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知料 | 除了抓扇贝,你还应该知道北斗的这些事

汝晴 · 2020-06-25
到2020年,产业规模超过4000亿元。

“出逃”N次的的獐子岛扇贝,这次终于被北斗系统抓住了行踪。

昨天,证监会依法对獐子岛公司信息披露违法违规案作出行政处罚及市场禁入决定。其中提及,“此次查办獐子岛案的过程中,证监会借助了北斗导航定位系统,委托专业机构,通过獐子岛采捕船卫星定位数据,还原了采捕船只的真实航行轨迹,进而复原了公司真实的采捕海域,最终揭开了獐子岛财务造假手段的谜题。”

就在前一天,6月23日,“北斗三号”最后一颗全球组网卫星——第55颗北斗导航卫星成功发射,顺利入轨。至此,北斗三号30颗组网卫星已全部到位,北斗三号全球卫星导航系统星座部署全面完成。

北斗卫星导航系统(BDS,BeiDou Navigation Satellite System,以下简称:北斗系统)是中国自主发展、独立运行的全球卫星导航系统,与美国的 GPS、俄罗斯的 GLONASS、欧盟的 Galileo 构成全球四大卫星导航系统。

作为国家重要空间基础设施,全面建成的北斗系统可以为全球用户提供全天候、全天时、高精度的定位 、导航、授时和短报文通信服务。

在大多数普通人脑海里,提起定位导航,首先想起来是GPS。对于大多数80、90、00后,对北斗的了解还停留在教科书里那段简单的描述。

其实,北斗系统早就深入了普通人生活的角落里,据报道,北斗系统已经为70%入网的智能手机用户提供了服务。而北斗系统的身后,是3400亿元的产业市场,并且这一市场预计在未来一段时间里,还将每年会保持20%左右的增长。

为什么要建设北斗系统?

将时间拨回30年前的1990年,当时美国刚于前一年发射了第一颗GPS,但世界却已看到GPS系统的威力。

1990年,海湾战争打响。还未建成的GPS系统为攻击部队提供了精确的定位,帮助美军军舰精准打击敌军,GPS系统从此名声大振。

早期的卫星导航定位系统仅用于军事领域,可以说,导航定位系统就像是武器装备的“眼睛”,是精确打击目标的关键。这样的军事关键如果无法自主控制,一旦出现紧急情况,国防军事、国家安全都将受到掣肘。

在民用领域,卫星导航定位系统同样重要。

航空和航海的导航依靠卫星进行定位导航、判定方向,一旦失去方向不但会使航行面临危险,还将面临极大的经济损失。

而在电力、金融证券和移动通信等重要领域,则需要卫星“授时”服务,提供高精度的时间同步。无法获得统一的时间将导致系统工作混乱甚至瘫痪,如2010年,中国电信的CDMA网络(需要严格时间同步的网络制式)就曾因GPS系统的一次普通升级出现了大范围告警。同样出于系统稳定与安全角度考虑,采用自主服务更加合适。

当然,卫星导航系统背后的经济效益也是重要原因之一。目前,卫星导航系统已在测绘、电信、水利、气象、煤炭、交通、渔业、勘探、农业、森林防火和应急救援等各个领域发挥着重要作用。

据欧洲全球导航卫星系统局(简称GSA)的数据,预计到2029年全球卫星导航市场总产值约为3244亿欧元(约25878亿人民币),将会比2019年的1507亿欧元(约12021元亿人民币)翻一番。而从区域层面看,亚太地区的贡献率最高,预计到2029年,亚太地区的GNSS终端保有量将达到51亿台,占全球总量的53.5%,产值更是将达到1060亿欧元,约占全球总产值的1/3,这清楚地表明了未来十年全球GNSS市场将以亚太地区为核心。

