北斗三号组网完成!四大黑科技吊打GPS,七个行业受益

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7月31日上午,北斗三号全球卫星导航系统建成暨开通仪式在北京举行。总书记出席并正式宣布北斗三号组网完成,仪式后总书记还参观了北斗系统建设成果展示。

总书记强调,北斗26年来,参与北斗系统研制建设的全体人员迎难而上、敢打硬仗、接续奋斗,发扬“两弹一星”精神,培育了新时代北斗精神,要传承好、弘扬好。并指出:“中国愿同各国共享北斗系统建设发展成果,共促全球卫星导航事业蓬勃发展。”

▲仪式现场讲话台

▲北斗三号三种卫星模型

北斗卫星导航系统经历了北斗一号系统、北斗二号系统、北斗三号系统三个阶段。目前,最早的北斗一号系统已经放弃使用,正在使用的有北斗二号系统和三号系统。北斗二号系统已向亚太区用户提供稳定服务超过 5 年,在轨运行情况良好。 2017 年至今,我国完成超高密度的北斗三号发射任务,创造了北斗组网发射历史上高密度的新纪录。随着“北斗”地基增强系统提供服务,未来可提供米级、亚米级、分米级,甚至厘米级的服务。

本期的智能内参,我们推荐中国信通院、长江证券关于北斗系统的两份报告,揭秘北斗系统的“黑科技”。

本期内参来源:中国信通院 长江证券

原标题:

北斗技术与产业发展白皮书 》《 北斗大国重器,自主可控典范

作者: 于海宁 等

一、北斗三号正式收官,四大黑科技上线

北斗卫星导航系统( BDS, BeiDou Navigation Satellite System)是中国自主发展、独立运行的全球卫星导航系统,是为全球用户提供全天候、全天时、高精度的定位、导航、授时和短报文通信服务的国家重要空间基础设施。北斗与美国的 GPS、俄罗斯的 GLONASS、欧盟的 Galileo 构成全球四大卫星导航系统。

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五十五颗导航卫星,暨北斗三号最后一颗全球组网卫星。至此北斗三号全球卫星导航系统星座部署比原计划提前半年全面完成。

我国北斗卫星导航系统实施明确的“三步走”建设规划:第一步是试验系统阶段,2000 年发射 2 颗地球静止轨道卫星并投入运营,建成“北斗 1 号”系统;第二步是区域系统建设阶段,2012 年“北斗 2号”卫星发射数量达到 14 个,建成覆盖亚太的北斗区域系统;第三步为“北斗 3 号”全球组网,完成 30 颗卫星发射组网,全面建成北斗三号系统。2020 年 6 月 23 日,北
斗三号发射最后 1 颗地球静止轨道卫星,系统全面建成,计划到 2035 年将建成以北斗为核心的综合定位导航授时(PNT)体系。北斗实现全球覆盖,对于军用市场和民用市场都是从 0 到 1 的突破,将推动北斗全球的标配化 。

▲2020 年 6 月,北斗全球系统全面建设完成

在轨卫星数量位列四大导航卫星之首,保障性能优势。继 2018 年、2019 年高密度发射之后,北斗在轨卫星数量跃居四大卫星导航之首。根据格洛纳斯卫星系统官网数据统计,截至 2020 年 6 月 15 日,北斗导航系统卫星数量达 48 颗(包括北二的卫星),而美国的 GPS 卫星数量为 32 颗。与此同时,GALILEO 和 GLONASS 的在轨卫星均不到 30颗。从格洛纳斯监测数据可以看出,北斗系统除了大西洋与太平洋等局部区域卫星覆盖的数量较少,为 6 颗左右以外,其余地区均实现了较深度的覆盖。

尤其在亚太区域,可见卫星的数量大于16颗。虽然为了保持美国的军事优势,美国推出了GPS第三代计划。但其研制和发射的过程进展并不顺利,截至目前,GPS III 仅发射了 2 颗卫星,第三颗卫星预计将于 6 月 30 日发射,进度大幅低于预期。按照美国计划,预计在未来 20 年发射 30 多颗军民两用的第三代 GPS 卫星,每年平均发射 1-2 颗。北斗在轨卫星数量的优势在未来几年内有望持续。

