许其凤院士：为什么要发展北斗应用

战略前沿技术

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来源：智能交通世界网

许其凤教授的每一句话都有巨大的信息量，也不用隐瞒啥，把北斗为什么要同步轨道卫星和倾斜同步轨道卫星、我国原子钟受制于人、我们的广域差分等问题讲得非常清楚。

感谢大会给我这样一个机会，来宣传一下北斗。

为什么说这样话呢？这两年我接触一些业务圈以外的人士，包括用户。好像他们对整个北斗系统的了解不是特别多，或者说不是特别系统，存在了很多问题，所以我觉得宣传是一方面，建设也很重要，让客户以及更多的人了解北斗，这样才可以使用。

我主要向大家宣传卫星导航系统，也就是北斗系统。因为在座很多都是产业界的人士，我尽量联系一下产业方面的情况和思路。

我是学校工作的，通俗讲叫做“书呆子”这个跟产业不大沾边，有讲的不到位的希望大家理解，同时也请批评。

产业的发展是成败的标志，我指的是卫星导航系统。卫星导航系统成功在于广泛的应用，并且取得效益。这个效益不仅仅是芯片制造商的效益，也不仅仅是整机的提供商的效益，还有应用在铁路上，对铁路性能的提高产生什么样的效益，对大坝监测上以及水力发电有什么效益，我理解这个是有广义的。

另外就是相关产业的发展是广泛应用的标志，作为卫星导航系统，应用的方面很多。但是相关产业的发展，标志着广泛应用的程度如何。比如说卡片相机用的很多，这个说明数字摄影取得很大的应用。现在很多人提出这样的问题，当然可能不是会议的，会议的时候不提，现在 GPS已经占领了市场，北斗产业究竟怎么发展？说的更直接了当一点，不说我的身价性命，就是这点家当投进去保险吗？这样的问题我不能回答。我提供北斗的情况，请大家自己做结论。

关于GPS占领市场，北斗到底有没有出路的问题，使我想到彩电的问题。80年代是日本的彩电占领我们国家的市场，那个时候只要看彩电不是东芝就是夏普的，到了90年代国产彩电占领了市场，短短的10年，我们靠什么夺回的市场？一个是相对优越的性能，我说的相对优越，不是整个系统的性能完全超过日本，是说在我们中国显示的更优越。

日本彩电因为日本发射台离的都比较近，接受机灵敏度不需要很高，信号强度够了。但是在80、90年代的时候，我们国家还不是数字电视，信号并不是很强，距离也比较远，因此就出现一个信号。日本的彩电有雪花，我们国产的彩电没有。优越不优越？优越，老百姓就认这个，其实这个就是局部的优越，就是灵敏度提高了。

所以相对优越的性能是可以做到的，还有一个就是相对低廉的价格。彩电是做到了，我想我们的卫星导航产业应该也可以做到。另外是方便快捷的服务，因为我们的生产商、销售商就在本地，因此你只要出了问题，你打电话就会有人来维修。靠着这三条，十年的时间我们把日本的彩电市场赶走，我们把彩电市场夺回来了。

卫星导航系统的性能，是性能相对优越的基础，我们说性能要优越包括两个方面，一个是我的接收机、我的用户系统，我的整个系统性能好，还有一方面就是产业界有自主权的，就是心里有数的，但是没有数的就是整体的性能如何。

关于北斗卫星导航系统怎么样，有人说不错，又是我们国产的、自主知识产权、双赢等等一大堆，如果有人对我这么说我是不信的，你光给出这样的结论和标题我信不过，就是得拿出具体的东西，我自己会判断，就是究竟有没有优势，我试图在这方面做点尝试，因此我的报告没有结论，我只介绍情况。

在座的专业可能差距比较大，我简单把卫星导航系统说一遍，卫星导航系统是由一定数量分布的卫星，包括卫星的高度、卫星的倾角、卫星的轨道组成的空间部分，这个叫做卫星星座，比如GPS是由24颗组成的，叫做中轨卫星MEO。还有一部分是地面监测站不断观测所有的卫星，对所有卫星计算轨道，计算钟差。

