星期一, 20 5 月, 2024

北斗夺回中国导航系统主导权

北斗夺回中国导航系统主导权

我多年前来北京的时候,有段时间住在望京。这是一个出租车司机听了都会挠头的目的地,因为里面像个迷宫,对望京不熟悉的司机师傅们,为了不耽误自己拉活的时间都不爱往里扎。

以至于当年望京街道办为了“指路”,还曾建过一批造型颇受争议的雕像。有人为此去采访望京街道办,街道办宣传科员工接受采访时心态无比平和,说嗨呀,能指路就行。

在国内移动互联网刚刚起步的2012到2013年的时段,我们手机里的的地图导航软件基本都是用美国的GPS定位,精度只到道路级。这个精度在美国的道路规划和密集水平之下,或许并不算太大的问题,但在望京这样的“迷城”里,它能告诉你哪里有路,但有时可能让你走得“不是那么爽快”。

类似的情况,近些年越来越少了。望京不再是“迷城”,像我们手机里的高德地图已经能够完成车道级的定位精度,不仅能告诉你哪有路,甚至能知道你在第几车道,告诉你该不该换道、过马路。

过去的十年里,国人几乎习惯了科技进步给我们生活带来的变化,但绝大多数人不知道的是,今天中国的导航定位,已经从曾经的美国GPS主导,逐渐变为了北斗主导。越来越精确、越来越先进、越来越方便我们生活的,并不再只是一手遮天的美国GPS,更多是中国的北斗。

这看似简单的一点点改变,是中国几代航天人,几代“北斗人”,用毕生努力,倾尽热情与青春换来的技术成果。中国北斗,已经将整个民用导航系统主导权,牢牢掌握在手中。

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润物无声的崛起

2020年6月23日9时43分,我国在西昌卫星发射中心用长征三号乙运载火箭成功发射北斗系统第55颗导航卫星,这是北斗三号最后一颗全球组网卫星。

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卫星定位导航的原理,是由卫星向地面发出信号,而地面上的设备接收到信号,计算从发出信号,到接受信号所用的时间,乘以光速,就是地面设备和这颗卫星的距离。计算三个卫星和同一个设备之间的距离,就可以实现对该设备的定位。

但在光速的参与下,只要出现20-30纳秒的误差,测距的精准度就会变得完全离谱,所以还需要引入一颗卫星单独保证天地之间时间数据的同步,四颗卫星就最终构成了一个精准的“时空定位系统”。

对于普通人来说我们最常用的就是手机和车载导航。2020年6月23日北斗正式完成组网后不久,高德就曾和华为一起发布了业内第一个智能手机上的车道级导航服务,服务由北斗支持。在那之前,国内的地图导航基本都还只能实现道路级的导航。

车道级导航的出现,意味着中国民用导航系统在北斗的支持下,精度已经从5-10米的道路级,进化到了1米以内的车道级。再直观一点,就是从只能告诉你这里有路,但搞不清楚你走的是哪个车道;进化到了不仅知道哪里有路,还能知道你走在哪个车道,是否应该变道,甚至是在什么时候变道。

支撑车道级导航的是北斗亚米级的高精度定位,这是GPS所达不到的精度水平。到了今年,高德甚至已经可以基于北斗稳定精准的定位能力,通过算力帮助用户预测当前路口红灯的倒计时读秒,估计你所需要等待的轮次数了。

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共享单车是另一个国民级别的应用案例。相信大家都看过共享单车的“坟场”,投放无序,满街都是,但真到了要找车的时候,却经常走了半天发现定位不准,显示有车的地方空空如也。你找不到车,维护人员也找不到车,于是运维又变成了巨大的难题。

后续在监管政策的推动下,整个共享单车行业都基于北斗全面采取了高精度的电子围栏,加装了支持北斗的定位芯片,在城市路况下,定位精度达到3米以内,从而规范了整个共享单车行业,让城市回归了整洁有序的管理,进行了市政管理的数字化升级,也为大众提供了更加便利的环境和条件。

