第462期【齐悦读—线上共读—透视新科技】“齐悦读”[线上共读] 《走向世界的中国北斗》
讲座题目：透视新科技——走向世界的中国北斗
主 持 人：胜 春
做客嘉宾：陈忠贵，中国航天科技集团五院北斗三号卫星系统总设计师。
徐 颖，中国科学院空天信息创新研究院研究员。
讲座时间：2023年6月5日～6月11日
（备注：讲座视频可循环播放）
透视新科技——走向世界的中国北斗
讲座内容：
各位好，欢迎收看我们今天的《透视新科技》节目，我是主持人胜春。2020年12月16日，中国与阿根廷签署了在南美洲国家当中的第一份卫星导航系统的合作协议，这意味着我们国家的卫星导航系统在国际合作方面取得了新突破。北斗卫星导航系统除了导航之外，还能做哪些事情呢？我们通过短片去了解一下。5、4、3、2、1，点火，点火。2020年6月23日，随着第55颗导航卫星腾空而起，标志着北斗三号全球卫星导航系统完成全球星座部署，在距离地球表面两万至四万千米的太空，30颗北斗三号卫星，15颗北斗二号卫星以及许多颗试验卫星和备份星，共同构成了一个环绕地球的导航星座。中国北斗已开启服务全球的新征程，从1994年我国启动北斗系统建设，到2020年北斗三号全球组网成功，中国人用26年的时间，独立建造出一个全球卫星导航系统。在过去的10年中，北斗卫星导航系统已陆续与美国、俄罗斯、欧洲的导航卫星系统，实现了兼容与互操作，共同编织出一张改变世界的网。我国为什么要倾尽全力建设北斗卫星导航系统？除了导航定位，北斗还能在我们的生活中发挥哪些作用？
我们今天非常荣幸请到了中国航天科技集团五院北斗三号卫星系统总设计师陈忠贵，接下来一位，是中国科学院空天信息创新研究院的研究员徐颖。在北斗之前已经有了比较稳定的系统，像美国的GPS（全球定位系统），还有俄罗斯的格洛纳斯，以及欧盟的伽利略，这三大导航系统。我们北斗导航，当时研发的初衷是什么？卫星导航系统它是国防上面应用是非常广泛，那么像武器导弹，它的一个精确制导，它必须依靠卫星导航系统，它的打击效果就会明显数量级提升。在军事应用的时候，你要是依赖于其他国家的话，一旦有事的话，你可能就不能进行导航了，那么这个也就是我们当时要发展这个的初衷。第二个，就是在国民经济应用这方面，实际上应用很广泛。比如说在我们金融方面，银行，股票交易所，还是电力上面，那么都是要通过授时，授时要精度很高，这样的话应用就比较广，另外它应用也能发展起来。还有一个大国担当，应该说我们北斗卫星导航系统发展起来以后，我们应该说是为国际上全球民用的一个基础设施建设，应该是做出了一个重大贡献。
卫星导航定位系统，它作为我们国家最基础的，这样的一个时空体系，它其实是属于我们国家的基础设施，如果没有时间，没有空间，那我们在很多领域，很多应用都是没有办法开展的。包括我们的军事，包括我们的经济，很多关系着我们国家的国计民生的重要领域，它其实都是依赖于我们的时空系统的建立和维持的。所以在这样的情况下，就是如果说我们没有一套能够自主可控的时空体系，而采用其他国家的时空体系，那我们就可能会面临，第一个是这个时空体系你不可控。第二个是这个时空体系你不敢用，所以什么才是既可控又敢用的时空体系？这就是北斗。所以我们说卫星导航定位系统，它是一把守护国门的金钥匙，而北斗这把金钥匙，是一定要握在自己人手中的。北斗导航系统，可以说（是）我们自主创新的一个典范，这里面到底有哪些技术难题？从北斗一号，北斗二号，北斗三号，发展起来是还是比较艰难的，一个就是从我们的信号设计，那么信号设计上，又要进行一个，就是国际兼容。另外一个，就是我们要把信号，使用我们的信号，它的定位精度能够更高，然后就是定位稳健性高。所以我们在信号设计上下了很大功夫，也是用了很多自己的独门的一些技术和独门的设计。