针对仍在快速发展中的超万亿全球市场,建设具有全球服务能力的北斗系统,不仅可以更好地培育国内导航产业,还可以拓展国际市场,比如对外向亚太国家提供服务。

另外,建设北斗也是为了满足是定位、导航、授时精度的要求。 GPS系统使用24颗卫星覆盖全球98%的地区,采用无源定位方式(即接收终端就接收卫星信号无需发送电信号,类似于广播信号)免费向民用开放。在但是在实际应用中,GPS为特许民间用户提供“精码”服务,其单点定位精度为5—10米;对于非特许一般民间用户,提供“粗码”服务,其单点定位精度为20—40米。在此前很长的时间里,美国对我国仅向我国提供“粗码”服务,后逐步将开放精度提升至10米。而公开数据显示,GPS军用最高精度在0.3m左右,但并不对世界任何一个国家开放。

于是,自主建设导航卫星星座成了进一步提高精度的重要手段之一,理论上,天上的卫星越多,卫星导航系统定位也就越精准。

根据千寻位置披露的数据,如今,北斗卫星可见数量在全球多个国家和地区已经超过了GPS,尤其是在亚太地区,北斗的可见卫星数量是GPS的两倍左右。根据《北斗卫星导航系统发展报告(4.0版)》,在全球范围内,北斗的定位精度达到水平10米、高程10米;测速精度为0.2米每秒。亚太地区,定位精度水平5米、高程5米。结合星基增强和高精度板卡,北斗能提供亚米级、分米级,乃至厘米级的高精度定位服务。

高精度的定位服务可以进一步满足车联网、物联网、无人机、机器人等新应用的需求。

26年:北斗的漫漫星路

上世纪80年代,我国就开始探索适合国情的卫星导航系统发展道路,2000年,我国发射第一批北斗卫星。此后,20年的时间里,按照“三步走”计划,长征三号甲系列运载火箭在西昌卫星发射中心共进行了44次北斗发射任务,先后将4颗北斗一号试验卫星、55颗北斗二号和北斗三号组网卫星送入预定轨道,任务成功率100%。

“三步走”发展战略:

  • 1994年,启动北斗一号系统工程建设;2000年,发射2颗地球静止轨道(GEO)卫星,北斗一号系统建成并投入使用。2003年,又发射了第三颗GEO卫星,进一步增强系统性能,可以基本满足了中国及周边区域的定位、导航、授时需求。2013年,北斗一号卫星完成任务退役。

  • 2004年,启动北斗二号系统工程建设;2012年年底,完成14颗卫星发射组网。北斗二号系统在兼容北斗一号技术体制基础上,增加无源定位体制,为亚太地区用户提供定位、测速、授时、广域差分和短报文通信服务。

  • 2009年,北斗三号系统建设启动。到2020年,完成30颗卫星发射组网,全面建成北斗三号系统。北斗三号系统继承了有源定位和无源定位两种技术体制同时建设了“星间链路”。北斗三号在北斗二号的基础上,进一步提升性能、扩展功能,为全球用户提供定位导航授时、全球短报文通信和国际搜救等服务;同时在中国及周边地区提供星基增强、地基增强、精密单点定位和区域短报文通信服务。

北斗系统示意图 来源:北斗卫星导航系统官网

这三步看似简单,但期间也经历了“双星定位”、“缘断伽利略”、“开挂式组网”的跌宕起伏。

北斗的建设始终与中国的综合国力息息相关,早在上世纪60年代,中国就开始研究卫星行为系统及其服务,但由于当时国力羸弱,无法展开。

自1970年,中国发射第一颗人造卫星开始,中国航天卫星产业飞速发展,到1983年,中国已经具备了制造并发射地球同步轨道通信卫星的能力,并已经建立起了庞大的卫星地面测控网和轨道数据处理中心。

同一年,“两弹一星”元勋、中科院院士陈芳允首次提出了一个大胆的构想:用两颗地球静止轨道卫星,覆盖中国区域,实现定位、定时,还能兼具通信功能。这一设想就是日后所称的“双星定位”理论。1989年,该理论第一次被成功演示。1993年,“双星定位系统”正式立项研制。北斗一号的雏形出现。

