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中国智慧独辟蹊径 创建新型导航系统

《财经》    2009-01-30 22:36:13
 

本文见《财经》杂志总第230期 出版日期:2009年02月02日

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除了GPS和“北斗”,一种基于通信卫星的“经济型”导航系统,亦有望成为中国用户的新选择

《财经》记者 李虎军

几乎在一夜之间,卫星导航定位系统就从军事领域,走进了普通人的生活。如今在市场上,不仅装有车载GPS(全球定位系统)的家用轿车比比皆是,可供登山等户外运动爱好者使用的手持式设备也已风靡一时。
  迄今为止,美国GPS仍然占据着中国卫星导航市场的绝对份额。但由中国自主研发的北斗导航定位卫星系统,也正在迅速起飞:据新华社等媒体报道,“北斗二代”建设已进入攻坚阶段,2009年将有多颗卫星发射升空。

  然而,在参与欧洲伽利略(GALILEO)全球卫星定位系统以及继续推进“北斗”之外,中国在卫星导航领域还有着另外一个秘密武器——CAPS。
  这个已经进行多年的“经济型”卫星导航项目,其进展在很长时间内一直难以被公众所知晓。直到2008年12月,在《中国科学G辑》组织出版的一份专刊上,研究人员集中报告了该系统的研制进展之后,人们才有机会掀开其面纱的一角。

CAPS横空出世
  所谓CAPS,是“中国区域定位系统”的简称。这种全新卫星导航系统的研制,始于六年多以前的一次“头脑风暴”。
  2002年11月初,位于现在的北京奥运村附近的中国科学院国家天文台,时任台长的中国科学院院士艾国祥找到同事施浒立和颜毅华,在一间普通的办公室讨论一个宏大的命题:如何开发“经济型”卫星导航系统。
  之所以有这样的一个想法,是因为当时最为成功的卫星定位系统,即美国的GPS,从研制到最终投入使用,花费了20多年的时间和数以百亿计的美元。而前苏联也投入巨资研制格洛纳斯(GLONASS), 其导航星座至今仍不完整。
  虽然中国已经决定加入“伽利略计划”,同时也启动了雄心勃勃的“北斗系统”,但研究人员还是希望尝试一些新的想法,看能否有更经济实惠的方式来实现区域导航定位。
  这场思想的碰撞持续了好些天,中国科学院国家授时中心李志刚等科学家后来也被邀请加入。
  中国科学院国家天文台研究员施浒立告诉《财经》记者,上述这些卫星导航定位系统,均可称为直播式卫星导航定位系统。也就是说,导航电文及测距码在卫星上直接产生,然后下行广播给用户定位。因此,都需要发射专门的导航卫星来承担这一任务。通常需要30颗左右的导航卫星才能覆盖全球。
  在思维碰撞中,艾国祥及其同事提出了转发式卫星导航定位系统的理念,即导航电文及测距码在地面产生,上行至卫星,利用卫星上的信号转发器,再下行广播给用户定位。这样,系统就可以少发射甚至不发射专门的导航卫星,而利用商用的通信卫星组成导航星座。
  如果这一设想实现,显然可以极大地降低导航系统的部署时间和成本。因为一般而言,空间设备研制周期长、投资大,星载设备尤其如此。以作为导航的时间和频率基准的星载原子钟为例,其价格昂贵、研制难度大,目前只有美国等极少数国家完全掌握这一技术;而且,即使研制成功,往往精度也要略微逊色。
  转发式卫星导航定位系统,则可以将原子钟安置在地面导航站。李志刚研究员在接受《财经》记者采访时表示:“这样就回避了星载原子钟的技术瓶颈。”
  这种新的导航系统理念,一经提出,很快得到了中国科学院、科学技术部、国家自然科学基金委员会,以及解放军总装备部的支持。
  2005年6月,中国科学院国家天文台、国家授时中心、上海微小卫星中心、微电子所和自动化所等研究机构,与卫通集团等其他国内机构,合作研制出转发式中国区域定位系统(CAPS)的验证系统,并通过国家有关部门的验收。其粗码信号的定位精度达到20米左右,精码则达到10米左右,已经与GPS民用码的精度相当。
  据了解,这个验证系统的研制仅用了不到两年的时间,经费则不到美国研制GPS的千分之一。当然,这一成功,很大程度上也有赖于中国天文系统在长期基础研究中所积累的信号被动接收、微弱信号检测、卫星测轨定轨等技术的应用。