另外一个，就是我们在信号生成和播发这个基础上也提高了很多，尤其像我们的信号，比如我们有三个频段，有十几个信号，那么这些信号相互之间的一个偏差不能够超过一纳秒。另外一个，就是星上时频和原子钟，尤其像原子钟，我们以前是引进国外的，像北斗二号的时候，还引进了一部分国外的东西。当然在我们北斗三号的时候，我们就全面就采用了自己的原子钟，包括我们铷原子钟，然后还有氢原子钟。另外，我们原子钟的一个精度、稳定度，还有漂移率，是达到了国际的一个先进水平。我们一般的手表精度是在秒级的是吧，但是像我们原子钟，它的一个稳定度和漂移率，都是10的负14到负15（次方秒）。那形象比喻的话，我们就是300万年，它才差一秒，你要到负15（次方秒）的话，将近是上千万年差一秒。还有一个就是我们星间链路，这个也是我们在国际上也是比较先进的。说到这个话题，我们来看相关的短片。北斗三号采取星间星地传输功能一体化设计，实现了卫星与卫星、卫星与地面站的链路互通，星间链路就好比在各个卫星之间搭建起了一条通信网络。将地面站与卫星之间的通信，扩展到卫星与卫星之间的通信。也就是说，地面站只要对某一颗北斗卫星下了指令，这一指令就能够在卫星之间接连不断地传递下去。所有的卫星都能够按照这一指令运行，从而使得整个星座的运行能够保持准确无误，不仅提高了导航精度，同时也减低了卫星对地面站的依赖，提高了导航星座的自主程度。
接下来也想请两位谈一谈，相比其他导航系统，北斗导航有哪些技术上的优势？第一个，就是我们北斗卫星导航系统，从优势上来说的话，应该说是区域定位精度高。我们是三种轨道像有GEO轨道，就是静止同步轨道。还有一个IGSO轨道，就是倾斜同步轨道。还有一个就是MEO轨道，中圆地球轨道。我们整个北斗三号系统组成，是由三个GEO加三个IGSO，加24个MEO，这样组成的一个独特的一个星座。那么它就是在我们区域使用的话，我们定位相对于我们国内亚太地区，它的定位精度，要比全球的其他地方精度更高。那么就是在全球，我们假如说十米的话，我们在这个区域之内优于五米。这个对于大家来讲，它可能是一种什么感觉？比如说以前，你可能只知道你自己在这条路上，但你不知道你在主路上还是在辅路上，你可能也不知道你是在直行车道上还是在左转车道上，但是北斗它现在通过精度提高这种方式之后，你就能够分清主辅路，你也能够分清，我是在左转道还是在直行道。大家用来导航的话，主要是用手机，而我们手机当中的导航芯片，它现在基本上都是一个多系统的芯片，就是它更多的是GPS（全球定位系统），北斗和格罗纳斯，然后伽利略它都有。所以在民用上，其实北斗更多的走的是，兼容和其他系统互操作这样的一种方式。
还有一个就是，重大优势就是我们短报文。为什么说短报文是我们的优势？上世纪80年代的时候，美国在做GPS（全球定位系统）这个卫星导航定位系统的时候，我们也在研究相关的一些技术。当时我们国家的科学家，陈芳允先生就想出了一种办法，就是双星定位。就是在我们国家上空，发射两颗GEO的静止轨道卫星，然后地面用户通过发送信息，然后让两颗卫星收到，那么就可以确定用户的位置。有了短消息功能，对于像咱们一些驴友（户外旅行者），还有在高山，还有沙漠地带，还有海上。如果没有地面移动通信的话，别人不知道去哪儿去了，是吧。比如说在深山里头旅游的时候，失踪了，到底是怎么回事，大家也不知道。那如果你要是有一个带有这样的一个功能的，一个用户机带在身边的话，你就没有移动通信的话，也能照样把你这个信息能够发回来，然后，大家知道你在哪儿，实际上它就是有一个搜救的这样一个作用。我们一说到我们国家的这种各个科技行业，我们的科研成果，它的技术优势，包括攻克的技术难题，对普通人可能不太容易理解它有多难，我们做了多大的事。它是中国航天史上最为复杂的工程之一。卫星导航系统，它其实本身来讲，它是一个多学科交叉，然后多个技术领域交叉，包括多个单位交叉，它是需要很多人员一起共同配合来完成的这样的一个领域。就比如说卫星导航，看起来好像我只做了定位、授时，北斗再加一个通信这个事情，听起来好像是挺单一的功能，但事实上它里面涉及到了很多各种不同的学科，包括像计算机科学，包括像信号，然后包括像测绘，然后包括像也需要用到像相对论效应等等，这样一系列的非常非常基础的，这样的一些理论知识，它本身自身它就是一个非常复杂的系统工程。
