芝兰之室

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北斗卫星定位导航系统的发展应用

2000年底,我国自主的“北斗一号卫星定位导航系统”(以下简称北斗系统)建成,标志着我国成为世界上第三个拥有自主知识产权卫星定位导航系统的国家。卫星定位导航系统是国家信息基础设施之一,也是国家科技水平和经济实力的象征。北斗系统的建成,对于我们这样的社会主义国家,意义十分重大。它打破了美国等发达国家垄断卫星定位导航技术的局面,大大推进了我国信息基础设施建设,提高了我国的经济社会和军事信息化的水平。我们期望政府高度重视北斗系统的生存发展,采取有力的措施推进北斗应用,使北斗系统为我国的国防和国民经济建设服务,改变国外的卫星定位导航系统独占我国卫星定位导航应用市场的局面。

  一、北斗系统简况和应用现状

  北斗系统是中国自主知识产权的区域性导航定位系统,由空间卫星、地面中心站、用户终端和标校站组成。具有快速定位、双向通信和精密授时三大基本功能。北斗系统共有4颗卫星(1颗备用星)在轨运行,6个波束重叠覆盖服务区域;中国绝大部分地区的北斗可见波束在3个以上,可以无缝覆盖我国全部国土和周边海域,标称覆盖范围为东经70°~145°,北纬5°~55°。由于北斗的定位只需要两个可见波束,报文通信和授时只需通过单一的可见波束就能实现,因此北斗系统在中国全境范围内有着良好的可用性。北斗系统的地面控制中心站负责信号的收发、系统监控、数据存储交换和处理;一切定位通信的计算处理均在地面中心站。用户终端是北斗系统的最终用户设备。标校站是为提高系统定位精度的特定终端。

  2007年4月14日,北斗导航系统M1星发射成功,北斗卫星导航系统进入新的发展建设阶段。

  北斗系统工作的波段,由于强降雨、雪、雾等恶劣天气而引起的信号衰减效应非常小,因此北斗系统可以充分保证系统的信号传输不受雨衰效应影响。北斗系统采用的入站方式为随机突发的技术体制,在目前的应用模式下,系统的处理能力基本满足了大量用户短时间内突发数据的业务处理需求。

  北斗系统的定位、通信与授时是在同一信道完成的。报文数据包为可变长度数据帧,用户单次通信封装的报文数据最大长度可达210个字节,最小长度为43个字节,可以有效满足通信信息量较小而即时性要求很高的各类型用户应用系统的要求。

  北斗系统注册用户分为三个服务等级,对应的定位和通信响应时延不同。可以根据不同用户通信频度分别设定服务等级,以节省和优化利用北斗系统的资源。目前在网用户的应用实践,证明北斗系统能有效保证用户定位请求和通信请求等业务传输、处理的时效性。

  北斗终端设备采用集成化、模块化设计,体积不大,采用全向天线,较易于安装。终端功放模块能确保终端发射时的整机功耗控制在几十瓦量级,由于发射持续的时间在毫秒级,发射瞬间产生的功耗比较低,北斗终端待机时的平均功耗可以控制在几瓦以内。因此,北斗终端设备非常适用于车载供电环境和无人值守的野外工作环境。

  北斗系统的知识产权完全为我国所有,系统运行维护全部不受国际环境变化的影响;具有很好的加密功能,可以有效保障用户关键业务数据在处理、存储、传输过程中的安全性。

  北斗系统同时具备定位、通信和授时功能,无需其他通信系统的支持,这是目前已广泛应用的国外各卫星定位导航系统所不具备的特点。这很适合集团用户大范围监控管理和通信不发达地区数据采集传输应用,对于信息及时性和安全性要求高的应用部门,北斗系统的优势更为明显。