通过注入站将轨道、钟差参数注入到卫星，用户接收机利用卫星发播的测距信号测距，依靠卫星的位置，用测量的距离解算自身的位置。如果简单点就是这三点。

避短扬长的北斗星座设计，一般都是扬长避短，为什么是避短扬长呢？这个是故意的，合适不合适大家来判断。首先说发展的瓶颈，我这里侧重讲不利条件，这个也是和大家习惯不是很一致，首先强调我们有多少有利条件，然后再想有什么不利条件。作为我的观点来讲，不利条件更重要。

因为你漏掉一个有利的条件，后果很可能是没能锦上添花的。如果你漏掉一个不利的条件，后果可能是颠覆性的。作为发展卫星导航，因为我们是后发展的，在我们前面有GPS，我们完全可以发展GPS发展我们国家自己的系统，我们也学习，但是不能完全照搬。全面照搬是最简单的问题，也是最省事的问题。但是我们学习GPS还是遇到一些问题，这个是很难在全球布设监测站，我们说高精度定轨需要卫星全弧段的监测。比如我就测一小段，这个圆画不准的。

有一个实际的数据，卫星位置的误差，左边是有监测数据的，右边是没有监测数据，完全靠外推的，我观测一小段推一段，这个位置误差会很大，一旦没有监测数据，误差会急剧增加。

对于绕地球的GPS卫星是中轨道卫星，东西旋转。对于这样监测站要全球分布，这一点美国可以做，我们做起来有困难。我们很难做到全球分布。

第二个问题就是星载原子钟相对滞后，依靠卫星的位置，通过测距来解算定位，测距怎么测？就是依靠信号传播的距离，距离=传播时间×光速，如果数字错一点，那个误差就大多了。所以对于星上的钟，所有的信号都是根据钟来发播的，那就要求很稳定的度星载原子钟，那就是10的13次方，大约就是百万年差一秒。

我们国家星载原子钟发展相对滞后，我们也都从美国、欧洲进口很高精度的原子钟，他们知道我们要搞卫星导航系统，结果就禁运了，一台也不卖给我们。像这样的两个问题，我说可以算是两个瓶颈问题，这样的问题很难在短时间解决。全球布站，我们很难短时间内发展，这个确实有一定困难。

我们是想试图从星座设计来寻求绕过瓶颈的办法，当然试图的途径很多，都曾经进行过探视，但是这条路我们走通了。

提到星座设计我们首先有三种卫星轨道，这是全球的图。一种是中轨卫星轨道MEO，高度是两万千米，像GPS，计划钟伽利略都是这样的高度，绕着全球转。

还有一种轨道是同步卫星轨道，这个是3万6千千米，就是要在赤道面上，同时要维持这个高度。同步卫星就是跟着地球一起转的高度，只有在这个高度才能跟地球自转一致起来，从地球上来看就是不动的。

还有倾斜轨道的同步卫星IGSO，这个高度同GEO一样，只不过不在赤道上，GEO是在赤道上，倾斜的角度我们采用是55度，在地面上观察轨道是像“八字型的”的轨道，从地面上观察来讲是有不同的特点。MEO是从东到西绕着全球转，GEO卫星是始终不动的，在我们国家上空发一个GEO，我们随时随地都可以看到的。IGSO卫星是南北转，而且有一定的弧度范围。

我们说如果选择MEO或者IGSO轨道，如果可能绕过前面讲的两个瓶颈。因为这两个卫星不是东西跑，是南北跑，这个总跑不出我们国家，会离开我们国家的境内，但是不远，我们可以看得见，就是可以监测的到。这样我们就增加了跟踪弧段，IGSO和GEO我可以跟踪，如果和GPS一样的MEO，我们观测的弧段那只占全弧段的40%，那个精度就差了。

在国内设站的情况下，可以实现对GEO和IGSO的全弧度监测，这样就解决了我们没有办法在全球布站的问题，这样降低了星载原子钟的要求，要想取得准确的时间，我可以表好，比如说是欧米茄，我也可以天天和中央人民广播电视台对表，一个是表好，一个是勤对，如果不能勤对，那就是表好。但是如果GEO和 IGSO我随时可以看得见，我随时都可以对表，因此在国内设站的条件下，可以实现勤对表。这样降低了对星载原子钟的技术要求，给我们国家发展高精度原子钟争取了时间，不是不发展，我们还是要发展。但是想立刻拿出来，这个拿不出来。这个不像包饺子，这个需要一个国家，有时候需要十年，甚至更长。国外比我们时间还要长，我们必须要一个发展的时间。

