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移動通信基站的北斗授時同步應用正當時

       眾所周知,衛星導航授時系統作為一個國家重要的空間信息基礎設施,可以提供精確定位和精準授時功能。無論是對于國防,還是社會生產、日常生活,都具有極其重要的戰略意義。也是一個國家自主和安全的保障基礎。

中國政府高度重視北斗系統發展,2016年以來,在中央網信辦、國家發改委、科技部、工業和信息化部等部門的聯合推動下,北斗精準定位及授時功能在農業、工業、警用、勘測等各行業各領域逐步展開,并不斷成熟和深化。

據悉,近期中央和國家各部委,企業/協會專家代表,以及民航、電力、公安、通信等重要用戶共同參與編寫的《中華人民共和國衛星導航條例》草稿已經初步完成,該條例將通過法治手段強化衛星系統相關業務的頂層設計和統籌發展??梢灶A測,隨著條例頒布與實施,北斗系統與各行各業,與我們日常生活的融合也將更加縱深,北斗的大規模應用、走向國際化的路線也會更加明晰。

中國的北斗導航授時系統總體上可以分成三代:

第一代,部署時間:2000年10月~12月。2+2(備用)顆衛星,屬于有源區域衛星導航系統。其服務范圍為國內;定位精度為20米;授時精度為100納秒。

第二代,部署時間:2007年至2012年。由14顆北斗二號(5顆靜止軌道導航衛星+5顆傾斜地球同步軌道導航衛星+4顆中圓地球軌道導航衛星)組成,屬于無源與有源相結合的區域衛星導航系統。其服務范圍為亞太地區;定位精度為10米;測速精度為0.2米/秒;授時精度為50納秒。

第三代,部署時間:2017年至2020年,將先后發射35顆北斗三號導航衛星(5顆靜止軌道衛星+3顆傾斜地球同步軌道衛星+27顆中圓軌道衛星),屬于無源與有源相結合的全球衛星導航系統。其服務范圍為全球;定位精度為2.5至5米;測速精度為0.2米/秒;授時精度為20納秒。屆時,“北斗”的定位和授時精度將與美國GPS完全媲美甚至更優。

另外,我國的北斗三代系統還有一些美國GPS、俄羅斯GLONASS和歐洲Galileo導航系統不具備的性能和特點,如通信和短報文能力、星間鏈路能力、高精度氫原子鐘(時鐘穩定度提高了10倍)、雙向授時、衛星自主導航、三種軌道衛星組合等。其中的三種軌道衛星組合的方案,相比其它衛星導航系統,抗遮擋能力更強,尤其在低緯度地區性能特點更為明顯,極大提升了覆蓋的無縫性和安全的可信性。星間鏈路是“北斗”實現自主導航的關鍵,所謂自主導航,是指極端情況下,地面站全部失效,35顆“北斗”導航衛星可以通過星間鏈路相互校準,保障整個星座可靠運營,不中斷精準定位和授時服務,這等于為北斗系統的全天候、全天時、高可靠、高精度多上了一道保險。另外,北斗特有的雙向授時功能,能大幅提升授時精度,在一些特殊場合更是能發揮關鍵的作用。

隨著近年來4G網絡大規模建設和普及應用,我國移動通信事業迎來了飛速發展。據工信部最新的官方數據,我國移動通信基站總數已經超過600萬。這些基站中,除了因技術體制的原因,部分系統不需要精準授時外,其它絕大多數的基站目前都依靠GPS進行授時。例如,具有我國自主創新典范意義的TD-LTE 4G的移動通信系統,系統時間同步要求在±1.5μs,但由于歷史及其它原因,幾乎百分百都采用美國GPS系統來進行授時和同步。

可想而知,一個完全依賴美國GPS的網絡和系統,其安全和可靠性是存在較大的風險和不確定性的。我們也注意到,類似GPS擾動、受干擾從而影響通信系統正常工作的現象也時而有發生,類似報道也屢見不鮮。近期中美貿易戰的發生和和拉鋸式進展更是牽動了國人的自主安全的神經,也觸發了很多思考。

北斗系統已經完全實用化,據不完全統計,目前北斗相關產業規模已經達到了3000億,北斗終端產品推廣應用累計已超4000萬套,2018年還將完成年度共18個導航衛星的發射和投入運營,優先保障國內和一帶一路相關區域的高精度導航和授時的需求。因此,用北斗來替代GPS提供基站授時和同步服務,不僅從技術原理、應用效果、經濟效益等方面完全可行;而且從國家信息基礎設施獨立自主、安全可靠的戰略要求來看,也是勢在必行。

作為新一代移動通信網絡,無論歐美、日韓還是中國,從國家政府到運營商層面都非常重視5G的發展,都在如火如荼的進行著相關試驗和產業推進。5G不僅僅是把移動互聯網做的帶寬更大、速度更快,其另外兩大特性“低時延高可靠”、“海量鏈接”帶來的影響將更加深遠。5G能夠實現真正的萬物互聯,也是實現國家經濟數字化轉型、工業制造2025目標的一個最重要的戰略基礎。

5G網絡的時間同步常規要求仍為±1.5μs,這和4G沒有太大變化。但隨著網絡技術發展和特殊應用場景應用需要,也提出了更高一個數量級的±130ns的要求。不過顯而易見,即便是±130ns的要求,無論北斗二代還是北斗三代都可以輕松應對。5G大規模商用的時間預計在2020年后,屆時功能強大安全可靠的北斗三代也已經全面建成,北斗在5G網絡中的應用水到渠成順理成章。

5G作為國家和社會至關重要的高速、高效的基礎信息網絡,其自主性和安全性不言而喻。單從網絡同步、基站授時這個方面來看,采用北斗系統或者北斗/GPS雙模替代單一GPS系統,需要盡早提上日程并付諸實施,在今后的5G擴大規模試驗、發改委5G示范城市項目,乃至2020年全面商用中,需要堅定地落實和推進應用!

(CCTIME飛象網)

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