  为了使北斗系统服务于国家国民经济建设,中央军委批准北斗系统对民用应用开放,并由北斗主管部门发布了民用应用暂行管理办法,支持和规范北斗系统的民用应用。根据该管理办法,需有北斗主管部门批准,核发北斗系统运营分理许可证书,企业才可以进行运营服务。神州天鸿和北斗星通是北斗系统主管部门正式授权许可的运营分理单位。神州天鸿自建立之初就围绕北斗民用业务开展了长期、有效的推广工作。该公司通过深入的市场调研和需求分析,并在水利、林业、石油、船舶、铁路等行业用户进行了长期的试用和实验工作,面向客户需求提供了先进、易用、可靠的北斗应用解决方案;同时联合国内众多优秀的北斗科研机构、终端制造企业和行业应用系统集成商,共同致力于扩展民用终端设备的适用范围,提高设备的稳定性、可行性,并努力通过技术进步和扩大规模来降低用户采购成本。

  北斗系统的应用范围十分广泛,和GPS的应用范围基本相同,GPS有的功能,北斗系统都有。在技术上,北斗系统具有短数据通信功能,有特定优势。只要北斗系统的用户终端设备质优价廉,其应用市场前景将十分广阔。神州天鸿公司在将北斗系统终端设备进行应用测试的同时,投资数千万元建设开通了“北斗民用运营中心”,面向全国提供北斗系统的定位和通信运营服务。经过几年的艰苦努力,神州天鸿在森林防火、水利水文监测、气象数据传输、石油管道监控、环保监测、船舶监控调度等行业和领域内,建设完成了近百个北斗系统应用项目,在线服务的终端用户占民用应用市场用户的85% 以上。该公司还参与了3个北斗民用终端设备的行业标准制定工作。该公司经几年的应用开发,形成了6个大类别、8个行业的北斗应用整体解决方案,从而为北斗系统的大规模应用沉淀了技术、积累了经验、作出了示范。应该说,从企业经营的角度看,实际用户还很少,单靠北斗系统运营服务不可能维持企业的生存。但该公司执着于我国自主的北斗系统的民用应用的开拓,在终端厂商和用户的支持配合下,克服了许多困难,证明北斗系统运行可靠,多行业的应用是成功的,北斗系统的推广应用有了最初步的成效。

  几年来,北斗系统的推广应用得到国家相关部委的重视和支持,2003年7月,国家863计划信息获取与处理技术专题领域设立了“北斗一号导航卫星综合应用服务平台支撑技术和应用示范”专项研究课题,神州天鸿承接了相关研发任务,并已经完成通过了验收;同时,在交通部和有关部门的支持下,进行北斗民用终端设备及应用接口的标准工作,为北斗的大规模民用奠定了基础。交通部批准发布了《北斗系统民用车(船)载终端设备技术条件和使用要求》等三个行业标准。神州天鸿建设开通的国内首家电信级北斗运营服务平台已经稳定运行了4年时间,增强了北斗应用解决方案的灵活性和可靠性,既充分满足了行业用户的特殊需求,又有效保障了民用用户的业务安全。北斗系统的应用也得到社会各界的广泛重视。卫星应用工作委员会(筹)为推动北斗系统的民用,分别于2003年、2004年、2005年和2006年召开了4次“北斗导航系统应用论坛”,就“加速促进北斗导航系统面向民用市场的应用”、 “北斗导航系统应用与管理”、“中国北斗导航系统应用的发展和产业化之路”和“卫星导航政策”进行了广泛的讨论和交流,每次都有北斗系统主管部门、北斗系统终端设备制造厂商、北斗系统集成商和运营商、北斗系统用户和院校的专家和技术人员参加,效果较好,对北斗系统普及和推广应用起了重要的作用。在2004 年北斗论坛会上,北斗系统民用进展不顺利的状况和影响北斗系统推广应用的原因的讨论,引起了院士们的重视。六位院士共同向国家领导人提出了《关于促进北斗导航系统应用的建议》,国家领导人很快作了批示。国家有关部门迅速作出了安排。卫星应用工作委员会(筹)积极联系政府有关部门,向他们汇报情况、提供资料。在国家有关部门确定开展“北斗卫星应用专项”立项工作后,又及时了解项目进展情况,向提出建议的院士们报告,并积极联系国家有关主管部门,作了十分有意义的工作。国家有关部门以国家资金支持启动了典型应用项目。一些典型应用项目的建设单位、有资质的北斗系统运营服务企业和终端设备制造厂家正在为作好这些典型应用项目而努力。通过这一轮典型应用的带动,无疑会在一定程度上推进我国自主的北斗系统的应用。

