楊元喜院士：北斗系統(tǒng)開通，艱巨挑戰(zhàn)還在后頭

7月31日，中共中央總書記、國家主席、中央軍委主席習(xí)近平向全世界莊嚴(yán)宣布“北斗三號全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正式開通”。歷時26年，歷經(jīng)北斗一號、二號、三號的艱難建設(shè)過程，我國獨立自主運行控制的國家時空基礎(chǔ)設(shè)施正式建成，并投入運行。

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

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

國家金融體系、國家電網(wǎng)、通信網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)均屬于國家重要基礎(chǔ)設(shè)施,它們需要高精度時間同步，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；國家航空系統(tǒng)、鐵路交通、公路交通等屬于國家交通基礎(chǔ)設(shè)施，它們均需要精確的定位、導(dǎo)航和時間同步。

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)，使空中運輸更安全，高鐵運行更高效，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)等提供位置和時間信息，為國家坐標(biāo)系統(tǒng)維持與更新提供自主的高精度監(jiān)測，為地殼形變監(jiān)測、滑坡監(jiān)測等提供精密的位置變化信息。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的開通運行只是北斗系統(tǒng)建設(shè)與服務(wù)的一個重要節(jié)點。正如孫家棟院士所說，“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)、運行與監(jiān)控就顯得十分重要。

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

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

任何環(huán)節(jié)運行失誤都可能導(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)計和冗余備份，確保空間星座的完備性；其次，還要加強(qiáng)監(jiān)測和運控系統(tǒng)備份，確保北斗運行控制系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠；此外，我們要不斷精化衛(wèi)星軌道測定算法，使其具備誤差識別和補償能力，加強(qiáng)衛(wèi)星鐘差的監(jiān)測與預(yù)報計算軟件優(yōu)化，使其具有可靠的衛(wèi)星鐘差建模與預(yù)報能力。

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

我們必須清醒地認(rèn)識到，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，甚至深地的無縫PNT信息基礎(chǔ)設(shè)施。強(qiáng)調(diào)“不同物理原理”，是因為基于相同原理的信息一旦受干擾、遮蔽，再多的信息源也無濟(jì)于事。

于是,包括銀河系外的脈沖星X射線導(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、從深空到深海無縫覆蓋的PNT信息基礎(chǔ)設(shè)施，實現(xiàn)時空基準(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、觀測模型彈性優(yōu)化、隨機(jī)模型彈性調(diào)整的彈性PNT服務(wù)體系。實現(xiàn)多PNT傳感器的集成化和小型化、運控手段的“云端化”、多源信息融合的“自適應(yīng)化”，最終實現(xiàn)PNT服務(wù)模式的“智能化”，以便實現(xiàn)各類PNT信息的最佳融合。

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

總之，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建成，解決了國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)和國防建設(shè)的急需，但是更加泛在的、獨立自主的綜合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)。

（作者系中國科學(xué)院院士、北斗導(dǎo)航系統(tǒng)副總設(shè)計師）

《中國科學(xué)報》 （2020-08-10 第1版 要聞）