退役卫星“第二春”
  在CAPS验证系统的研制过程中,研究人员首先租用了在轨的商用同步通信卫星上的信号转发器,组成验证系统的星座。不过,由于租用的卫星都处于地球同步轨道上,难以实现三维定位。
  研究人员最初的设想是,发射倾斜轨道的通信卫星组成导航星座,来解决三维定位的问题。后来,他们却在不经意间找到了一种更省钱的办法,那就是开发退役卫星的“第二春”。
  中国卫通集团退休专家陈吉斌参与了CAPS系统的研制。这位原亚太卫星公司副总裁告诉《财经》记者,退役卫星上的设备并未损坏,只是燃料快消耗完了。
  不过,为了保证业务不间断,卫星公司必须在卫星寿命结束前的一段时间里,发射新的同步通信卫星完成更替。也就是说,卫星退役前还有一定的剩余燃料。
  研究人员通过多次讨论,提出了一个巧妙的思路:利用退役卫星上的剩余燃料和转发器资源, 将其纳入导航星座。
  因为当地球同步通信卫星正常运行时,需要在经度和纬度方向同时保持姿态;而如果将其作为导航卫星使用,只需要对经度方向进行保持和调整,纬度方向则任其自由漂移,这样反而可以改善导航星座的空间布局。
  陈吉斌对《财经》记者表示,与同时调控卫星的经纬度方向相比,该调整模式所消耗的燃料仅为原来的十分之一;这样,那些剩余的燃料,就足以支持卫星的长时间使用。
  于是,2005年,CAPS项目组从亚太卫星公司购买了退役卫星亚太1号。这颗卫星的燃料原本只剩下几个月,但被“征用”至今已有四年多,仍然运转良好。2008年,项目组又购买了另一颗退役卫星:亚太1A号。这颗卫星的剩余燃料更多,预计可供CAPS使用约十年。
  代表项目组去洽谈退役卫星购买事宜的,是国家天文台高级工程师蔡贤德。他对《财经》记者直言,这样的生意很好谈,“像我们这样的买家太少了”。因为对于卫星公司来说,不仅多了一笔预算外的收入,还省去了处理退役卫星这种“太空垃圾”的麻烦。
  项目组在《中国科学G辑》发表的论文中表示,今后几年内, 中国还陆续会有鑫诺1号、鑫诺3号、中卫1号、亚洲2号等卫星退役,这些退役卫星的剩余价值均可得到利用。随着这些通信卫星陆续加入导航星座,整个系统的精度也将得到进一步提高。
  此外,在蔡贤德看来,退役通信卫星的变废为宝,也有助于维护中国的“空间主权”。
  因为就像土地一样,空间的轨(道)位(置),同样是非常宝贵的资源,退役卫星如再利用,就可以继续占据原有的轨位甚至新的轨位。

市场能否“芝麻开门”
  与直播式卫星导航定位系统相比,CAPS还有一个优势,那就是导航通信一体化。
  据陈吉斌介绍,通信卫星上的转发器很多,借助这些丰富的转发器资源,研制出可双向通信的接收机,就可以使系统实现导航通信一体化。
  早在2006年,CAPS的导航通信一体化试验,就在车辆行进中和船舶海上航行中试验取得成功。此后,相关的试验及应用也一直在开展。
  相比之下,现有的GPS只有导航定位功能,无法在系统内解决回传通信问题。因此,当车辆在野外行驶时,用户中心无法知道其下属车辆的情况;在战场上,上级指挥机关无法知道战场的态势;导弹发射以后,也无法评估打击效果。
  在导航星座布置上,CAPS也比较灵活,可以根据情况选择地球同步轨道卫星、倾斜轨道卫星、中高度轨道卫星等。即可以不搞全球星座均衡布局,而是从区域应用实际需求出发考虑最优星座布局。
  此外,转发式卫星导航系统采用的是C波段,可租用的卫星资源丰富。
  “GPS等系统使用的是L波段,频段资源少,几乎没有伸脚的地方了。”蔡贤德对《财经》记者解释说。
  李志刚还告诉《财经》记者,从理论上讲,CAPS的定位精度今后有可能高于GPS。因为影响定位精度的因素,主要包括原子钟和卫星轨道测量;而地面原子钟在精度上可以比星载原子钟高出一两个数量级,且易于维护和更新。
  他和同事利用新的时间比对技术,已经获得了优于两米的卫星轨道测量精度;这一精度,已经与GPS可以提供的卫星轨道测量精度相当。
  武汉大学测绘学院教授刘基余告诉《财经》记者,中国科学家能够在条件有限的情况下,自主开发这样一个具有重要科学意义和工程实用价值的导航系统,实属难能可贵。
  不过,他也提醒说,CAPS要想在精度乃至综合性能上与其他导航系统竞争,还有很多工作要做。
  CAPS项目组成员在接受《财经》记者采访时也承认,CAPS需要修正误差的环节,就比GPS多一些。
  此外,尽管整个CAPS系统的建设费用低出一大截,但对于用户来说,其接收终端的价格与GPS不会相差太多。这或许会影响其在市场上的吸引力。
  但项目组认为,CAPS这种的系统仍然有着广阔前景。毕竟,像美国GPS这样庞大的卫星导航定位系统,不是所有国家都有财力承担的。而且GPS系统是30年前的技术方案,在伊拉克战争中已经暴露出抗干扰差等缺陷。
  对于希望开发国内卫星导航产业的国家而言,尤其是中小国家,CAPS无疑是个不错的“候选者”。在项目组看来,CAPS的投入成本低、建设周期短,大约只需要30亿元人民币和两三年时间,就能迅速建设一个覆盖三分之一地球、且包括中国国土在内的系统。
  “建设(CAPS)这样的系统,将来不一定非要成为国家行为。有魄力的大公司,说不定也可以投资。”施浒立说。
  一位长期从事卫星导航定位研究的专家则向记者表示,考虑到国家战略需求和技术成熟程度等因素,“北斗系统”理应成为中国卫星导航定位系统建设的主打。而CAPS这一系统,也值得继续探索和试验。■

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