  二、当前北斗系统推广应用的制约因素

  北斗系统作为中国民族卫星导航产业的骄傲,吸引了国内外众多关注的目光。目前,北斗系统的应用经过大胆尝试和探索,已取得一定进展。但是,北斗系统作为一种新技术和新产品,有明显的技术优势,也有不足,广泛应用和改善提高仍需要一定的时间。在推广应用中还受许多因素制约,这些问题主要是:

  (1)北斗系统目前的技术体制决定了其用户终端需能收能发,这使得用户终端的价格偏高,缺乏竞争力。北斗系统采用集中处理的有源定位体制,在技术应用上有通信功能,优势明显,这是无可怀疑的。按目前国内的应用实际,适用于高端市场,尤其是信息安全要求高和重要部门的调度监控应用。但这种体制也使用户终端制造成本增加,目前市场价格居高,多数用户难于接受。同样应用功能的用户终端产品,北斗终端要比“GPS终端+短信”价格高出许多倍,难与GPS竞争。这是市场上用户的普遍认识,也是推广北斗系统应用中遇到的主要问题之一。

  (2)在北斗系统的建设进程中,用户终端设备的研制严重滞后,跟不上应用需求。这主要是由于国内关键器件部件生产基础差,又没有与系统建设同步组织好力量攻关,研制单位各自为战造成的,在市场经济环境下,这是一种难于避免的过程。北斗作为一个崭新的系统技术,如果能实现集中力量重点攻关,效果会好一些。这由于某些原因未能做到,只能在自由竞争中优胜劣汰。北斗系统终端研制难度大,这种竞争方式耗时较长,以致在北斗系统建成试运行时,民用终端设备尚不成熟。至今仍有十几个单位在投入资金研制北斗民用终端,但提高性能价格比的成效不大,有的单位不得不退出研发。目前能生产可用民用终端产品的厂商有五、六家,价格较高,各有优缺点。民用终端生产厂商这种各自为战的研制方式,在当前用户量不大,生产批量上不去的情况下,成本下不来;而成本下不来,市场用户量就上不去,形成一个恶性循环。设备生产方式存在的高成本也是影响北斗推广应用的问题之一。

  (3)北斗系统的应用缺乏国家政策的支持技术优势得不到发挥。北斗系统具备3项基本功能,信息安全性好,与 GPS等国外系统相比,有明显的技术优势。但是,由于GPS已在我国国内的普遍应用,与通信系统的组合应用研究已成熟,有几百个企业在推广应用,占据了我国卫星定位导航应用市场的绝大部分,广大用户对GPS应用已经认可。在这种形势下,用户终端昂贵的北斗系统在市场上是无法与GPS竞争的。北斗系统是我国自主的新的民族产业,又有明显的技术优势,按道理,应用前景应该是很好的。但由于没有政府对北斗系统应用的长远规划、产业政策和必要的资金支持;具体鼓励推广应用北斗系统优势的措施力度也不够,让北斗系统和GPS等国外系统在中国卫星导航应用市场上自由竞争,在目前,北斗系统是没有竞争力的。政策的缺位,这是影响北斗系统推广应用的最主要原因。

  (4)卫星定位导航市场包括北斗民用市场的完全自由化和无序竞争,影响了用户对北斗系统应用的信心,延缓了北斗应用市场的健康发展。北斗系统的诞生,是我国卫星定位导航系统摆脱受制于人的困境的良好时机。但由于国家没有北斗系统民用应用的开发规划和北斗应用市场准入机制,完全是市场无序的自由竞争,一些企业单位对北斗市场认识和估计过于乐观,为早日抢到市场,自发投入不少资金开发北斗民用终端。到目前为止,真正获得成功的,设备产品质量较好的厂家只有几个。有一些企业单位在产品技术质量还不成熟的情况下,就急于推销自己的产品收回投资,采用低价竞争方式抢占市场,结果是实际运行故障频发用户服务又跟不上,动摇了用户选用或继续使用北斗系统的信心。增加了对北斗系统应用的怀疑情绪,影响北斗系统健康发展和推广应用。