我们既然避开了两个发展的瓶颈，我们还要充分发挥GEO和IGSO的利用率高的特点，我们不是搞全球系统，而是一个区域系统，我们一会可以看到这个区域系统究竟有多大。

对于区域系统来讲，我们说这两种卫星的利用率是可以达到80%以上的，对于MEO我们国家的区域系统来讲40%，差了一倍。利用率高就意味着我们可以用比较少的卫星来达到同样的效能，这个是划算的，投入性能比也比较好。

在具体设计当中，经过了很多的探测，五个GEO和五个IGSO也就是十个卫星取得了满意的效果，对于覆盖区域大体上也接近地球的三分之一。

作为北斗二号，第一期就是区域系统，第二期就是全球系统。第一期星座就是5GEO+5IGSO。在赤道上分布了五个红点，就是地球同步卫星，同时在蓝色的地方是IGSO卫星，红色是不动，蓝色是沿着轨道运动。

如果说按照测距误差是两米的话，我们可以达到，甚至更高一点，我们估计一下这个系统究竟怎么样？我们给了一个图，这里分成几种颜色，绿色、蓝色、红色，绿色里面是由数字组成的。如果是6，这个就表示24小时之内最大的标准差是6米。蓝色的6，这个就不是6米了，是定位精度16米，红色6是26米。我们最关心的是橙色的，为什么最关心这个呢？这里有很多的蓝色的符号，都是美军在我们国家周边的军事基地，美军军事基地放在这里我们不关心行吗？不关心我们很可能会得到和伊拉克、利比亚、科索沃一样的结局。所以把最关心的放在这里，我们基本上6米到7米的样子，我们精度GPS也是一样。

刚才我们还讲了，采用这种卫星是利用率非常高，充分利用了利用率高的特点，其实这不是最早的方案，最早的方案是采用地球同步卫星和美国GPS一样大MEO卫星，这个方案已经上报给***，而且得到了首肯。

4GEO+12MEO效果是一样，我们最关心就是北半球，也就是说用16颗卫星还赶不上10颗卫星的性能好，就是我们重新发挥了IGSO和GEO利用率高的特点。总结起来就是前面的避短扬长，避开我们的瓶颈，扬长高利用率。

区域系统有区域系统的优势，系统级的广域差分，这个是美国人为了降低民用精度搞的SA，这个就是人为加入轨道误差和钟差误差，就是从30米降低到100 米，美国民用最开始测试是30米，结果达到的是20多米。但是美国军方认为这个不行，因为民用美国人可以用，那世界其他军方也可以用，那就是降低到100 米，当时为了解决这个问题，其实也是美国先提出来的，就是差分。最后发现比较好就是广域差分，广域差分原理很简单，就是布测一些参考站，这些站我是精确知道的，我也是利用GPS定位，利用你不对我来反求出来卫星轨道偏了多少。为了做到这一点，需要建立差分参考站，像我们国家需要20来个。

另外需要计算中心，还要通过注入站向地球同步卫星发射，把数据发射给卫星，地球同步卫星再告诉用户，这个同步卫星是GPS以外的。参考站观测卫星，通过注入同步卫星向用户发播修正参数，精度从100m提高至5m左右。

广域差分有一个特点，就是区域的，不是全球的，我的用户在监测站范围之内用这个东西，另外是用户级的系统，GPS系统已经建成了，如果要增强，就是进差分站搞注入中心，再发同步卫星，但是发播的信号是一样的，所以不是原来的系统级，是一个用户级的系统。它的功能是可以提高轨道和钟差的精度。

它只能提供参考站内的用户，站外就不灵。你是靠站来监测卫星，求出修正值，我们说MEO卫星是东西转的，如果转到东边，你东边用户可以看到这个卫星，但是你监测站测不到这颗卫星，因此就没有修正值，用起来就不太好用，用户跑到美国在我们这毫无办法。

美国人像欧洲搞的系统都是这样，要建立广域差分系统，需要建立参考站、计算中心、注入站、同步卫星，我们计算中心有了、导航系统本身有计算中心，导航系统本身有注入站，导航系统本身就有五颗地球同步卫星，因此我们就建立一个系统级的广域差分的系统，就在建北斗系统的时候，就把广域差分系统融在里面。一般叫做二级监测站，指的就是这个。