▲北斗卫星导航系统卫星数量情况(颜色越浅越佳)

▲ GPS 导航系统卫星数量情况

▲ 格洛纳斯(GLONASS)卫星数量情况

▲ 伽利略(GALILEO)卫星数量情况

相较于 GPS,北斗系统各项性能优越,全球组网后性能有望全面超越。在 95%的置信度下,北斗导航系统定位精度为水平 10 米、高程 10 米(GPS:水平 9 米、高程 15 米),测速精度为 0.2 米/秒(0.006 米/秒),授时精度为 20 纳秒(GPS:40 纳秒)。实测结果表明,北斗系统服务能力全面达到并优于上述指标。综合来看北斗导航系统性能不逊于,甚至部分指标优于美国 GPS。尤其是在“一带一路”沿线国家和地区,北斗导航的定位精度达到水平 5 米、高程 5 米,较 GPS 存在明显优势。

▲北斗与 GPS 全球服务性能指标

特色服务能力逐渐形成,提供多元化服务。北斗三号系统建立了高精度时间和空间基准,增加了星间链路运行管理设施,北斗已初步形成星基增强、精密定位、短报文通信、国际搜救服务能力、已提供地基增强完全服务能力,构成了集多种服务能力于一体的北斗特色应用服务体系。

计划到 2020 年,全球范围内,北斗提供定位导航授时(RNSS)、全球短报文通信(GSMC)和国际搜救(SAR)三种服务,在中国及周边地区,提供星基增强(SBAS)、地基增强(GAS)、精密单点定位(PPP)和区域短报文通信(RSMC 四种服务。其中,2018 年底全球定位导航授时已向全球开通,2019 年底全球短报文通信、国际搜救和地基增强服务已具备能力,2020 年星基增强、精密单点定位和区域短报文通信服务将形成能力。届时,北斗将为用户提供精度更高、性能更优、功能更强的多元化服务,竞争优势进一步提升。

▲2020 年北斗系统计划提供的服务类型

二、军民两用,真正实现自主可控

卫星导航在国防安全、经济建设、社会生活中具有不可或缺性,北斗系统已经演变成为重大的国家战略和国家行为。由于 GPS 的建设早于北斗 20 余年,已渗透入我们生活的方方面面。然而对 GPS 产生过度依赖,一旦 GPS 停止对国内的服务,将会造成灾难性的后果。例如在军用层面,GPS 有两段频率,一段频率使用 C/A 码作为民用,另一段使用 P 码专属军用。民用码的定位精度远小于军用码,且军用码仅提供给美军和授权机构使用。

如果仅依赖美国的 GPS,一旦战争爆发,出现 GPS 信号被干扰或者关闭,所有的导航手段将全部失效,造成所有的武器和士兵的“失明”。2018 年 4 月,美国介入叙利亚冲突,美军通过关闭叙利亚地区 GPS 民用信号影响使用 GPS 信号制导的武器和定位装置。另外在民用层面,上至航空航天,下至工业、农业、渔业和日常生活等也都依赖于卫星。此外接收信号所需要的 GPS 芯片、GPS 设备的生产商、GPS 导航软件等等,均需缴纳 GPS 专利费用。基于以上考量,无论从国家安全或者经济角度,拥有自主独立的卫星导航定位系统为重中之重。

▲叙利亚地区测量 GPS 信号

▲切断民用 GPS 信号后存在明显中断

北斗全球组网,打开海外市场。叙利亚战争中切断 GPS 信号的做法向全世界 GPS 用户敲响警钟,尤其是军事武器装备市场。受限于自身技术实力和投入负担,自建导航系统对大多数国家无法实现,当前全球仅有 4 个全球定位导航系统,其中格洛纳斯和伽利略的性能较北斗存在明显的落后。