  北斗系统的技术改进和完善问题,已在中国第二代导航系统的研制计划中基本得到考虑。而政府政策支持、市场准入和用户终端设备降低成本的问题则必须引起政府的高度重视,才能确保我国自主的卫星导航系统健康发展。

  三、推动我国卫星导航应用产业发展的几点建议

  卫星定位导航应用产业是推动国民经济和社会信息化的支柱产业之一,是很有生命力的新产业。而北斗系统是卫星定位导航产业中有完全自主知识产权的产业,是我国卫星定位导航产业最重要的组成部分。推进北斗系统的广泛民用,不会妨碍军用,不会也不应该排斥国外成熟的 GPS等卫星定位导航系统的应用。而是应通过政府正确的政策引导和市场的共同推进,规范民用卫星定位导航市场,才能使卫星定位导航产业包括北斗系统实现产业化。

  国家政策引导是产业发展的关键。GPS推出十几年来,美国政府为保护自己国家的利益,在保证GPS军用的同时大力促进向全世界推广民用,多次用总统名义发布GPS政策。俄罗斯也用总统名义发布了关于GLONASS政策。欧盟的伽利略系统还在建设中,也已发布了关于伽利略的政策。可见政策对于推进卫星定位导航产业发展的极端重要性。

  我国许多行业由于国家或主管部门出台了相关的产业政策(如水利、钢铁、汽车、水泥等产业政策),制定了政策目标、发展规划、准入机制、技术政策等以及配套的行政规章,引导和规范生产、建设、市场和服务的各个环节,使这些行业得到了健康的发展,也证明了国家政策对产业发展的重大推动作用。

  这里仅以北斗系统为分析基点,提出一些建议:

  (1)制定中国北斗卫星定位导航和授时政策。

  制定中国北斗卫星定位导航和授时政策,或称中国二代卫星定位导航和授时政策。包括建设管理和应用北斗系统的政策,引导我国北斗系统产业化发展的方向,规范和繁荣北斗应用市场,以推进我国自主的北斗系统和国外先进系统共同发展和广泛应用。

  前一时期,国家有关部门为推动卫星定位导航的应用和产业化,曾发布了《关于组织实施卫星导航应用产业化专项的公告》,对卫星定位导航事业的发展,特别是对于全球卫星定位系统GPS在我国的应用起了很好的推动作用。可能由于北斗系统建成较晚和对该系统了解不够等原因,该专项对北斗系统的支持少。最近,国家有关部门采取立专项措施支持北斗系统的典型示范应用,是很好的开端。但这只是应用层面上的支持。还应当从国家政策层面上解决问题,才能推进卫星定位导航产业市场健康繁荣发展。北斗卫星定位导航和授时政策应包括:

  1)阐明北斗系统在国民经济和国防建设中的地位。北斗系统是国家信息基础设施之一,是实现国民经济和社会信息化的重要工具,它的应用涉及到各个领域,也是关系国家安全的关键技术。卫星定位导航及授时和卫星通信卫星广播同样属于卫星应用的范围,但是二者的应用范围、应用方式在我国的发展程度和应用情况不同。自主的北斗卫星定位导航和授时系统在我国建设开发应用较晚,国内卫星定位导航和授时应用市场已绝大部分为国外系统所占领,与它们不在一个应用发展水平上。在当前的国际形势下,虽然和平共处和谐发展是主流,但是世界并不太平,国家还不够富强,祖国尚未统一,我们应该居安思危,做好应对突发情况的准备。从国防建设和经济安全需要看,建好管好用好我国自主的北斗卫星定位导航系统是绝对必要的,我们不能把国防和重要经济部门的卫星定位导航的应用建立在依靠国外系统的基础上。

  2)根据我国的特点,明确北斗系统的建设管理和应用方针及主管部门。例如总装备部(或军委指定的部门)负责北斗系统的规划建设和管理;国家交通部(或国务院指定部门)负责北斗系统的规划建设和管理;国家交通部(或国务院指定部门)负责归口民用管理,由国务院指定的副部长组成的部际委员会(或指定国家信息化领导小组)协调各部门间的关系。