说到这个话题，我们一块儿来看一下相关的短片。卫星能够实现定位的基本原理，是基于时间的计算，从卫星发出信号到用户接收到信号，这一过程花费的时间，可以推算出两者之间的距离。以这个距离为半径可以形成一个虚拟的球体，当用户同时连接四颗不同的卫星，形成四个虚拟的球体时，四球的交汇点恰好是精确的位置所在。作为我国第一个面向全球提供公共服务的重大空间基础设施，北斗系统攻克了160多项核心关键技术和世界级难题，实现500多种核心气部件，国产化研制的突破，走出了一条自主创新，追求极致的发展道路，实现了北斗导航卫星单机和关键元器件国产化率100%。北斗三号全球卫星导航系统的已经是组网运行半年的时间了，当初我们创新的这些技术优势，在实际应用当中到底是发挥了哪些作用？从统计来看，我们就是用北斗导航定位授时，终端已经有七亿多台。那么另外一个，就是我们现在还在建了几个我们北斗特有的东西，一个就是我们天基增强，就是利用差方系统。那么在全国建了一张网，形成了几千个节点，然后来为地面进行服务。第二个，就是我们在建设一个民用的短消息平台。这个建起来以后，就是我们像有一些用户，还有一些其他厂家都在把我们短消息功能，推广到手机上面去。还有一个地基增强，我们也是在全国建了一张网，那么，天基增强主要是在航空精密进近这方面，做得是比较多。那么就是对于航空着陆、管理，就是有一个便捷和精准的一个功能。过去是我们可以识别道路，现在可以识别车道这样一个能力，它的定位精度，就是加上地基增强以后，可以到厘米级了。将来带动咱们人工智能、无人驾驶，包括无人驾驶车辆，还有无人驾驶飞机，都是离不开这个。
随着北斗系统应用得越来越广了，我们手机当中的定位芯片，它所能够收到的卫星数，其实是越来越多的。北斗三号30颗卫星，现天上总共有，总共发射了55颗卫星，所以现在手机当中，它所有能用的卫星数，应该是超过了100颗的，所以在这种情况下，你会发现它的定位精度是有提高的。当定位精度提高到一定的程度之后，还能够给我们的生活带来哪些便利？其实这是特别有想象空间的一件事情，就比如说常规的，像北斗系统的应用，然后像是在交通、建筑、农业，然后刚才陈总提到的金融、电力，然后渔民，这些行业当中，其实已经用得非常非常广泛了。就像以前的话，大家总是觉得，定位可能不太准是吧。就是我叫了一个车，然后我给司机打电话，然后他说我到你定位的地方了，然后你们俩发现你们怎么都对不上，找不着人儿互相。但是随着北斗系统，像陈总刚才说的天基增强、地基增强，然后精度能够做到米级、分米级、厘米级，甚至是测绘当中的毫米级，这样一些精度的时候，你就会发现我们生活当中的这种便利性，可能不知不觉它就增加了。
随着北斗导航系统全球组网成功，北斗+开始应用在诸多的领域上，我们来说说，到底在交通这些导航领域，给我们提供了哪些便捷的服务。北斗应用从目前统计来看，包括手机终端，有七亿台终端。另外我们只是在加上我们短报文这些功能，具有信息交换和定位功能的，像“两客一危”就是旅游车、大巴车、公共交通车辆，还有就是危化品运输的车辆。那么这个实际上就是它除了定位以外，它还把一些信息发到站里面，那么这个也是一个重要功能。已经近千万辆车辆，都已经全部装到里头去了，就有这样的功能了，就把你除了位置以外，还有你司机的一个状态，车况什么的，都可以传送到管理站里头去。其实交通它还有两个非常大的领域，一个就是刚才陈总说的渔业就是船，它其实也是非常重要的一个交通工具，另外还有像飞机，它其实也是我们生活当中非常重要的一个交通工具。所以其实北斗它不管是在海事方面，还是在航空方面，都在做一些标准化这样的一些工作，比如说写入海事搜救的标准，写入民航的精密进近的标准，所以它是能够非常好地通过标准化的方式，在这两个行业当中去推进的。另外北斗能够起到的作用，就是除了说能够给这个船，或者给飞机，或者给我们的汽车一个精准的位置之外，其实北斗的短报文就是通信的功能，也是用得非常非常多的。在很多的，比如说有一些特种车辆，可能它具有一些保密的需求，它就没有办法，然后用我们平时的这种通信手段。这个时候，北斗就能一站式的给它解决这个问题，你的定位、通信，都被我一个人承包了，你就放我一终端就行了。