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哈罗单车电子围栏入栏结算区

另一个车道级定位的重要应用,离我们的日常生活也很近。我不知道大家有没有在高速公路上堵过车,当年我有个项目在郊区,每天去现场都要开四十分钟的高速,过两个收费站。一旦赶上周末或者早晚高峰,闸口等收费就要20分钟,两个收费站的等待时间要比实际车程还多一倍,来回就要多花一个多小时。

而交通部目前已经基于北斗的车道级定位,推动开发了高速公路的不停车收费系统,第一个规模化应用即将在海南自贸区开始实现。

上一篇写中国基建时,有人在评论留言里问,能建设一个系统,把中国的零散的货运(比如长途汽车),长江及其支流的水运统一起来管理吗?

事实是,中国已经有了类似作用的系统在运行。2011年左右,因为重特大交通事故频发,全国道路运输安全形势都比较严峻,交通运输部和总装备部就联合启动了重点运输过程监控管理服务示范工程。通过和北斗合作,建立了“全国道路货运车辆公共监管与服务平台”,来提升中国道路的货运安全水平。

这个平台其实就是要求“两客一危”(旅游包车、三类以上班线客车和危险品运输车)加装北斗终端,进而实现精准识别重载货车的实时位置和运行状态,将北斗交通大数据和人工智能相结合,对危险驾驶行为进行提示纠正,最终有效降低了交通事故的发生几率。目前平台已经链接了全国700多万辆重载货车,是交通领域最大的北斗示范工程。

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全国道路货运车辆公共监管与服务平台

类似的案例,我可以举出无数个。比如金融市场的交易,需要极为精准且统一的时间,国内很多交易系统都在由北斗的导航卫星进行精准授时,从而保证交易的即时性。比如高铁的时空管理,也已经完成了北斗导航系统对GPS的全面替代。我们普通人的每一次出行,都是北斗导航在无声无息地给我们保驾护航。

一项技术真正成熟,并开始大规模投入应用的时候,往往是悄无声息的。据中国卫星导航系统管理办公室发布消息说,北斗卫星在高德地图的日均调用量已超GPS。在不知不觉间,中国的导航定位已经从原先的美国GPS主导,变为了北斗主导。但在了解北斗的过程里,我却总是希望把北斗的成就喊得大声,再大声一点。

因为英雄不该无名,英雄就该得到奖赏。

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中国几代航天人的北斗梦

1985年4月15日到18日,在美国华盛顿召开了一个“GPS全球定位系统国际运用研讨会”。在会上,美国军方宣布了三条可能出现的限制应用措施,第一条,可能随时区域性关闭,第二条,可以降低精度,第三条,必要时会变更编码。

参会的时任解放军总参谋部测绘局局长卜庆君回来后就向上报告,希望能做中国自己的定位系统,避免以后在关键时刻被卡脖子。

但对当时的中国来说,这几乎是个不可能完成的任务。要知道,美国1973年开始着手组建GPS卫星导航系统,到卜庆军参会时的1985年,已经在GPS上投入了超过100亿美元。而中国整个上世纪80年代,为了大力发展经济,每年军费一共也就五十亿到六十亿美元,哪里有多余的钱拨给全球导航系统这种吞金兽。

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1983年里根宣布全球定位系统GPS将对外开放部分导航信号

图源来自:《北斗》纪录片截图

做,没有钱,没有人,也没有技术。不做……1990年海湾战争,被美国的总结报告称为“GPS的胜利”;1993年银河号事件,又让中国经历了巨大的冲击。

1993年7月7日,中国远洋运输总公司的银河号万吨级集装箱船,从天津新港出发前往伊朗阿巴斯港,这本是一次再普通不过的远洋贸易。直到7月23日,美国海军声称掌握了确切情报,银河号上装有化学武器原料硫二甘醇和亚硫酰氯,在印度洋截停了银河号,并要求登船检查。