以格洛纳斯为例,由于卫星数量较少,格洛纳斯系统在许多部分区域均未能实现较为深度的覆盖,格洛纳斯加北斗后,可实现全球基本上所有地区 16 颗星以上的覆盖。我们认为北斗实现全球覆盖后,为摆脱单一依赖 GPS 以及提升性能,双模或者多模的形式或将成为主流,北斗龙头厂商有望受益。

▲格洛纳斯(GLONASS)卫星数量情况

▲格洛纳斯+北斗卫星数量情况

国内卫星导航与位置服务产业产值保持高速增长,但占全球市场份额依然较低,海外市场空间巨大。近年来我国卫星导航与位置服务产业稳定、较快速的增长。2019 年我国卫星导航与位置服务产业总体产值达 3450 亿元,较 2018 年增长 14.4%,其中,与卫星导航技术研发和应用直接相关的芯片、器件、算法、软件、导航数据、终端设备、基础设施等核心产值同比增长 9.1%,为 1166 亿元,在总产值中占比为 33.8%。

北斗应用对核心产值的贡献率超过 80%。随着“北斗+”和“+北斗”应用的推进,由卫星导航衍生带动的关联产值继续保持较高速度增长,达到了 2284 亿元,同比增长 17.3%。但国内 GNSS 产业占全球市场份额依然相对较低,根据欧盟发布的《全球导航卫星系统市场报告》测算,2017 年国内 GNSS 市场份额为 10%,虽然比 2012 年增长 3pct,但依然远低于美国(28%)、欧洲(27%)和日本(20%)。根据欧洲全球卫星导航系统管理局(GSA)的估计,全球年产值将从 2019 年的 1507 亿欧元提升至 2029 年的 3244亿欧元,CAGR 为 7.97%。

▲我国卫星导航与位置服务产业产值快速增长

▲2017 年全球 GNSS 产业市场份额分布情况

三、产业链快速发展,七大下游产业受益

作为国家重大信息基础设施,北斗系统 2012 年底正式提供区域服务以来,系统连续稳定运行,性能指标稳中有升。随着中国北斗卫星导航系统建设步入快车道,相关关键技术全面突破,北斗卫星导航定位在应用方面更是遍地开花,除交通、海事、电力、民政、气象、渔业等传统行业外,北斗应用也走向普通民众生活,共享单车,双频北斗高精度智能手机等落地产品日益丰富。 我国已形成包括基础产品、应用终端、运行服务等较为完整的北斗产业体系,正在从行业应用拓展到大众应用,呈现快速发展局面。

中国的 GNSS 产业发展迅速,占全球市场的 11%。欧洲与日本由于工业体系发达, 其 GNSS 产业发展在某些细分领域有一定的技术优势;俄罗斯导航卫星起步早,但其对卫星的产业发展才刚刚开始重视。

▲ 全球 GNSS 产业市场份额分布

据 2018 年发布的《中国卫星导航与位置服务产业发展白皮书》,中国 GNSS 产业占全球市场份额的 11%, 北斗卫星导航系统及其兼容产品在国民经济重要行业和关键领域得到广泛应用,在大众消费市场逐步推广普及,对国内卫星导航应用市场的重要应用领域贡献率达到80%以上,在全球市场具备较强的国际竞争力。

北斗的基础类产品主要包括芯片、板卡、天线、接收机和导航电子地图等,是北斗应用产业链的基础和核心,北斗应用产业的发展离不开基础产品的支持,北斗应用产业的发展将首先带动基础产业的发展。北斗导航的基础类产品有较高的技术要求、进入壁垒高,拥有基础产品研发实力的企业具有较强的竞争力。 总体来说,北斗系统的上线,以下七个产业获益最大:

1、 智慧城市

北斗导航技术与地基增强技术、 5G 等多种技术融合,可以极大地扩展导航的范围,有效提升时空信息的精确度,为用户提供稳定可靠的服务。 随着北斗三号系统性能的持续提升,北斗作为物联网的一个重要组成部分,主要在感知、 网络两个层面体现 GPS 所不具备的优势。在感知层方面, 北斗的定位、 授时功能可完成精准时间信息和位置信息感知;在网络层面,北斗短报文通信功能可实现感知信息和控制信息的全天候、全天时、无缝传递。

