席說，我來介紹，北斗系統(tǒng)是精度如何如何高，使用如何如何方便，而且非常安全，希望你們埃及政府來使用我們的北斗。
       

我們現在正在建設的北斗三號系統(tǒng)應該來說是跨度比較大，創(chuàng)新性比較強。從北斗二號到北斗三號，并不是僅僅把服務簡單擴展到全球。我們對標世界一流衛(wèi)星導航系統(tǒng)來看主要包括幾個方面，一是性能指標大幅度提升。導航定位精度提升了一倍以上，短報文通信服務的容量提升了十倍，用戶發(fā)射功率降低到十分之一。差分增強服務已經滿足民航I類精密近進要求。二是我們的建設事業(yè)是面向全球。所以在建設、運行、應用要遵循國際標準、規(guī)則、程序。實現與國外系統(tǒng)的兼容互操作，現在你們經常使用手機，一般來說看到的都是GPS，實際上現在你們使用過程當中都是使用我們的北斗，只不過是兼容使用，既能用我們的也能用國外的系統(tǒng)。
       

我們的民用服務和有關信息完全開放。三是我們導航服務擴展全球。實現了全球導航定位能力，可以為我們中高軌的航天器導航、測控服務。四是宇航能力也覆蓋全球。全球首創(chuàng)相控陣星間鏈路組網技術。全球首個實現星座自主運行，這個自主運行就是沒有地面站支持，我們也能在天上運行幾個月。中國第一個全球無縫覆蓋星座。我們宇航產品要達到百分之百的自主可控。所以實現這幾個方面的能力，我們北斗20多年跨越了美國GPS 40多年的這樣一個發(fā)展歷程。
       

目前北斗三號系統(tǒng)已經完成了最簡系統(tǒng)，是今年3月30號形成了最簡系統(tǒng)以后測試，效果挺好?，F在我們正在按計劃穩(wěn)步實施，到今年年底我們還要發(fā)射11顆星，這樣可以實現服務“一帶一路”的沿線國家的基本服務，到了2020年，我們要完成30顆星的發(fā)射組網的任務，實現我們全球組網的目標。這是北斗導航系統(tǒng)。下面重點介紹我們國家作為PNT體系的發(fā)展構想。
       

作為定位導航授時體系，把各種PNT技術一些系統(tǒng)和一些服務總稱集成起來，覆蓋和貫穿時空基準，建立、維持、傳遞與應用的全過程，構建它的目的就是為了人類活動空間提供統(tǒng)一的、精確的、可靠的時空信息服務體系。
       

從衛(wèi)星導航系統(tǒng)來看，作為當今最重要的PNT體系。它具有統(tǒng)一的精準制導，通信電力測繪等方面都能夠得到廣泛的應用?？梢源騻€比方和水電、空氣一樣，已經深入到我們日常生活的每一個角落?，F在的世界已經難以承受衛(wèi)星導航不能服務所帶來的巨大損失。但是作為衛(wèi)星導航信號的物理特性的限制，衛(wèi)星導航系統(tǒng)還沒有辦法作為唯一可信賴的PNT手段。它有幾個方面還是有薄弱環(huán)節(jié)。一是接收信號的功率低，容易受到干擾。這次敘利亞戰(zhàn)爭實際上就是因為受到干擾，所以在使用過程當中就帶來了受干擾的影響。二是障礙穿透能力比較弱。還不能全面的覆蓋水下、室內、城市峽谷這些復雜的環(huán)境。三是只能覆蓋地球空間，在為深空探測提供服務方面應該來說還是空白。因此，迫切的需要進一步的提升以衛(wèi)星導航系統(tǒng)為核心的各類PNT手段的創(chuàng)新發(fā)展，通過各種手段的系統(tǒng)的集成，形成體系化的國家PNT基礎設施。

我國的PNT體系的一個總體發(fā)展目標，開展技術先進、安全可靠、兼容互用的新一代北斗系統(tǒng)，以己度技術融合增強、多手段補充和備份系統(tǒng)建設，建成基準統(tǒng)一、覆蓋無縫、安全可信、高效便捷的北斗綜合PNT體系，滿足國家安全、經濟社會時空信息保障需求。
       

