中國(guó)的北斗導(dǎo)航授時(shí)系統(tǒng)推進(jìn)5G網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步

眾所周知，衛(wèi)星導(dǎo)航授時(shí)系統(tǒng)作為一個(gè)國(guó)家重要的空間信息基礎(chǔ)設(shè)施，可以提供精確定位和精準(zhǔn)授時(shí)功能。無(wú)論是對(duì)于國(guó)防，還是社會(huì)生產(chǎn)、日常生活，都具有極其重要的戰(zhàn)略意義。也是一個(gè)國(guó)家自主和安全的保障基礎(chǔ)。

中國(guó)政府高度重視北斗系統(tǒng)發(fā)展，2016年以來(lái)，在中央網(wǎng)信辦、國(guó)家發(fā)改委、科技部、工業(yè)和信息化部等部門(mén)的聯(lián)合推動(dòng)下，北斗精準(zhǔn)定位及授時(shí)功能在農(nóng)業(yè)、工業(yè)、警用、勘測(cè)等各行業(yè)各領(lǐng)域逐步展開(kāi)，并不斷成熟和深化。

據(jù)悉，近期中央和國(guó)家各部委，企業(yè)/協(xié)會(huì)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(xiě)的《中華人民共和國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航條例》草稿已經(jīng)初步完成，該條例將通過(guò)法治手段強(qiáng)化衛(wèi)星系統(tǒng)相關(guān)業(yè)務(wù)的頂層設(shè)計(jì)和統(tǒng)籌發(fā)展。可以預(yù)測(cè)，隨著條例頒布與實(shí)施，北斗系統(tǒng)與各行各業(yè)，與我們?nèi)粘Ｉ畹娜诤弦矊⒏涌v深，北斗的大規(guī)模應(yīng)用、走向國(guó)際化的路線也會(huì)更加明晰。

中國(guó)的北斗導(dǎo)航授時(shí)系統(tǒng)總體上可以分成三代：

第一代，部署時(shí)間：2000年10月~12月。2+2(備用)顆衛(wèi)星，屬于有源區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。其服務(wù)范圍為國(guó)內(nèi);定位精度為20米;授時(shí)精度為100納秒。

第二代，部署時(shí)間：2007年至2012年。由14顆北斗二號(hào)(5顆靜止軌道導(dǎo)航衛(wèi)星+5顆傾斜地球同步軌道導(dǎo)航衛(wèi)星+4顆中圓地球軌道導(dǎo)航衛(wèi)星)組成，屬于無(wú)源與有源相結(jié)合的區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。其服務(wù)范圍為亞太地區(qū);定位精度為10米;測(cè)速精度為0.2米/秒;授時(shí)精度為50納秒。

第三代，部署時(shí)間：2017年至2020年，將先后發(fā)射35顆北斗三號(hào)導(dǎo)航衛(wèi)星(5顆靜止軌道衛(wèi)星+3顆傾斜地球同步軌道衛(wèi)星+27顆中圓軌道衛(wèi)星)，屬于無(wú)源與有源相結(jié)合的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。其服務(wù)范圍為全球;定位精度為2.5至5米;測(cè)速精度為0.2米/秒;授時(shí)精度為20納秒。屆時(shí)，“北斗”的定位和授時(shí)精度將與美國(guó)GPS完全媲美甚至更優(yōu)。

另外，我國(guó)的北斗三代系統(tǒng)還有一些美國(guó)GPS、俄羅斯GLONASS和歐洲Galileo導(dǎo)航系統(tǒng)不具備的性能和特點(diǎn)，如通信和短報(bào)文能力、星間鏈路能力、高精度氫原子鐘(時(shí)鐘穩(wěn)定度提高了10倍)、雙向授時(shí)、衛(wèi)星自主導(dǎo)航、三種軌道衛(wèi)星組合等。其中的三種軌道衛(wèi)星組合的方案，相比其它衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，抗遮擋能力更強(qiáng)，尤其在低緯度地區(qū)性能特點(diǎn)更為明顯，極大提升了覆蓋的無(wú)縫性和安全的可信性。星間鏈路是“北斗”實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航的關(guān)鍵，所謂自主導(dǎo)航，是指極端情況下，地面站全部失效，35顆“北斗”導(dǎo)航衛(wèi)星可以通過(guò)星間鏈路相互校準(zhǔn)，保障整個(gè)星座可靠運(yùn)營(yíng)，不中斷精準(zhǔn)定位和授時(shí)服務(wù)，這等于為北斗系統(tǒng)的全天候、全天時(shí)、高可靠、高精度多上了一道保險(xiǎn)。另外，北斗特有的雙向授時(shí)功能，能大幅提升授時(shí)精度，在一些特殊場(chǎng)合更是能發(fā)揮關(guān)鍵的作用。