1994年12月,北斗导航试验卫星系统工程获得国家批准。2000年,发射两颗卫星,完成组网。

由于两颗卫星无法实现无源定位(至少需要4颗卫星),北斗一号只能采用有源定位的方式,即用户需要用户需要发射信号,系统才能对其定位。

简单来说,其过程可以概括为:首先用户终端通过导航卫星向地面控制中心发出一个申请定位的信号,之后地面控制中心发出测距信号,根据信号传输的时间得到用户与两颗卫星的距离。此外,地面站还将获取到用户所在点位至地球球心的距离,由此就好比在地球中心装了一个虚拟的卫星,获得了第三坐标,从而根据三球交汇的原理计算出用户位置,再将信息发送到用户的终端。

由此整个过程实现了卫星和终端的双向互动,具备有短报文通信能力。由此形成了北斗系统最鲜明的传统特色——有源定位和短报文通信,这是其他卫星导航都不具备的,之后的北斗卫星导航系统除了使用新的技术外,也保留了这项技术。

经过北斗一号的建设,北斗系统建设者们意识到了国内在导航卫星技术和经验方面的不足。彼时,欧洲正在建设伽利略系统,正在寻求外部合作。而中国也希望能在合作中学习欧洲先进和经验,2004年,中国作为第一个非欧盟国家加入“伽利略计划”的,并为这一计划提供2亿欧元的研发经费,根据中欧双方签署的合同,中方将参与开发全球卫星导航系统在渔业中的应用、基于位置的服务标准化、电离层中定位信号的修复。同年,中国开启了北斗二号系统建设。

北斗卫星图 来源:北斗卫星导航系统官网

2006年,欧盟以公共监管服务(PRS)等安全问题为由,决定将伽利略国有化欧盟化,不让其他的国家参与。

于是在2007年,北斗与伽利略的缘分已尽,中国退出伽利略计划,开始自己独立研发新系统。但北斗与伽利略故事还没画上了句号。

北斗和伽利略又在卫星频段上相遇。

伽利略计划和北斗分别在国际电联ITU进行了频率的备案,但是双方导航系统的频率在1164MHz~1215MHz段内高度重合,按照IUT的“先用先得”原则,双方需要竞争频率。

最终,中国先于欧盟在 2007年发射了卫星,占据了E1、E2、E5B和E6频段,并拥有这些频率范围的主要权利。而E1、E2频段正好是为伽利略的公共监管服务(PRS)分配的。

此后,欧洲就此频率问题和中国进行了多轮谈判,但中国始终没有退步,中国并无法律责任或义务为PRS让出频段,2010年,中国又发射了第三颗“北斗”二代卫星,正式启用该频率,接着北斗二代剩余的卫星陆续于2012年全部发射入轨,最终组成14颗卫星的卫星星座,能够覆盖亚太大部分地区。

2009年,北斗三号也启动了,并作出了详细的推进计划。

2017年11月5日,中国以“一箭双星”的方式发射了首批两颗北斗三号中圆轨道卫星,正式开始全球组网的“北斗”全球卫星导航系统。

2018年,由陆续发射了18颗北斗卫星,同年12月27日,正式对外宣布北斗三号基本系统完成建设,开始提供全球服务。2019年又接连发了10颗卫星。直至此次,发射的最后一颗北斗组网卫星,北斗卫星导航系统正式完成全球组网。 

 北斗系统有何特别?