  目前我国的卫星定位导航应用业务开展多年,国家各经济部门也各自在自己管理的领域应用,媒体上也不断有专家对卫星定位导航应用存在问题进行分析,对产业化和民用归口管理问题进行呼吁和提出建议,但到目前仍未解决哪个部门代表国家归口管理卫星定位导航系统的民用,使得卫星定位导航应用规划、政策研究、市场管理都滞后,卫星定位导航的应用的国家管理基本空白,不仅影响北斗的推广应用,也影响我国卫星定位导航的产业化。

  国外成功的卫星导航系统,除欧盟的伽利略宣称民建民用(近期有人表示不排除军用)外,美国的GPS和俄罗斯的 GLONASS都是军管民用。美国的GPS民用和军用之比大于20∶1。俄罗斯的GLONASS民用开放较晚,系统不健全,民用较差。根据我国国情和北斗系统的性质,北斗系统由国家交由军方建设和管理是正确的,但应该有明确的方针:“军民共用,满足民用”。可以在技术上采取措施将军用民用分开管理。美国的 GPS成功的经验就是发展民用,支撑系统的完善和不断升级。俄罗斯的GLONASS开始没有开放民用,用户量很少,使系统陷入尴尬的处境;现也已改变方针,宣布向民用开放。我国的北斗系统要健康发展,也需要大量民用用户的支撑。只有在政策方针上明确宣布满足民用,才能使民用用户消除不必要的顾虑。只有明确民用归口管理部门,才能消除目前担心“手伸得太长”谁也不愿意多管的心态,承担起行业管理的责任。同时明确相关部门的责任,共同协调和推进北斗系统的广泛应用。

  3)明确规定国内某些涉及信息安全要求较高的重要经济部门只能应用北斗系统或北斗与其他系统的组合系统,并组织制定相关的规章及国家和行业标准。如从事特殊运输任务的海陆空运输工具的调度监控、重要应急定位通信系统的应用、关系国家重大机密的定位和数据传输应用,重要的测绘基准应用,通信和电力等系统的时间基准的应用等,以防范可能发生的意外情况。

  4)规划我国北斗系统的发展和推广应用的目标及和国外的卫星定位导航系统的关系,既互为补充、各取所长,内外协调发展,又确实保护自主的北斗系统民族工业健康发展。

  5)明确一些鼓励和支持北斗系统研制开发应用的经济和技术措施。如在近期如何加大政府对北斗系统终端开发、系统应用集成和重要应用项目的资金支持;鼓励北斗系统终端设备研发和应用需求的创新;规定北斗系统民用市场准入机制和服务质量标准;如何处理北斗系统技术研发和引进国外先进导航系统技术的关系等。

  6)明确北斗系统的对外关系处理原则,允许北斗民用设备出口,允许先在周边国家开展民用应用,有利于扩大北斗的用户数量和推进北斗系统的发展完善。

  (2)制定中国卫星定位导航产业化的政策。

  应该肯定的是,国外不同的先进的卫星定位导航系统各有自己的特点,在市场中将会有不同的用户群体和应用范围。随着我国市场的开放,民用市场引进和广泛应用美国的GPS、俄罗斯的GLONASS和今后引进欧盟的伽利略,是必然的趋势。现在GPS的应用已具规模,GLONASS应用也在开展,我国还参与了对伽利略系统的投资。今后,随着我国各行业信息化程度的不断提高,国外这几大系统的应用会有更大的发展。但是,我们不应该只跟在别人后头,应用别人的技术成果,芯片靠进口,我国公司只有当销售代理的资格。日本是成功应用美国GPS最成功的典范,它的成功在于经过努力拥有它自主的核心技术而形成规模,实现了卫星定位导航系统的产业化。我们应该在制定北斗定位导航和授时政策的同时,制定切实可行的卫星定位导航产业化的政策,才能在引进先进技术的同时,发展我们自己的民族工业,实现有中国特色的卫星定位导航产业化。卫星定位导航产业化的政策应包括:

  1)卫星定位导航系统在国家信息化中的地位。它是国家信息化基础设施的重要组成部分,是关系国民经济发展和和谐社会建设的必要的重要技术手段。我们要靠自主创新不能只依靠别人技术来实现我们的信息化。

