楊元喜院士：北斗系統(tǒng)開(kāi)通，艱巨挑戰(zhàn)還在后頭

7月31日，中共中央總書(shū)記、國(guó)家主席、中央軍委主席習(xí)近平向全世界莊嚴(yán)宣布“北斗三號(hào)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正式開(kāi)通”。歷時(shí)26年，歷經(jīng)北斗一號(hào)、二號(hào)、三號(hào)的艱難建設(shè)過(guò)程，我國(guó)獨(dú)立自主運(yùn)行控制的國(guó)家時(shí)空基礎(chǔ)設(shè)施正式建成，并投入運(yùn)行。

北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)不僅具有定位、導(dǎo)航和授時(shí)（PNT）功能，還具有區(qū)域短報(bào)文通信、區(qū)域精密單點(diǎn)定位和區(qū)域星基增強(qiáng)服務(wù)功能，以及國(guó)際搜救、全球短報(bào)文等特殊服務(wù)功能。北斗全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建成，標(biāo)志著我國(guó)具備了獨(dú)立自主的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，我國(guó)重要基礎(chǔ)設(shè)施的時(shí)空基準(zhǔn)不再依賴(lài)國(guó)外的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。

北斗三號(hào)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由位于三個(gè)不同軌道的30顆衛(wèi)星組成，是國(guó)家其他重要基礎(chǔ)設(shè)施的基礎(chǔ)設(shè)施。

國(guó)家金融體系、國(guó)家電網(wǎng)、通信網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)均屬于國(guó)家重要基礎(chǔ)設(shè)施,它們需要高精度時(shí)間同步，否則金融系統(tǒng)可能癱瘓，電網(wǎng)可能發(fā)生故障，通信網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)可能出現(xiàn)服務(wù)中斷或服務(wù)效率低下的現(xiàn)象；國(guó)家航空系統(tǒng)、鐵路交通、公路交通等屬于國(guó)家交通基礎(chǔ)設(shè)施，它們均需要精確的定位、導(dǎo)航和時(shí)間同步。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)服務(wù)模塊可以植入航空、高鐵和公路系統(tǒng)，使空中運(yùn)輸更安全，高鐵運(yùn)行更高效，公路交通管理更有序。

北斗系統(tǒng)還能為智慧城市、精細(xì)農(nóng)業(yè)、數(shù)字漁業(yè)等提供位置和時(shí)間信息，為國(guó)家坐標(biāo)系統(tǒng)維持與更新提供自主的高精度監(jiān)測(cè)，為地殼形變監(jiān)測(cè)、滑坡監(jiān)測(cè)等提供精密的位置變化信息。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的開(kāi)通運(yùn)行只是北斗系統(tǒng)建設(shè)與服務(wù)的一個(gè)重要節(jié)點(diǎn)。正如孫家棟院士所說(shuō)，“北斗系統(tǒng)不但要做到天上好用，而且要做到地上用好”，為此北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的維護(hù)、運(yùn)行與監(jiān)控就顯得十分重要。

北斗系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行與服務(wù)取決于監(jiān)控系統(tǒng)的精穩(wěn)監(jiān)測(cè)、精細(xì)調(diào)控和故障的快速排查與恢復(fù)。

盡管在設(shè)計(jì)與建設(shè)過(guò)程中留有冗余備份，并有嚴(yán)密監(jiān)測(cè)與故障預(yù)警體系，但北斗系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的巨型系統(tǒng)，系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行不僅受空間環(huán)境和衛(wèi)星上各種載荷可靠性的影響，而且受地面環(huán)境及各類(lèi)運(yùn)行控制要素的影響。

任何環(huán)節(jié)運(yùn)行失誤都可能導(dǎo)致系統(tǒng)服務(wù)質(zhì)量下降，甚至服務(wù)中斷。顯然，北斗的穩(wěn)定運(yùn)行仍面臨十分艱巨的任務(wù)。

首先，我們要加強(qiáng)衛(wèi)星的冗余設(shè)計(jì)和冗余備份，確?？臻g星座的完備性；其次，還要加強(qiáng)監(jiān)測(cè)和運(yùn)控系統(tǒng)備份，確保北斗運(yùn)行控制系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠；此外，我們要不斷精化衛(wèi)星軌道測(cè)定算法，使其具備誤差識(shí)別和補(bǔ)償能力，加強(qiáng)衛(wèi)星鐘差的監(jiān)測(cè)與預(yù)報(bào)計(jì)算軟件優(yōu)化，使其具有可靠的衛(wèi)星鐘差建模與預(yù)報(bào)能力。

只有這樣，北斗系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行與服務(wù)才有可靠保障。

我們必須清醒地認(rèn)識(shí)到，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與其他全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)一樣具有天然的脆弱性。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)微弱，易被干擾和欺騙，且不能惠及室內(nèi)、水下和地下以及其他受遮蔽的地區(qū)。

為了國(guó)家重大基礎(chǔ)設(shè)施PNT信息的安全、可靠、連續(xù)，必須建立“更加泛在、更加融合、更加智能”的綜合PNT體系。

綜合PNT體系要求基于不同物理原理、不同信息層，建立從深空到深海，甚至深地的無(wú)縫PNT信息基礎(chǔ)設(shè)施。強(qiáng)調(diào)“不同物理原理”，是因?yàn)榛谙嗤淼男畔⒁坏┦芨蓴_、遮蔽，再多的信息源也無(wú)濟(jì)于事。

于是,包括銀河系外的脈沖星X射線(xiàn)導(dǎo)航定位信息源、基于拉格朗日星座的PNT信息源、高低軌衛(wèi)星星座組合的空間PNT信息源、地面5G/6G通信信息和海底聲吶信標(biāo)等提供的PNT信息源，將成為下一代國(guó)家PNT體系的主要信息源，最終建成以北斗系統(tǒng)為核心、從深空到深海無(wú)縫覆蓋的PNT信息基礎(chǔ)設(shè)施，實(shí)現(xiàn)時(shí)空基準(zhǔn)統(tǒng)一、服務(wù)信息多源、服務(wù)體系連續(xù)、可靠、穩(wěn)定、抗干擾、防欺騙的PNT服務(wù)。

基于綜合PNT基礎(chǔ)設(shè)施，我們還必須構(gòu)建多源信息彈性集成、觀(guān)測(cè)模型彈性?xún)?yōu)化、隨機(jī)模型彈性調(diào)整的彈性PNT服務(wù)體系。實(shí)現(xiàn)多PNT傳感器的集成化和小型化、運(yùn)控手段的“云端化”、多源信息融合的“自適應(yīng)化”，最終實(shí)現(xiàn)PNT服務(wù)模式的“智能化”，以便實(shí)現(xiàn)各類(lèi)PNT信息的最佳融合。

國(guó)家綜合PNT基礎(chǔ)設(shè)施和彈性PNT服務(wù)體系是確保國(guó)家重大基礎(chǔ)設(shè)施安全、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行的重要保障，也是國(guó)防建設(shè)的重要支撐。

總之，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建成，解決了國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)和國(guó)防建設(shè)的急需，但是更加泛在的、獨(dú)立自主的綜合PNT體系和相應(yīng)的彈性PNT體系建設(shè)才是我們追求的最終目標(biāo)。

（作者系中國(guó)科學(xué)院院士、北斗導(dǎo)航系統(tǒng)副總設(shè)計(jì)師）

《中國(guó)科學(xué)報(bào)》 （2020-08-10 第1版 要聞）