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北斗三號開通:導航只是初級玩法 應用范圍僅受想象力限制

2020-07-31 12:34

新京報訊(記者 倪偉)共享單車急速涌入城市的短短幾年里,對它們的管理由“亂”到“治”,從起初的廣受詬病到如今越發井井有條,這背后依賴大量科技手段的助力。最新的管理水準已經可以做到對每輛單車進行厘米級定位,由此,讓它們停泊在無形的電子圍欄成為可能。

天上的北斗衛星和車里的北斗芯片,讓這一切得以實現。今年6月23日發射升空的北斗三號全球導航系統最后一顆組網衛星,2天前正式入網工作。今天(7月31日),北斗三號全球衛星導航系統正式開通,意味著這個由中國自主建設的30顆衛星組成的衛星星座,成為繼美國GPS之后,另一個為全球提供高質量導航定位服務的系統。

雖有“導航”之名,但北斗系統的應用絕非指路而已。由于衛星最核心的精準授時功能,在任何需要精準時間和空間基準的行業,北斗系統都將有用武之地。不過,要想將北斗的精準導航全方位拓展至天上、地下、水中,功夫還在衛星之外。

北斗導航解決共享單車“痛點”

去年夏天,300輛搭載裝有北斗高精度導航定位芯片的共享單車,在武漢投入場景應用測試,接入北斗地基增強網后,這些共享單車實現厘米級定位。只有將單車停在劃定的停車范圍內,App才會正常結賬,否則系統會發出警告,并收取額外調度費用,由此引導每一位用戶參與單車的規范停放。

這一技術很快在不同品牌的共享單車上實現應用,并迅速推廣至深圳、北京等城市。通過高精度導航定位、位置報告、北斗地基增強系統等功能,人、車、后臺信息達到了有效互通,不僅能夠更準確追蹤車輛和運維位置,還可以結合大數據管理平臺,實現智能調度運營,優化車輛調派。

北斗導航位置服務(北京)有限公司此前曾與共享單車企業開展過戰略合作,該公司總經理、國家重點研發計劃“地球觀測與導航”專項總體專家組成員曹紅杰介紹,該公司為此建立了統一的共享單車信息平臺,每一輛裝上定位芯片的單車,位置都實時更新,平臺數據同時向政府主管部門和共享單車企業開放。

據曹紅杰介紹,根據平臺數據,政府相關部門會對共享單車高度聚集的地區進行預警,一旦短期內聚集太多,形成“潮汐”效應,就派出卡車迅速運走,共享單車企業也進行車輛疏解和調配。同時,企業還可以根據平臺,找到被停到偏僻地帶的單車。

北斗導航為共享單車行業解決了“痛點”,共享單車行業反過來也為北斗產業帶來了巨大變化:不僅推動技術廣泛應用,還讓芯片成本大幅降低。

共享單車是北斗系統迄今最大規模應用的行業,曹紅杰說,共享單車廣泛使用北斗和GPS兼容芯片,使得擁有最簡單定位功能的北斗芯片價格大幅壓縮到6元至10元左右。

此前,北斗芯片價格都在幾十元上下,“原來北斗芯片比GPS芯片貴很多,就是因為產業規模小。”他說,“我是親身經歷的,這十年間,北斗芯片從幾千塊降到幾百塊,現在降到幾塊錢,最大的推動力就是共享單車行業的崛起。”

650萬輛營運車輛接入北斗

共享單車的故事,充分說明了產業端的活力,對于衛星導航系統的發展有多重要。

北斗產業近十年來的興起,面臨著從GPS手里搶市場的難題。GPS早在上世紀90年代就建成了全球系統,走上“一家獨大”的坦途,也在中國擁有了不少用戶。后起之秀北斗要“虎口奪食”,而自身芯片價格又貴得多,初期推廣十分艱難。