随着北斗、物联网、移动互联网、云计算、边缘计算、人工智能、机理模型、数字孪生等新技术群落的爆发性和融合性发展,数据的沉淀、算力的提升、算法的革新、网络设施的完善以及应用场景的持续丰富,相关行业标准、法律法规的不断健全,以及政府政策以及顶层规划的不断推进,再加上行业联盟、协会以及高校、科研院所的多元参与,“北斗+数据”应用作为创新驱动发展的新动能,将会加速推动经济转型升级、提升政府治理能力、服务民生社会事业。

可以说,拥抱“北斗+数据”融合创新,是保障我国实现科技跨越发展、产业优化升级、生产力整体跃升的必然选择,更是推进创新和社会价值完美融合、构建“智慧城市”新格局的最佳途径之一。

随着穿戴设备、智能制造以及其它各种智能硬件的兴起,通过与新兴技术融合,“北斗+”概念逐步清晰、物化,涌现出了北斗时空表、北斗魔盒、北斗约车、北斗放牛、“北斗菜”、 “货车帮”等产业新生态,推动了供给侧结构改革,让应用从传统走向更智能。此外,华为等国产手机也采用了北斗 IP 核并投放市场;装有北斗接收芯片的儿童、老人智能手表已投放市场,并在上海、南京等地的养老机构和小学开展应用,北斗系统正在进入中国千家万户,给人们带来触手可及的应用服务。

2、 “北斗+5G”助力车联网

北斗导航技术与地基增强技术、 5G 等多种技术融合,可以极大地扩展导航的范围,有效提升时空信息的精确度,为用户提供稳定可靠的服务。 5G 作为新一代信息通信技术演进升级的重要方向,是实现万物互联的关键信息基础设施、经济社会数字化转型的重要驱动力量。相对于 4G 技术, 5G 将以一种全新的网络架构,提供峰值 10Gbps以上的带宽、毫秒级时延和超高密度连接,实现网络性能新的跃升,开启万物互联的新时代。

车联网是“北斗+5G”的重要应用场景。 我国车联网目前属于智能网联汽车阶段,未来与 5G 结合为必经之路。 5G 可为车联网提供高清视频信息传输、行车信息和控制信息及时交互等服务。 终端要实现精准的位置感知,高精度定位不可或缺。

目前,就室外来说,在卫星信号接收不到或卫星信号不稳定的高架桥下、隧道、林荫遮挡和城市峡谷等各类复杂场景,容易导致定位不精准,通过构建“北斗+5G”高精度定位网络,能够提供厘米级定位服务,进一步构建和丰富 5G生态应用,以此打造全场景高精度的位置感知,从而实现在这些复杂场景下的稳定可靠精准定位,未来北斗高精度将进一步赋能智慧城市与物联网的发展。

自动驾驶应用一般需要亚米级甚至厘米级的定位精度。 在 5G 基站辅助定位、北斗地基增强系统的支持下,未来北斗三号系统可满足车联网对高精度、高可用性定位的需求。

3、 北斗助推国产芯片发展

截至 2018 年,国产北斗芯片已实现规模化应用,累计销量突破8000 万片,高精度 OEM 板和接收机天线已分别占国内市场份额 30% 和 90%。北斗高精度产品出口到 100 多个国家和地区,北斗地基增强技术和产品成体系输出海外。

支持北斗三号系统信号的 28 纳米芯片,已在物联网和消费电子领域得到广泛应用。22 纳米双频定位芯片已具备市场化应用条件,全频一体化高精度芯片已经投产。从当前产业链各公司布局来看,业内的大型企业大都是涵盖“天线–芯片–板卡–终端–解决方案”全产业链或者部分产业链的经营模式,国防和高精度行业终端厂商都在积极布局射频基带芯片、板卡和天线等上游基础元器件。

北斗板块主要上市公司,包括海格通信、振芯科技、北斗星通、华力创通和合众思壮,均实现从芯片到终端的全产业链布局。其中包括海格通信、合众思壮在内的公司于 2019 年 5 月发布支持北斗三号应用的高精度基带和射频芯片,自主创新能力显著增强。