隨著近年來(lái)4G網(wǎng)絡(luò)大規(guī)模建設(shè)和普及應(yīng)用，我國(guó)移動(dòng)通信事業(yè)迎來(lái)了飛速發(fā)展。據(jù)工信部最新的官方數(shù)據(jù)，我國(guó)移動(dòng)通信基站總數(shù)已經(jīng)超過(guò)600萬(wàn)。這些基站中，除了因技術(shù)體制的原因，部分系統(tǒng)不需要精準(zhǔn)授時(shí)外，其它絕大多數(shù)的基站目前都依靠GPS進(jìn)行授時(shí)。例如，具有我國(guó)自主創(chuàng)新典范意義的TD-LTE 4G的移動(dòng)通信系統(tǒng)，系統(tǒng)時(shí)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(guó)GPS系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行授時(shí)和同步。

可想而知，一個(gè)完全依賴美國(guó)GPS的網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)，其安全和可靠性是存在較大的風(fēng)險(xiǎn)和不確定性的。我們也注意到，類(lèi)似GPS擾動(dòng)、受干擾從而影響通信系統(tǒng)正常工作的現(xiàn)象也時(shí)而有發(fā)生，類(lèi)似報(bào)道也屢見(jiàn)不鮮。近期中美貿(mào)易戰(zhàn)的發(fā)生和和拉鋸式進(jìn)展更是牽動(dòng)了國(guó)人的自主安全的神經(jīng)，也觸發(fā)了很多思考。

北斗系統(tǒng)已經(jīng)完全實(shí)用化，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前北斗相關(guān)產(chǎn)業(yè)規(guī)模已經(jīng)達(dá)到了3000億，北斗終端產(chǎn)品推廣應(yīng)用累計(jì)已超4000萬(wàn)套，2018年還將完成年度共18個(gè)導(dǎo)航衛(wèi)星的發(fā)射和投入運(yùn)營(yíng)，優(yōu)先保障國(guó)內(nèi)和一帶一路相關(guān)區(qū)域的高精度導(dǎo)航和授時(shí)的需求。因此，用北斗來(lái)替代GPS提供基站授時(shí)和同步服務(wù)，不僅從技術(shù)原理、應(yīng)用效果、經(jīng)濟(jì)效益等方面完全可行;而且從國(guó)家信息基礎(chǔ)設(shè)施獨(dú)立自主、安全可靠的戰(zhàn)略要求來(lái)看，也是勢(shì)在必行。

作為新一代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，無(wú)論歐美、日韓還是中國(guó)，從國(guó)家政府到運(yùn)營(yíng)商層面都非常重視5G的發(fā)展，都在如火如荼的進(jìn)行著相關(guān)試驗(yàn)和產(chǎn)業(yè)推進(jìn)。5G不僅僅是把移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)做的帶寬更大、速度更快，其另外兩大特性“低時(shí)延高可靠”、“海量鏈接”帶來(lái)的影響將更加深遠(yuǎn)。5G能夠?qū)崿F(xiàn)真正的萬(wàn)物互聯(lián)，也是實(shí)現(xiàn)國(guó)家經(jīng)濟(jì)數(shù)字化轉(zhuǎn)型、工業(yè)制造2025目標(biāo)的一個(gè)最重要的戰(zhàn)略基礎(chǔ)。

5G網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步常規(guī)要求仍為±1.5µs，這和4G沒(méi)有太大變化。但隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展和特殊應(yīng)用場(chǎng)景應(yīng)用需要，也提出了更高一個(gè)數(shù)量級(jí)的±130ns的要求。不過(guò)顯而易見(jiàn)，即便是±130ns的要求，無(wú)論北斗二代還是北斗三代都可以輕松應(yīng)對(duì)。5G大規(guī)模商用的時(shí)間預(yù)計(jì)在2020年后，屆時(shí)功能強(qiáng)大安全可靠的北斗三代也已經(jīng)全面建成，北斗在5G網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用水到渠成順理成章。

5G作為國(guó)家和社會(huì)至關(guān)重要的高速、高效的基礎(chǔ)信息網(wǎng)絡(luò)，其自主性和安全性不言而喻。單從網(wǎng)絡(luò)同步、基站授時(shí)這個(gè)方面來(lái)看，采用北斗系統(tǒng)或者北斗/GPS雙模替代單一GPS系統(tǒng)，需要盡早提上日程并付諸實(shí)施，在今后的5G擴(kuò)大規(guī)模試驗(yàn)、發(fā)改委5G示范城市項(xiàng)目，乃至2020年全面商用中，需要堅(jiān)定地落實(shí)和推進(jìn)應(yīng)用!