2012年北斗二號系統開通時,中國衛星導航系統管理辦公室主任冉承其說,北斗產業剛剛起步,與國外相比最大的差距在于價格,性能已經達到或者接近。他呼吁全社會力量更多應用、更多參與,讓北斗芯片價格盡快降下來。5年之后,冉承其表示,由于建立了完整的產業鏈和技術,加上工藝產能提升,國產北斗芯片單價已降至6元,在總體性能上也達到甚至優于國際同類產品。

芯片價格降低與使用規模密切相關,車輛運輸是最關鍵的行業。

中國衛星導航定位協會發布的《中國衛星導航與位置服務產業發展白皮書》顯示,截至 2019年底,國內超過650萬輛營運車輛、4萬輛郵政和快遞車輛、36個城市約8萬輛公交車應用了北斗系統。

交通部門正全面推進北斗系統在長江航運應用全覆蓋,建設長江干線北斗衛星地基增強系統,包括長江干線水富至長江口106個基準站、69個監測站,利用公網網絡和56個AIS基站進行播發。長江海事各分支局共設置13個監控終端,計劃完成長江航務系統近800艘公務船、2000艘社會船舶單北斗船載終端安裝和基于北斗的內河遇險報警管理系統、航運信息公共服務系統建設工作,為“智慧長江”建設提供重要保障。

交通運輸部2019年7月發布《數字交通發展規劃綱要》,提出到2025年交通運輸成為北斗導航的民用主行業,第五代移動通信(5G)等公網和新一代衛星通信系統初步實現行業應用,并要求加快北斗導航在自由流收費、自動駕駛、車路協同、海上搜救、港口自動化作業和集疏運調度等領域應用。

交通運輸市場一直是我國衛星導航與位置服務產業最為重要的市場,共享單車的異軍突起,則成為北斗產業發展進程中的意外驚喜。

曹紅杰認為,迄今為止,車輛運輸和共享單車是推動北斗產業化發展的兩個關鍵行業。650萬輛物流運輸車輛和千萬輛級共享單車接入北斗定位導航服務,成為北斗廣闊的“練兵場”,大規模運用使得北斗應用的性能快速提升,價格也快速降低。

挖掘機上裝北斗

雖以“導航”為名,但一個衛星導航系統的用途,卻遠超出我們所認為的電子地圖、車輛導航。在很多意想不到的行業,衛星導航系統都起到至關重要的作用,例如燃氣管網、農業水利、工程建設、文物保護,乃至電信、金融、保險等行業。

導航衛星系統的核心功能分為三類:定位、導航和授時。其中,授時的功能往往不被大眾知曉,卻是核心中的核心。每一個導航衛星的核心器件之一是原子鐘,其穩定度關乎系統成敗,北斗三號的使用的是“銣原子鐘”,以銣原子躍遷為物理基礎建立的極度精密的電子設備,300萬年只有1秒誤差。

實際上,導航衛星提供的就是授時信息,定位、導航都是利用精準的時間差計算延伸出的功能。中國衛星導航定位協會副秘書長王博說,導航衛星的核心價值就是提供精確的時空基準,時間和空間,是所有人類活動離不開的兩個要素。

精確的授時信息,能在需要精準時間的行業發揮作用。比如,電網就需要非常精準的時間基準,交流電本身每一秒都在變換,要讓發出的電上到電網,就要求頻率非常準。準確的頻率需要精準的時間,時間不準,整個電網的調度將無從談起。

再比如通信,尤其在5G時代,基站與衛星定位結合得比原來更加緊密。所有通信都有一個時間戳的概念,時間不準,發送和接收數據就沒有基準了,通信系統也會癱瘓。

還有金融系統,每一秒都有很多金融交易發生,每一筆交易到底在哪一個時間完成?要把一秒鐘分成幾百萬份,不可能再用普通電子表計時,就需要衛星導航系統的精準授時功能。

2016年1月26日,由于技術問題,GPS系統授時出現了百萬分之十三秒(13微秒)的授時誤差,持續了12小時,使美國和加拿大的警方、消防以及EMS的無線電設備停止運轉,歐洲電信網絡出現故障,英國廣播公司電臺停播長達2天,電網系統也部分出現故障等一系列問題。