  2)总结和分析当前卫星定位导航应用市场和产业化各相关环节中存在的问题。

  3)明确国外先进系统和我国自主的北斗系统相互之间的关系,北斗系统的应用不排斥国外先进系统的应用,而是与国外先进系统应用各得其所,在某些领域既有竞争又综合应用。在北斗产业化和其他卫星定位导航系统产业化政策中确定不同重点。

  4)明确国家卫星导航定位系统应用的政府主管部门(应和北斗系统一致)。既负责北斗系统也负责所有卫星定位导航系统的民用行业管理。

  5)卫星定位导航和授时的发展目标和方向,向全国人民展示卫星定位导航和授时的发展蓝图,使相关企业和用户有明确的奋斗方向。

  6)制定推进卫星定位导航和授时产业化的技术政策,组织和支持技术创新,实现芯片和OEM板等核心技术国产化,对于自主创新研究开发有成效的单位和项目给予资金和技术支持。培育有创新实力的重点企业,在卫星定位导航产业链的重要环节中起带头作用。

  7)建立市场准入机制,规定准入门槛,制定服务标准。卫星定位导航服务是对经济和社会的重要的基础服务,应视同通信信息服务一样规范管理。应强调和培育服务品牌名牌,不能象销售一般消费品一样,有点资金就赚一把。短期的销售行为只会把市场搞乱,使用户受损失。

  8)规范国际交流的准则,推进先进技术交流,明确鼓励和限制自主创新的产品出口的界限等。

  制定北斗系统的政策和卫星定位导航授时产业化政策,本来可以是一件事。由于北斗系统的特殊性,它和国外卫星定位导航系统技术性质虽然相同,但属性和基础完全不同,规范和管理内容和方式应该不同,因此应分开制定政策,两者之间协调一致,不能有矛盾。

  制定北斗系统的政策和卫星定位导航授时产业化政策,是关系到我国自主的北斗系统健康发展和卫星定位导航应用产业健康发展的大事。目前卫星定位导航授时已有相当的市场规模和应用经验,北斗系统也有4年的经验教训,存在的问题基本暴露清楚,完全有条件制定北斗政策和卫星定位导航产业化政策。当然一个重要政策的出台应该慎重。因此建议先由知名的卫星定位导航专业的两院院士牵头组织立一个软课题项目,国家有关部门资金支持进行研究,通过深入调研分析,向国家提出政策建议。国家主管部门应出台相关的行政规章,有效的引导卫星定位导航产业化和应用市场走向快速健康发展的轨道。

  (3)建立完善的有广泛基础的民间组织。

  建立中国卫星导航定位应用协会,在设备制造厂商、运营机构、应用集成企业和用户群体定位之间架设起沟通交流的桥梁,协助政府主管部门推进卫星定位导航产业化。

  跨行业和部门的民间学术组织,在普及科学知识,推广和交流技术和创新经验的作用很大,已经没人怀疑了。但我国的学会和协会的建立有中国的特色,必定挂靠政府主管部门或国有的大型企业。由于卫星定位导航应用没有明确政府主管部门,在社会经济发展中又不可缺少,因此多个学会和协会中都靠了点卫星定位导航应用的边,而没有实质性的专业活动。“中国GPS协会”现虽改名为“中国全球定位系统技术应用协会”,但它是应 GPS的应用而成立的,其主要活动内容还是以GPS为主,没有覆盖整个卫星定位导航的应用;中国通信学会每年一次的“中国卫星应用大会”,主要是卫星广播和通信应用的内容,涉及卫星定位导航的内容微乎其微;卫星应用工作委员会(筹)为北斗的推广应用奔走呼吁,已开展了4次专门的北斗系统应用论坛,作了大量的工作,但也由于种种原因至今还在“筹”的阶段。在我国卫星定位导航应用是一项比较新的事业,主管部门未确定,也使卫星定位导航应用专业协会(学会)难于诞生。为了推进我国卫星定位导航应用事业的健康发展,建立一个有广泛基础的卫星定位导航应用协会是很有必要的。□

  摘自《卫星应用》
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