1.有源定位和短报文通信

上文已经介绍了北斗系统有源定位。之所以说北斗系统是既可以导航又能通信,就是因为北斗具备其他卫星导航系统都没有的短报文通信服务,即用户可以在服务范围内通过北斗终端向卫星发“短信”。

这一功能看似简单,但却实用。

在无人区、荒漠、海洋、极地等的普通移动通信信号不能覆盖的地区或遇到地震、洪水、台风等通信基站遭受破坏的情况。北斗的短报文就会成为重要的沟通工具。

比如在汶川地震救援时,就将北斗用户位置和短报文信息引入了灾情监控系统,在通信不畅的时间里,救援部队就是通过短报文进行通讯。另外,北斗短报文在渔业也有很好的应用,在没有移动通信信号的海域,渔民可以使用北斗系统短报文功能报平安,遇到紧急情况可以及时求救报警,2019年的中国卫星导航年会上,北斗系统新闻发言人冉承其提到,全国7万余艘渔船和执法船安装北斗终端,累计救助1万余人。

相较于卫星电话,北斗的短报文终端价格更低,每条报文服务费仅几毛钱,北斗三号系统建成之后,短报文通信功能,将实现服务中国及周边地区,容量提升10倍,单次报文长度1000个汉字。

2.星间链路

简单来说,星间链路是航天器与航天器之间具有数据传输和测距功能的无线链路,相当于卫星之间的“微信”。星间链路可实现卫星之间的双向精密测距和通信,从而能够进行多星测量,自主计算并修正卫星的轨道位置和时钟系统。

星间链路示意图 制图:36氪

北斗系统采取Ka频段中速星间链路,拥有最高的测距精度(7万公里测距精度达到厘米级),可以链接其他类型的卫星,还具备多线程、抗干扰的特点,能多线路同时运转。

建立星间链路的好处也十分明显。首先无需在全球范围建设地面站,境外监测定位可依靠星间链路来完成;其次,可以提高整个系统的抗风险能力,即使地面站全部失效,30多颗北斗导航卫星也能通过星间链路为地面用户提供精准定位和授时。

3.空间段混合轨道

对于卫星导航系统来说,星座卫星的轨道分布直接关系到整套系统的建设成本以及建成之后的服务效果。一般来说,如果采用低轨道,虽然发射成本比较低,精度较高,但若覆盖全球的话则需要200颗左右的卫星。如果采用高轨道,理论上三颗卫星就能覆盖全球,但发射难度大,定位精度低。中轨道是比较折衷的方案,覆盖全球只需要24-36颗卫星,而且精度也相对较高。美国GPS系统就是24颗卫星的中轨道星座。

而北斗三号全球卫星导航系统则是由MEO卫星(地球中圆轨道卫星)、IGSO卫星(倾斜地球同步轨道卫星)和GEO卫星(地球静止轨道卫星)三种不同轨道的卫星组成,包括24颗MEO卫星,3颗IGSO卫星和3颗GEO卫星。

北斗卫星导航系统工程总设计师杨长风曾在报道中说:“全球星座部署和区域星座部署相结合,正是北斗独创的一门技术,既可以实现全球覆盖、服务全球,又可以突出服务重点,提供特色服务。”并解释北斗混合三轨道布局的特色,其中,24颗MEO卫星是核心,确保北斗三号系统能均匀覆盖全球。3颗静止轨道卫星,能为亚太地区提供大容量的短报文通信、星基增强、精密单点定位等特色服务。此外,还有3颗运行在倾斜地球同步轨道卫星,始终聚焦亚太地区,运行轨迹点就像是“8”字。

北斗背后的蓝海

空中的基础设施已经将戏台搭好,接下来就要看北斗产业唱一出好戏。

边建边用,一直是北斗系统的主旋律。2013年,《国家卫星导航产业中长期发展规划》发布时,外界普遍将这一年视为北斗二号商用元年。该规划提出,到2020年,我国卫星导航产业创新发展格局基本形成,产业应用规模和国际化水平大幅提升,产业规模超过4000亿元,北斗卫星导航系统及其兼容产品在国民经济重要行业和关键领域得到广泛应用,在大众消费市场逐步推广普及,对国内卫星导航应用市场的贡献率达到60%,重要应用领域达到80%以上,在全球市场具有较强的国际竞争力。