業內有句廣為流傳的話:北斗的應用范圍,只受想象力限制。一些新興領域,也逐步成為北斗系統新的應用場景。

2019年開通的京張高鐵,是世界上第一條采用北斗衛星導航系統實現自動駕駛功能的智能高鐵,不僅實現了開車、運行、停車、開門等操作自動控制,而且在行駛過程中,列車車身安裝的數千個傳感器,像隨車醫生一樣,隨時進行車輛的自體檢,保障運行安全。列車供電系統也首次采用了輪軌式機器人巡檢,打破了以前人工檢測的局限。

不僅是高鐵,越來越多的打樁機、推土機、挖掘機等傳統工程機械上,也裝上了北斗芯片。

2019年建設中的內蒙古引綽濟遼工程,高精度北斗定位技術在大壩填筑碾壓中,輔助施工方實時監控并記錄施工的全面信息,精準引導作業。2019年京雄高鐵鋪軌工程也首次采用了加裝北斗芯片的鋪軌機,實現鋪軌作業運輸的智能化、信息化。

當前,我國僅各種工程機械保有量合計超過700萬臺,據估算,隨著北斗三號實現全球覆蓋,北斗智慧施工應用在國內外均有著巨大的發展空間,預計將形成數百億元的市場規模。

高精度定位的機遇與挑戰

在芯片價格不斷降低的背景下,高精度成為業內企業新的關注點。

去年5月舉行的第十屆中國衛星導航年會上,冉承其介紹,未來希望北斗系統能夠結合手機實現厘米級定位,可以與自動駕駛結合。“現在的情況是,經常叫了車,你在這頭,車在那頭,這最后100米就是痛點。如果我們手機有了高精度服務,出租車司機就可以精準地來到你的面前,消防車可以直接開到消防栓所在位置。”他說。

近幾年高精度市場持續發展,據統計,2019年國內各類北斗高精度接收機終端銷量超過20萬臺/套,其中國產高精度接收機銷量已占到50%以上。高精度天線出貨量31萬只,其中國產超過24。4萬只。高精度相關產品銷售收入從2010 年的11億元人民幣增長到2019年的74。8億元,復合增長率達23。7%。

山東、陜西等多個省份已經開展了北斗兼容CORS站網(連續運行基準站)開放試運行工作,向省內及周邊地區播發北斗高精度信號,面向國土管理、城建規劃、環境保護、地震監測、精細農業、智慧城市等提供服務。浙江省衛星導航定位基準服務平臺,免費提供實時米級甚至厘米級高精度定位服務。廣西、四川、云南、甘肅、陜西等多地針對地質災害多發防控需要,部署了基于北斗高精度的位移監測系統,全天候預警滑坡、泥石流、沉降、垮塌、地震、裂縫等災害的發生。

曹紅杰表示,目前滿足高精度要求的北斗芯片價格仍然很高,最貴的有幾千元,便宜的也有一二百元,這將是未來業內企業競相爭奪的高地。

北斗系統能否實現高精度應用,還取決于增強系統。增強系統分為地基和星基,可以理解為衛星信號的處理站。

北斗地基增強系統需要在地面建設一系列基準站, 由地面基準站接收北斗衛星信號,通過后臺系統消除衛星軌道誤差、鐘差、電離層折射等影響,向用戶播發出修正過的信號。由此,可以在服務區域內提供1-2米、分米級和厘米級實時高精度導航定位服務。北斗星基增強系統,通過地球靜止軌道衛星搭載衛星導航增強信號轉發器,實現對衛星導航系統定位精度的改進。

“對于衛星導航系統而言,對精度和可靠性的追求一直存在。”王博說,北斗系統長遠目標是在各個空間,包括海陸空和水下,都能夠用到更精準的導航定位。如今衛星星座已成,未來的重點是以北斗衛星為核心帶動傳感器等領域發展,由產業鏈各方共同努力,讓北斗的觸角延伸到天上、地下、水中。

責任編輯:張思宇(QX0007)

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