作為PNT體系的發(fā)展的基本原則，有三個方面的考慮：一是突出國家安全，聚焦提高PNT服務的可用性和生存能力。二是突出基礎設施，聚焦發(fā)展全局性、國家級的核心基礎設施。三是聚焦供給，提供滿足最大共性需求的公共服務產品。
       

從衛(wèi)星導航的角度來看，PNT體系實際上就是衛(wèi)星導航+增強、補充、備份系統(tǒng)。增強衛(wèi)星導航系統(tǒng)的性能、完好性和安全性等。補充系統(tǒng)主要是填補衛(wèi)星導航在水下、深空以及室內等服務的空白。作為備份，就是在衛(wèi)星導航服務中斷時能夠提供一定的應急服務能力。
       

具體把PNT體系的大致剛才說的“+ ”一些什么具體的說一下。首先北斗系統(tǒng)今后能夠提供高精度的定位服務，能夠覆蓋3000公里以下的近地空間，本身也具備有較強的星座生成能力，可以為體系提供精準的時空參考的框架，是PNT體系的核心和基石。北斗+通信，可以通過進一步的提高北斗系統(tǒng)的服務功能，在這方面它的信號可以抗干擾、可以提升30多個DB，性能也可以增強，動態(tài)定位可靠、可用，這樣增加了一些海量的基準點。作為北斗慣導方面可以提高防電池阻斷的一些能力，可以在短時間內保證時空信息服務不中斷。在水下的時候，我們應用北斗和水聲，包括在太空、深空進行脈沖星這些方面又可以填補我們在水下和深空方面的一些空白。
       

介紹一下PNT體系主要的建設在哪些方面。分五個層次，最外層是深空領域主要發(fā)展脈沖星導航技術，在中高軌的空間主要發(fā)展下一代的衛(wèi)星導航系統(tǒng)，在近地軌道空間主要開展低軌導航增強系統(tǒng)建設。這實際上就是現在我們很多家在醞釀的低軌通信衛(wèi)星，我們想利用低軌通信衛(wèi)星來增強我們的導航信號。在地面主要開展北斗系統(tǒng)與5G數據鏈等通信信息深度融合。包括和一些互聯網等等方面進行深度融合。在水下重點建設海底控制點的水聲導航、匹配導航等水下導航的一些系統(tǒng)。

我具體把下一代衛(wèi)星導航的基本情況和基本功能說一下。下一代衛(wèi)星導航方面要在北斗三號的基礎上進一步提高基本導航、星基增強、短報文通信、國際搜救、精密定位、星間鏈路六個方面的能力，同時更好的融入到國家網絡信息體系。
       

作為低軌導航增強，主要是在加強我們30公里以下空間全球覆蓋的問題，輔助提升北斗抗干擾的能力，這樣實現全球范圍內用戶，實現分米級的定位，同時低軌導航增強本身也具備單獨的定位授時服務能力。作為水下導航，水下導航的核心我們主要是為慣性導航，同時通過水下無線電導航、水聲導航、重力導航等手段對慣導長時間漂移誤差進行校準，通過發(fā)展水下導航，我們按照解決急需后續(xù)提升能力的一個逐步開展的思路展開。在解決急需方面主要是補充一些慣性的缺點，發(fā)展多源校準的手段，在長遠提升方面，面向高精度、小型化、持續(xù)發(fā)展的慣性技術。
       

作為水下導航我們重點建設的內容，包括這樣幾個方面：一是海底大地控制網基礎設施建設，二是遠程陸基無線電基礎設施，三是水下背景場匹配輔助導航基礎設施，四是海地水下定位導航授時終端。在深空導航系統(tǒng)，我們積極探索脈沖星導航技術的發(fā)展，去年我們就發(fā)射了一顆脈沖星，做了大量的試驗，通過我們的試驗，我們認為發(fā)展脈沖星導航技術不僅可以建立和維持基于脈沖星的綜合脈沖星座時還可以為我們深空、航天提供自主的導航定位授時服務。我們今后北斗系統(tǒng)它的時間和空間的基準就可以通過脈沖星來給我們提供，某種意義上也是我們北斗的北斗。
       