应该说这是我们建成的第一个系统级的广域差分系统，显然这个投资要少的多，性能也会好的多。同时不仅仅是对一个系统，只对北斗进行广域差分服务，因为同步卫星多，因此在信号编排格式的时候，既可以为北斗发播差分信息，也可以为GPS，同样也可以为伽利略发播差分信息，就是有可能能够为三个系统服务的广域差分系统。

同时可以为北斗全覆盖区提供差分服务，就是我们覆盖区是比我们国土要大的多的区域，按照一般的广域差分你必须在国土内。不管用户在最东边还是在西边，你看到的卫星就是十颗IGSO和GEO，这十颗在国内监测站随时随地都可以监测，我可以为广大的区域提供广域差分服务，这个是以前的广域差分系统所没能做到的，当然只限北斗，对GPS不灵，对伽利略也不灵，也就是监测站的范围之内，对北斗可以更广泛一些。

另外在建设阶段可以规避一些风险，最主要的技术风险就是轨道开始的时候可能测不准，我们的钟差也可能测不准，广域可以进行很好的修正，可以规避一时达不到设计指标所带来的影响，达到很好的结果。正像我们前面讲的，在GPS做广域差分的时候，我们可以从100 米提高到5米，我们开始做也不至于差到这个程度，从某种意义上讲，这个是很主要的规避风险的的措施。

我们讲到北斗的情况，尽管是很简略的，我们可以把北斗的特点综合的讲的叙述一下。实际上卫星导航系统是很复杂的系统，有很多方方面面的问题。

　　第一个是绕过发展阶段技术瓶颈，充分利用区域的有利条件。

　　第二个是性能投入比比较高的系统。

　　第三个是具有系统级广域差分的系统，覆盖最大的差分导航系统。

另外能够规避主要的技术风险，具有位置报告的功能。位置报告北斗1号就具备，北斗2号继续使用下来。位置报告就是搞GPS，如果一个车出去了，我可以知道我现在在哪？但是我家里不知道，要想让我家里知道，那就需要通讯设备。但是作为一个系统本身，就具备这样的功能，这个是很重要的。

如果说我需要位置报告，需要把我的位置报告给指挥部，比如我渔船出海了，我需要把位置随时报告给指挥部，如果有台风指挥部会随时告诉我，这个就很重要了。手机系统到海上都不灵了，因为没有基站，卫星系统可以，可以通过卫星系统。但是卫星设备有多大呢？GPS用户机手掌这么大，GPS辅助设备大很多，我说的是卫星通讯设备，而不是手机。如果没有基站怎么办？还有就是很重要的备份手段。

比如说汶川地震的时候，很多通讯手段不灵了，所以中央不知道汶川震到什么程度，灾情怎么样，多大范围都不知道。最早把消息传出来的是我们抢险部队带的北斗接收机，相当于短信发播出来的，这个是最早得到的消息。当然也有遗憾，这种消息报了几天就没有了，因为没电了。当然北斗1号耗电量比较大，这个也是不足的地方，这个也是具有优势的地方。

北斗是第一个实现三频发播的卫星导航系统，美国人GPS现代化要增加一个频率，为什么发播这个频率，因为民用用处很大，只有一个频率，消除不了电频层。当然第三频还有一个作用就是搜索。尽管美国人第一个提出来的，但是很可能我们是第一个实现的。美国人这么早提出来，为什么实现不了呢？这里我猜可有点原因，因为美国系统已经发上去了，坏一个发一个三频卫星上去，要全坏了，那得坏30个。那仓库存了十几、二十个卫星，那些存的卫星不是第三代的，不是现代化的，因此从经济上考虑，现在把库存放上去，开始达到寿命期的卫星补发还不是现代化的，这样看来可能还需要一段时间，但是我们现在就是三频发射。