企查查数据显示,2013年后,与卫星导航相关企业注册量几何式增长。截至今年6月,全国范围内,卫星导航相关企业近1万家,其中在业存续状态企业数量达7500家。

近十年卫星导航相关企业注册情况

将北斗产业按照上游、中游、下游进行划分,可以更好的判断北斗系统背后的产业蓝海。大致来看,北斗产业可以分为上游的基础数据、基础器件(芯片、天线、板卡等)和基础软件(GNSS接收机+电子地图);中游主要包括各类终端集成和系统集成产品研制、生产及销售;下游是基于各种技术和产品的应用及运营服务环节。

数据显示,2019年我国卫星导航与位置服务产业上游、中游、下游的产值分别为342亿元、1582亿元、1526亿元。预计2023年中国卫星导航与位置服务产业上游、中游、下游市场规模将分别达到560、2512、4910亿元,2019年-2023年复合增速分别为10.37%、9.69%、26.33%。


北斗产业链上的部分公司  来源:浙商证券研究所


2015-2023年中国卫星导航与位置服务产业各细分市场总市值(单位:亿元)

由此可见,未来下游应用是北斗产业占比最大、发展最快的部分。

从现有的企业数据,不难发现,北斗开始在通信、车辆导航、信息服务、智慧城市、测绘领域广泛应用。企查查数据显示,卫星导航相关企业主要集中在批发和零售业消费领域、软件和信息技术服务业等专业应用领域,其占比分别为:24.9%和17.99%。

在各分类应用业务中,通信、车辆导航、信息服务、个人追踪占据了很大的份额,其中通信业务的相关企业数量最多,达4000余家,是涉及汽车业务的近2倍,拥有智慧城市业务的卫星导航相关企业数量已经接近200家。

国内卫星导航相关企业主要领域应用细分

北斗系统的核心功能是定位、导航和授时。作为一个基础设施,北斗系统只有与多种先进技术相结合才能发挥出北斗系统全天候、全天时、高精度的特点,最终更好为下游应用服务。

中国信息通信研究院发布的《北斗定位技术与产业发展白皮书(2019年)》随着北斗导航技术与地基增强技术、5G 、物联网、移动互联网、云计算、边缘计算、人工智能、机理模型等新技术群落的融合,北斗系统已经在智慧城市、穿戴设备、智能制造、车联网、自动驾驶、公共基础设施自动化监测、智慧农业、电网安全维护等方面取得应用,并将继续扩大在这些领域的渗透。

比如,带有北斗导航的无人驾驶拖拉机,只要输入数据、方位,就能精准作业。目前,该类农业应用已经在北京、黑龙江、辽宁、新疆、山西、湖北、江苏、上海、浙江等省市应用。而在自动驾驶家用车领域,一般需要亚米级甚至厘米级的定位精度,未来在 5G 基站辅助定位、北斗地基增强系统的支持下,未来北斗三号系统可满足车联网对高精度、高可用性定位的需求。

在消费电子领域,截止到 2019 前三季度,中国大陆地区共发售具有定位功能的手机 414 款,其中支持4G+北斗功能的 273 款,5G+北斗功能的 16 款,总占比 70%。

根据规划,作为定位导航的基础设施,目前北斗的服务由北斗二号系统和北斗三号系统共同提供,2020年后,将平稳过渡到以北斗三号系统为主提供。下一步的计划是到2035年,以北斗系统为核心,建设完善更加泛在、更加融合、更加智能的国家综合定位导航授时体系。

这也就意味着北斗系统定位精度也将一步步提升,这也将促使北斗相关芯片、相关核心设备进一步提高性能,提高北斗终端小型化和电池续航能力,逐步开发出比现在更为广泛的应用场景。

(实习生周子轲对本文亦有贡献)

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