船员一开始并没有搭理这种无理的要求,但很快美国关闭了附近海域的GPS信号。茫茫大海之上,银河号失去了方向,只能停了下来。甚至因为GPS信号被关闭,一度和国内失去了有效通信,使得陆上指挥完全失去了银河号的具体位置。

今天,为了能有一个相对不那么炎热的天气,世界杯被推到了11月举办。而在二十九年前,中东那个极度干燥而又炎热的8月,中国“银河”号的38名船员在极度缺水缺粮的情况下,海上漂流了整整22天,才被迫同意在第三方沙特的见证下,由美方登船检查。

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628个集装箱,数天的检查过程,美方除了文具五金和机械零件,什么也没有找到。最终只好承认情报错误,但却拒绝以任何形式对中方道歉。

负责沟通的时任中国外交部国际司副司长沙祖康在接受采访时,连说了十三个“窝囊”。6个月后,一份名为《关于印发双星导航定位系统工程立项报告的通知》,宣告了“北斗一号”的正式立项。

54岁的卜庆军在努力了9年后,终于等来了“北斗”的上马;65岁的孙家栋,翻过作为“东方红一号”卫星总体设计师的人生一页,被任命为了“北斗一号”工程的总设计师;而77岁的陈芳允,于5年前对“双星定位”理论完成了实际验证,成为了“北斗”的理论奠基人。

从1994年立项,到2000年发射北斗一号所需的两颗卫星,第一代北斗人完成的是中国航天和自主卫星定位导航系统从无到有的突破。

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北斗一号工程总设计师孙家栋

如果说“北斗一号”最难的是立项;那么“北斗二号”就是一场与时间的赛跑。

由于起步较早,美国和俄罗斯占用了80%的黄金导航频段,剩下的一小段频率,在2000年6月被联合国国际电信联盟放出来供世界各国平等申请,启用时限7年,先到先得。简而言之,中国必须在2007年4月17日之前发射卫星,并成功播发信号。否则这仅剩的导航频段使用权就会被取消,此前一切努力皆成泡影。

而此时,北斗二号工程才刚刚启动,导航卫星上的“心脏”铷原子钟还远远没有实现国产化,却先一步迎来了极为严苛的国际禁售。最终留给中国人攻关这项技术的时间只有两年。

2007年4月14日4时11分,首颗北斗2号卫星发射升空,却几乎没有欢呼声传来。因为此时距离频率使用权被收回的4月17日,只剩下了88个小时。在轨调试却通常需要7天。

信号没有传回,谁也没有欢呼的心情。焦灼的等待持续到了4月17日晚上8点,控制中心的接收机界面突然跳动,北斗2号在发射80多个小时之后,终于传回了第一组清晰的信号,此时距离国际电联规定的频率启用最后期限,还不到4个小时。

“北斗”几乎是在大门关闭的最后一刻,挤进了全球卫星导航系统的俱乐部。

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北斗二号总设计师谢军在央视《对话》栏目接受采访

十年后,另一个人也经历过同样焦灼的等待,那个人就是“北斗三号”的总设计师林宝军。

那一天,卫星在太空只用了16秒就稳住了姿态,林宝军却说这么多年都等了,不在乎这几分钟,于是一直等到了原计划的第8分钟,才向卫星发出了帆板展开指令。导航设备开机的时候,林宝军给接收信号的陕台打电话,说:“咱那个开(机)了吗?”

对方答:“开了。”

林宝军又问:“信号下来了吗?”

“下来了。”

“星呢?”(卫星信号呢?)