刚才说了优势的地方，也有不足的地方。一个是GEO卫星工作期间有断点，按照规定GEO需要轨道微调，因为天上只有一个赤道，高度是三万六千公尺，所有通讯卫星都挤在圆弧上，所以国际电联有规定，每个卫星有一个规定，你向左、右不能偏出一度，卫星一偏0.1 度，就马上调整回来。这是按照规定要做的，这个不是我们的事，我们只是遵守。但是有一段时间会影响到定轨精度，我们能够达到卫星导航的系统，需要两天到三天的观测数据，但是只要进行轨道微调，这个从现在开始就不是原来的轨道，而是新的轨道。对于新的轨道必须观测两天到三天的数据，你才能订出比较准确的有满足条件。那这三天你卫星怎么办？这卫星不能用了，这就是一个问题。

对于这个问题，现在的办法就是快速定轨，就是精度差这么一点，但是我也能用，而且这个工作还再继续进行，我们争取更短的时间，使得工作的断点尽量缩短。我们通过系统级广域差分，新轨道广域差分不需要很长的时间，很短时间就可以测出来，甚至几秒钟就可以测出来，这时候一旦发生轨道微调，我就可以用这套系统及时发布修正值，这个需要更高的数据更新率，原来就不太适用，这个是可以解决的技术。

第二位置报告或者短信通信含有小功率的发射，这个比北斗1号压缩更短了，而且资源有限。我们在北斗1号宣传的时候讲，通讯可以进行短报文，用户真的发展起来，你会发现不够用。那时候说是150万/小时次服务，但是我们时间每小时的数还除3600秒，就是每秒可以服务多少，这样的容量大家都用，都用就塞满了，就服务不了。北斗2号同步卫星5个，另外在报文上可以做点文章。

还有一个问题，因为发射功率，就容易暴露。从军事来讲容易被对方侦查到，或者有被侦查到的可能。再有就是功耗体积都不容易下来，解决办法就是按需求分配。并不是所有的用户都需要报告，并不是所有的用户都需要短信，你不必都拿这种接受器，也不必都生产这种接受器，而且我也不是每秒都来发报，或者每分钟都报告，你汽车跑出去了，三五分钟报告一次足够了，有的甚至半小时都没有动。比如我指挥全球的系统，就没有必要几秒钟报告一次，这个也是按需求分配。另外合理的控制和利用资源，这个资源是有限的，就是怎么样合理的控制。

　　比如普遍的短信不能发了，这个不是笑话，真有这种事。还有局部地区功率增强逊于GPS，我在天津地区的信号可以增强，GPS可以增强30分贝，我们只可以增强15分贝的样子，我们抗干扰能力不如GPS，这个等待二期工程的改进。

还有就是一些技术细节和衔接的问题，作为一个复杂系统，需要发现和改进的磨合期，请大家耐心一点，不是系统发在天上就达到系统指标，对于复杂的系统不大容易做到这一点。我们的技术指标是按照美国GPS差不多的指标来定的，但是美国人从发射卫星开始，到达到所谓的技术指标，是发展二三十年，一开始就没有这个精度，也没有这个性能，所以对于各级领导和级别用户要有耐心。

当然也有性急的同行，去年我就听到这样的报告，就是北斗和GPS放在一起比，北斗不如GPS，这个话不是这么说的。我说你做实验的时候，北斗做实验的时候有几颗，他说有5颗，如果用GPS相比，你用GPS12颗卫星和北斗5颗比，这个怎么对比？这个就是年轻同志太性急，如果对比我建议放在见面，这种实验做的很有意义，但是不能用来对比，而是证明北斗系统可以工作的，至于精度以后再说。

也就是说北斗系统不会像GPS这么成熟，也就需要一定的磨合期。我认为优势的地方和不足的地方都如实报告给大家。

我们2020年要搞全球系统，北斗2号的二期工程，我们区域增强的全球系统，全球都可以导航，就是在我所关心的区域的精度最好、性能最好超出其他地区。因为军用、民用都是我国在内的较大的区域性，我们增强就是把类似于GPS的系统，比如27颗MEO全球转的卫星，又把IGSO和GEO加起来了，这样就是两个区域星座的叠加，这个性能要好多了。

比如说GPS卫星27颗我可以全都看到，再叠加这8颗卫星我就可以看到35颗卫星。

星际链路示意，我们卫星对卫星进行测距，这样就构成一个高精度的多面体，我监测站观测可以看的见的卫星，中心站对诸卫星进行定轨，这就是一种方式。

还有就是对卫星地面的标靶，主卫星对诸卫星定轨，计算各个卫星的轨道再发给各个卫星，这个解决了跟踪比地面站跟踪更高，因为天空卫星对卫星的观测没有大气的影响，而且频率更高，也可以很稳定的工作，这个就意味着分辨率增高了。