简单说，就是你像我们以前像马航370是吧，这就是一个很典型的例子。对。那时候，我们就不知道它什么时候消失的，然后最后是落到什么地方去了。像我们现在国家设计C919这些大飞机，还是民航上面，还有一些通用航空方面，那么都在加装航舰系统加装了北斗的短消息。那么有了这样的短消息以后，它每秒发播一次，你什么时间在什么位置，飞机状况是什么样的，这个全部发回来信息，这样的话你就任何时间，地面管理系统都能知道。我国家是一个农业大国，那北斗导航还能帮助庄稼地去科技服务，这个我们怎么理解？对于其实农业来讲的话，这确实是一个更好的一个应用领域。就像刚才陈总说的自动驾驶，是我们未来特别期待的一个领域，但是现在自动驾驶，比如说离还要上路，它其实还有一段距离，但是其实在农业上面的自动驾驶，已经用得非常成熟了。比如说像自动农机系统，自动收割机，自动拖拉机，它为什么用得很成熟。因为它相对来讲，它是在一片比较既定的区域当中，你这个收割机，你今天的任务就是把这一片地都收割了。它在一个相对比较固定的环境当中，然后又是一个比较固定的路线，这个时候自动驾驶其实是非常适用的场景，除了自动驾驶在农业当中的应用之外，像（在）农业当中还有像土地确权这一些，它其实也是需要用到北斗的精确测量功能，然后来做土地确权，然后包括来给像这样的一些。比如说这片区域如果说受到了一些自然灾害，它到底受到了一个多大的自然灾害，也是要用北斗，然后来对它进行测量的，所以北斗在农业当中，其实也是覆盖了，它从播种然后到收割，然后可能到受到一些灾害，然后保险赔偿，然后包括到农村的土地确权，这个系列的全过程当中的。
从播撒农药，你把整个一块地。然后以前，是大家拿着这个喷药器是吧，一个一个喷，也不知道你喷过了，还没有（喷）之类的。像这个就是你把这个无人机，把这个路线弄好以后，然后就是根据导航定位这个数据，然后，整个这片土地就全部很均匀地。就像我们家的扫地机器人一样。没有遗漏，它也不会重复。刚刚过去的2020年，人们印象最深的就是新冠疫情对全球的影响，很多人说中国的防控，做得非常成功，我不知道这里面有没有北斗的功劳？现在我们一走到哪儿去以后，就是看通信的大数据，看你去到哪去了，是吧。这个对于我们做好防控，是非常有用的。再一个，像现在有了疫情以后，我们搞建筑的，去年（2020年）雷神山、火神山是吧。过去最原始的就是我们要拿上尺子，然后去进行丈量是吧。现在我们用卫星导航定位系统以后，就是不用再用尺子去量。那什么去量？我们精度已经有毫米级了，只要是我们上面装上一个芯片，我们定位好在什么地方，然后要打桩是吧，它就在这里面打一个桩。我们像建雷神山、火神山这样的，对大家来讲都是非常非常重要和具有特殊意义的，这样的一个（建筑）。首先你肯定还是希望它用，我们自主可控的导航系统，来为它做这样的保障。然后另外的话就是在我国和周边地区，北斗的定位精度，真的就是比GPS（全球定位系统）要高的，所以有一个精度又高，然后又非常可靠的这样的一个系统，一定是能够更好地保障，像雷神山、火神山七天建成，这样的一个看起来不可思议的这种中国奇迹。
其实在抗疫当中，真的是很多方面，它都是离不开北斗的。比如说疫情初期的时候，大家非常关注的有段时间是不是都买不着口罩了，就是很多人捐了一些口罩什么的，然后捐到武汉，这些口罩到底到哪儿了，其实牵动着全国人民的心，大家都特别的关注。所以对于像精准的物流配送，其实也是离不开北斗的，比如说像疫情期间，咱们每天然后都要报我们的行程，然后都会有大数据，然后知道每个人的一个行程的图，今天去哪儿了，昨天去哪儿了，在这个地点跟谁接触过？比如说这个地点大家都到过这个地方，那就可以精准地知道，在这个时间点上，他的密接（密切接触者）到底有多少。所以这样的话，如果有这种精准定位，咱们甚至可以知道你和密接者之间，有没有出现过一米之内的，这样的一个距离，所以也可以通过北斗的精准定位，然后来直接判断，你作为密接（密切接触者）的概率是多高，可以做到一个非常精准的这样的一个判断方向。说到这个话题，我们一块儿来看一下相关的短片。