“星也下来了,很好。”

没有人看到,林宝军的眼泪在那一刻哗地流了下来。

时任科技部副部长相里斌曾经有一天晚上到林宝军的房间去,说宝军啊,你想想,做这个东西,全国人民,包括所有的人,对咱们有多大的期望?如果这个星要不成,咱俩应该从楼上跳下去。

而直到听到那句“很好”的时候,林宝军才终于确定:不会不成了,北斗首发星的一切都成了。

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北斗卫星导航系统架构;图片来源:国信通信研究报告

从2017年11月开始,中国以百分之百的成功率,在32个月中,发射了30颗北斗三号组网星,和两颗北斗2号备份星,以月均一颗卫星的速度,创造了世界导航卫星组网发射的新纪录。

北斗三号完成全球组网的时候,很少有人知道,全国有400多家单位,30余万名科研人员参与其中。那一天距离卜庆军赴美参加那场GPS研讨会,已经过去了35年,距离陈芳允先生提出的双星定位构想过去了37年,距离北斗一号工程立项,过去了26年。

中国终于建成了属于我们自己的自主全球卫星导航定位系统。

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终端迁移里的时代机遇

在中国之前,美苏都是按照一步到位的方式建立的全球导航系统,但中国考虑到自身所能投入的有限的资源,以及自身的人才和技术储备,最终选择了分阶段进行了系统的上线,简称“三步走”战略:

  • 第一步,“北斗一号”完成从无到有,在中国本土实现区域卫星定位零的突破。
  • 第二步,“北斗二号”完成进阶任务,覆盖亚太,实现定位、导航、测速、授时、通信等综合功能。
  • 第三步,“北斗三号”完成全球组网,进一步实现上述功能的完善和进阶。

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图片来源:国信通信研究报告

上线的过程,也伴随着地面应用的不断发展,一个系统不用,就没有了其存在的意义,只有用起来,才能真正体现价值。

而地面应用的基础,首先需要定位芯片的支持。智能手机作为最广泛被使用的导航定位终端,在其中起到了巨大的作用。

在芯片不占主导的情况下,过去二十年中国手机市场的大爆发,和消费电子产业及华为、小米、OV等一大批手机终端厂商突飞猛进的发展,推动了三星、高通等基带芯片厂商对北斗系统的硬件支持,为北斗系统地面应用的顺利铺开带来了巨大的时代机遇。

2014年1月,三星电子宣布GALAXY Note 3国行版的两个型号(N9006和N9008V)正式支持北斗卫星导航系统,这也是首款支持全球三大卫星导航系统(美国的GPS、俄罗斯的Glonass和中国的北斗)的智能手机,奠定了一个导航系统在智能手机上竞争基调:

各凭本事,谁强用谁。

世界四大全球导航定位系统,美国GPS,俄罗斯格洛纳斯,欧洲伽利略,和中国北斗,谁的信号质量更好,反应更快,你的手机就会优先调用哪个系统提供的数据。

而在中国,乃至整个亚太,北斗系统无论是卫星数量,还是信号传输的质量,都有着明显的优势。

近日,中国卫星导航系统管理办公室发布高德地图基于北斗卫星导航系统(以下简称“北斗系统”)的应用相关数据:截至2022年11月,高德地图调用北斗卫星日定位量已超过2100亿次,北斗调用率在所有卫星导航系统中居于首位。

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而高德地图发布的车道级导航服务,应用北斗系统亚米级的高精度定位技术,结合参考站修正信息,经过融合和解算后,实现定位精度从5-10米的道路级,进化到1米以内的车道级别。这也是国内首个可完全在智能手机上实现的车道级导航服务。

在同时支持北斗和其他卫星导航系统的手机用户中,高德地图平均每次定位所调用的卫星,北斗卫星的数量占比最高,比排名第二的GPS多出了30%。

曾经坚持不愿支持北斗导航系统的苹果,曾经因为只依赖GPS和格洛纳斯,在中国市场上以导航不准而饱受诟病,最终也在2020年的iPhone12上宣布支持北斗。今年上半年我国境内申请入网的智能手机中,有128款支持北斗定位,其出货量占上半年总出货量的98%以上。