自主導航系統(tǒng)方面。可為用戶提供一種不依賴外部輸入的自覺的PNT手段，能夠實現全球空域的覆蓋，不易受到外部干擾，與衛(wèi)星導航系統(tǒng)形成優(yōu)勢互補，可以作為衛(wèi)星導航的一個備份。同時我們開展微PNT這方面的研究，我們認為微PNT是自主導航手段的一個主要方向，由于慣性器件還存在一些誤差的問題，我們要保持精度，需要不斷地進行外部校準，這樣我們把衛(wèi)星陀螺、微加速器等等進行微集成以后，把我們北斗系統(tǒng)融入進去以后，我們就形成了一個全自主情況下的微PNT體系。這就作為我們一個保底的手段。
       

北斗還可以和5G融合。在室內外定位，尤其是室內定位，北斗在室內和城區(qū)復雜環(huán)境下的能力不足。北斗系統(tǒng)可以利用5G高速移動通信網，播發(fā)導航電文和分成信息，輔助北斗實現移動通信可達區(qū)域分米級、厘米級高精度的增量。
       

在完好性增強方面，也可利用通信基站實現北斗信息質量的監(jiān)測評估，同時也可以在移動通信可達區(qū)域內快速的播發(fā)北斗信息的完好性。北斗和5G的融合，核心就是要協同設計有關標準、規(guī)范和體系架構。我們認為北斗和5G一旦在成本和精度上去的突破的話，市場的空間預計可達萬億。這是一個非常融合的好的一個前景。
       

同時，我們還將開展一些新興技術的研究。在微型化、多源融合、高精度、新技術等方面開展工作，尤其是在高度集成、微型化、低成本技術以及多手段、多系統(tǒng)的深度融合技術方面，包括我們的高可靠，同時還有一些新技術、新方法、新工藝方面開展一些新興技術的研究。

前面說了這么多，實際上我簡單的把它概括起來，我們建設重點就是“5+1+N”，這個“5”，我們建設的重點是5大基礎設施，包括下一代衛(wèi)星導航系統(tǒng)，積極發(fā)展低軌導航增強系統(tǒng)，按需發(fā)展水下導航系統(tǒng)，大力發(fā)展慣性導航系統(tǒng)，積極探索脈沖星導航系統(tǒng)?！?”就是實現1個融合發(fā)展。要加快推進5G移動通信為代表的網絡信息體系的深度融合?！癗”主要是突破一系列的新興技術，包括一些超穩(wěn)芯片級原子鐘技術，仿生導航等等這些新興技術的研究。
       

這就是我們整個的發(fā)展和建設重點?，F在簡單介紹一下我們發(fā)展路線，在2020年，我們要完成PNT體系總體方案設計與論證，建設仿真試驗設施，突破高精度的時空精準動態(tài)維持和傳遞、導通融合、低軌導航增強系統(tǒng)等關鍵技術，探索基于量子、微納加工技術等新興的PNT技術。
       

到2025年，完善體系框架，完成相關接口協議與標準規(guī)范制定，確保北斗系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，完成性能提升演示驗證，完成高精度的時空基準動態(tài)維持和傳遞、導通融合、低軌導航增強等系統(tǒng)的關鍵技術演示驗證。
       

到2035年，完成新一代北斗系統(tǒng)星座組網，建成時空信息服務的備份增強系統(tǒng)，部署多源融合高可信的PNT終端，完成室內、水下、太空等特殊區(qū)域的PNT技術試驗應用。完成PNT體系的建設，提供體系化的PNT服務。
       

我做一個簡單的小結，作為PNT體系。PNT體系，以北斗為核心的國家PNT體系不是所有PNT技術與系統(tǒng)的簡單集合，更不是另起爐灶，而是統(tǒng)籌、融合、協調，從滿足最大共性需求出發(fā)，提供一個標準化的解決方案，提高體系建設，維護和使用的效費比。
       

從體系角度來看，主要是提供標準化的解決方案，以最小代價滿足最大共性需求，實現建設、維護與使用的低成本。從技術角度，要實現全空域、全時域、全信息、高可靠的使用要求。從安全角度來看，在人類重點活動區(qū)域，實現了多種PNT手段的體系融合，服務能力更加穩(wěn)固。
       

借這個機會介紹我們北斗系統(tǒng)的基本情況。謝謝大家！