清晨，当我们从睡梦中醒来，北斗导航卫星的授时功能校准着每天的时间，也参与更精准的天气预报。当你享用桌上的早餐，中国的农产品正在依靠北斗获得更高的产量和更快捷的运输。北斗服务着我们的大坝和水源输送，也包括国家电网中的能量涌动。我们可以随时得知购买的商品将在何时抵达，行驶的汽车可以依靠卫星导航来寻找更快的路径。繁忙的交通背后，北斗计算着下一班地铁到达的时间，调度着整座城市的公共交通、机场、铁路、港口，依靠北斗能更好地运转。当金融市场开启，北斗正在确保每一笔交易分毫不差，短短三个小时内，我们使用北斗导航卫星的场景几乎无处不在。今天，北斗系统已全面服务交通运输、公共安全、救灾减灾、农林牧渔、城市治理等各行各业，融入电力、金融、通信等国家核心基础设施建设，与新一代通信、区块链、物联网、人工智能等新技术深度融合，不断将美好的想象力变为现实的图景，然而北斗导航系统的服务功能还远远不止这些。目前北斗导航系统已经是覆盖全球了，现在我们已知的为世界上多少个国家提供服务？北斗三号的这个卫星导航系统，是一个全球卫星导航系统，应该是覆盖了全世界的每一个角落。从现在统计下来，就是大概有120多个国家，都已经在使用我们的北斗系统。刚才我们也提到了，北斗卫星导航系统的组网已经成功了，这是不是意味着以后不再发射卫星了？
我们在2020年6月23号，最后一个收官之星发完以后，就是标志着我们整个北斗的全球卫星导航系统建成，并且在7月31号就开通运行。但是，就从技术和可靠性角度来看，还需要打一些备份星。30颗星在两三年后，三五年后，可能就会有损失一颗星。另外一个，我们从这个国际上去来看，一般来说一个标称的24颗星这样的星座，那么都是要每个轨道面，就是要增加一到两颗星作为备份。因为每一颗轨道面卫星它还要进行什么呢？定期的轨道维持，那么在这个情况下它就不可用，所以有一些备份星以后，它就是保证了所有时间，所有时间段都能够可靠稳定运行。在十年后，我们还要发射相应的正式星，来接替我们现在北斗三号的卫星。那么这样的话，我们还要发展新型的导航卫星，我们现在就要开始研究和公关相关技术。那么应该是要做准备。对，要做准备，应该说一代更比一代好，我们从精度也好，从授时的一个精度也好，还是从功能上面的扩展也好，都会（有）进一步的一个改进，我们有那么多的硬核科技在不断的发展，实际上它真正给我们的民族，给我们的人民带来了这个底气是什么？
最开始的时候，如果我们没有北斗，但是我们肯定在生活当中，很多方方面面，你是离不开卫星导航的。在这个时候你没有选择，你可能只能够用GPS（全球定位系统）系统，比如说在我们没有原子钟的时候，你可能只能够采购国外的原子钟。在这种情况下，首先是别人给不给你，这个把控权完全不在你的手里，如果你一直用他的这个设备，然后来做我们构建我们自己的系统的话，你就会出现卡脖子的问题，什么时候这个芯片不卖你了，什么时候这个设备不卖你了，那就寸步难行。所以有了像北斗这样的一个自主的这样的一个科技系统，然后包括就是中国现在有非常多的自主的核心技术，自主的芯片等等这样一系列的设备之后，给你带来了最大的底气，就是可以开始说“不”。就是这个你不卖给我们，那行我不要了，我有其他的选择，所以在这种情况下，就会发现我们把自己的，经济系统、国防系统都构建在我们自主的技术之上了，就让大家对于国防的安全，对于民族的独立，然后对于我们未来经济的发展都特别的有自信。非常荣幸请到两位来到我们演播室当中，跟我们聊这个关于北斗的这样一个话题，谢谢两位！同时，也感谢各位收看我们今天的《透视新科技》节目！如果你想了解我们更多的节目内容，可以下载央视频去收看其他节目。好，那今天的《透视新科技》就到这儿了，我是胜春，咱们下期节目再见。
（通讯员 邓辉）