这两种模式究竟采用哪种，现在都在讨论当中。这个首先是美国人提出来的，到现在恐怕提出来快30年了，他是叫做卫星自主定轨，就是卫星自己就把轨道定了。但是到现在为止，从提出来看已经30年了，没见它有像样的成果公布。测距很容易实现，但是跟地面建立不起联系，从坐标系统的定义来讲，你只进行测距是相视性，就是可以转和跑，但是跟地面没有联系，从轨道来讲，没有定向。作为这么远卫星，两万多公里，卫星跟卫星之间的距离超过这个数，定向是非常困难的，精度是千分之几秒，这样理论上可以做到，太空望远镜可以做到，但是如果每各卫星都装太空望远镜，这个成本和工艺都带来相当大的问题。美国人说，我们理论上是可以做到自主定轨，但是代价比较大。

我们不是为了自主定轨，我们要解决的是不能全球布站的问题，我们把问题简化了，指标落地了。为什么不提自主定轨呢，现在很多人还在提我们是自主定轨，其实也不完全是，还是靠地面站。

美国的出发点是什么，我一旦地面站遭到对方攻击，我可以自主定轨，不影响导航。首先中国把卫星打掉了，美国俄罗斯都打，至少这三个国家都具备摧毁卫星的能力，在这种情况下，如果把你卫星摧毁了，还搞什么自主定轨，所以情况变了，观点也要变，当然这是我个人的看法。

十年来我们原子钟取得快速发展，届时渴望取得突破，预计2020年实现。

最后一个问题是北斗与相关产业，标题列出来了，我发现我没有能力把问题讲下去，因为需要又懂得北斗系统，知道技术很清楚，又对产业很熟悉，又对用户很熟悉，这个是要挂两头的，上挂系统，下挂用户。

有些想法提供给客户，与其他系统相比，北斗的区域在于优势，不是全局的优势，而是区域的优势。就像解放战争的时候，国军兵力200万，共军30万，就全局来讲国军是有优势，但是在局部来讲，共军聚集大量人群，这样可以取得局部优势。我们说北斗的优势，目前来看就是在这里，我并不是全面比GPS怎么样，而是我在关键区域和GPS相差不多，甚至还比他强。

北斗比较安全，举一个例子，我们现在的通讯系统，不管GSM还是CDMA都需要时间同步和频率校准，都用的GPS，有一些在河南省某地区，两三天手机全不灵了，就是因为有一个研究所做了一个时间，把GPS干扰了，所以时间同步都不行了，因此系统就不干活了，事后发现是时间同步问题。如果美国人搞一点小猫腻的话，那就不是两三天问题，也不是局部地区的问题。

另外我们具备开发双系统应用的有利条件，双系统就是我的模片既可以做GPS又可以做北斗，并不是做双系统。去年有一个学者说，做双系统是北斗“傍大款” 这个问题不能这么说，双系统应用最早是美国人先搞的，那个是GPS和另一个系统双应用，双系统一方面是一个系统出问题，一个做补充，两个系统同时用会有提高，性能会提高很多。用户不关心精度是7.8米还是8.7米，还是很关心在北京用很好，但是在天津为什么不行。这种问题就可以大大缓解，我们做过实验，作为GPS高度角大于35度的卫星，需要四颗卫星才能定位，所以在城市经常出现这个问题，对于打仗复杂地形也容易出现。这个就不是三颗多，而是变成七颗，这个问题就可以大大缓解。

主要看性能提高上，实际上GLONASS一开始是在1990年，20年前就已经有了双系统，所以说“傍大款”我是不同意的，不知道年轻同志对于Ashtech开发双系统怎么看，我估计那个时候他还太小。

应用双系统比任何一个单系统更具有优势，不单纯的是补缺。国内有目前唯一的广域差分，当时国内广域差分没有健全，GLONASS根本没有，我们可以对GPS和伽利略都可以进行差分。对于产业来讲，我希望要充分利用系统的优势，来创造优势的产业，谢谢大家！

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