可以说,至少在中国本土,我们已经通过最公平的竞争,重新夺回了中国民用导航系统的主导权,今天中国手机地图导航定位已经全面实现了北斗主导。而在国际上,北斗也正在获得举足轻重的地位。相关产品和服务已输出到120余个国家和地区。

北斗夺回中国导航系统主导权

北斗地面应用的初步推广,得益于上一轮以手机为主要节点的终端迁移;而北斗未来的广阔前景,则必将得益于以智能汽车为主要节点的新一轮的终端迁移。

以特斯拉为例,当年刚进入中国时自动驾驶表现极为糟糕,最重要的就是因为其导航定位依赖的是谷歌地图和GPS,精度和准度都极为堪忧。

而中国新一代车企,如蔚来、小鹏、理想,则大多使用的是高德等本土地图软件,调用的是北斗的车道级精度导航数据。这种高精度的定位,有着极为广阔的应用前景。

北斗夺回中国导航系统主导权

小鹏汽车上的高德车道级导航

比如青岛港,在整个37平方公里的码头上,无人驾驶的AGV全自动引导车,和全自动的空中空轨运输系统,都由北斗提供定位支持,最高定位精度可以达到2厘米,全程自动进行集装箱的装卸和运输。在青岛港,只需要9个远程操控的技术工人,就可以取代传统码头作业需要八十多个工人才能实现的工作。

全球百分之八十的贸易,都是通过海运来完成的。而世界上最忙碌的十个港口里,有七个都在中国。而未来港口发展的智能化解决方案,基础就在于导航定位系统的精度和反应速度。

北斗在青岛港的应用,和对无人驾驶引导车提供的导航支持只是一个缩影,终端迁移带来的下一个时代机遇,被北斗牢牢地抓在了我们自己手里。

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结语

当今的国际规则,大部分是美国制定的,其它大部分国家和美国之间的关系,类似应用开发者和苹果(或者谷歌安卓系统)之间的关系。当依赖于美国系统的其他国家要和美国发生冲突的时候,几乎毫无招架之力。

但就像国际手机主流操作系统,有安卓和苹果iOS两大系统并存一样,我们认为中国未来努力的方向,是和美国形成“双操作系统”模式。

在互联网领域,已经有了这种模式的雏形,比如美国有Meta,中国有腾讯;美国有亚马逊,中国有阿里巴巴;美国有谷歌,中国有百度;美国有Uber,中国有滴滴。

中国的互联网产业,在美国之外,形成了一套独立的产业体系,并且颇有独到之处,在海外也相当具有竞争力。

而在其他领域,中国也正在建立一套独立于美国之外的普适性标准,比如美国有GPS,中国有北斗,而我并不比你差,甚至在某些领域,某些功能上,具有很强的不可取代性。

在一年前新疆棉事件时,我曾经提出过,不只要做产品上的国产替代,更要做标准上的国产替代。北斗对中国民用导航定位系统主导权的重新掌握,就是这种“标准的国产替代”的第一步。

越是中国被国外“卡脖子”、“技术脱钩”,中国越是要扩大开放,越是不能闭门造车。要积极在产业和经济上接入日本、韩国、新加坡、泰国、德国、法国、俄罗斯、印度、巴西、阿根廷、印尼、越南、土耳其、捷克、波兰、西班牙、意大利、荷兰这些国家,通过与这些国家的经贸和技术往来,建立我们自己的一套操作系统,进而走向中美“双系统”。

中国古代十大名剑里,排名第一的是轩辕,并不是湛卢,但林宝军用湛卢来形容北斗,因为湛卢是仁者之剑,他说中国人建造北斗,并不是为了称霸,而是为了造福。这句话或许正应了一句被写进了中国人骨血里的文化精神内核:

贫,则独善其身;达,则兼济天下。

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