智能手机是卫星导航系统最大的大众消费领域。 截止到 2019 前三季度,中国大陆地区共发售具有定位功能的手机 414 款,其中支持4G+北斗功能的 273 款, 5G+北斗功能的 16 款,总占比 70%。目前,国产北斗芯片、模块等关键技术全面突破,性能指标与国际同类产品相当,并已形成一定价格优势。国内外主流芯片厂商均倾向于推出兼容北斗系统的通导一体化芯片,未来将有更多的手机支持北斗。

4、 北斗筑造交通安全“长城”

《北斗卫星导航系统建设与发展》报告显示,截至 2019 年 4 月,国内超过 620 万辆营运车辆、 3 万辆邮政和快递车辆, 36 个城市的约8 万辆公交车、 3200 余座内河导航设施、 2900 余座海上导航设施,已应用北斗系统。 中国已建成全球最大的营运车辆动态监管系统,有效提升了管理效率和道路运输安全水平。 北京大兴国际机场成功应用了“北斗导航室内外定位系统”,实现了装卸车辆在室内外工作的连续跟踪定位。

在北京大兴国际机场,从行李托运开始就可以实现行李的实时共享和精准定位,每辆行李车上都将配备一套北斗导航定位设备,可准确定位行李车。几万平方米的分拣大厅里有 400 多辆行李车,北斗系统可助力这些车辆更有序、更高效。旅客可更快拿到自己的行李,并大幅减少行李丢失的情况。

此外,我国建造的首条智能高铁线路——京张高铁的智能动车组也采用了北斗卫星导航系统,其高精度定位技术还被用于京张铁路基础设施维护,对沿线桥梁、隧道、钢轨、路基等实行高精度、 24 小时全天候的自动化监测,可大幅降低巡检的成本与难度。

5、 北斗加速智慧农业发展

北斗无人驾驶、高精度定位导航、系统监管等一系列新兴技术,让起垄播种、土地深松、作物收割、秸秆还田等农业生产工序充满了现代科技的魅力,节省出更多的人力、物力和财力。在无人驾驶拖拉机上,只要输入数据、方位,北斗导航拖拉机就能在田地里实现精准地来回穿梭。与传统农机相比,北斗卫星导航自动驾驶拖拉机,依托智能技术保障作业质量、提高作业效率,单台农机日均作业量较人工驾驶多出 30%,作业后的条田接行准确,播行端直,精度可达 2.5 厘米,同时大幅降低了劳动强度,实现了舒适化操作。

目前,北斗农业应用的足迹已遍布大江南北:北京、黑龙江、辽宁、新疆、山西、湖北、江苏、上海、浙江等省市逐渐享受到北斗带来的农业机械自动化的便捷。

6、 北斗保障电网安全

电网安全关系国家经济安全和国防安全,是电网企业的“头等大事”。 北斗可为智能电网、泛在电力物联网、能源互联网的建设提供导航定位、精密授时、短报文通讯服务等基础技术支撑,是我国能源战略发展的有效支撑手段。 截止 2017 年底,已有 11 类近 900 套调度自动化主站以及全部的新建和改造调度主站/ 变电站时间同步装置接收了北斗授时信号。

在电力通信频率同步网方面,已有 20% 重要节点接收了北斗授频信号,电网各省公司的基准时钟源全部接入了北斗信号,各地市公司接入工作也在稳步进行中。

在北斗授时方面,电力调控领域、管理信息领域已全面应用北斗授时信号;在北斗授频方面,频率同步骨干网已全部接收北斗授频;在北斗导航及定位方面,车辆全部安装了北斗车载终端,试点建设了基于北斗的输电线路地质灾害监测评估预警体系,切实提升输电线路抵御自然灾害的能力,主动应对暴雨洪涝诱发地质灾害对输电线路的威胁。

在短报文方面,北斗系统在浙江、宁夏、甘肃、陕西等地进行了用电信息采集的试点应用,解决了偏远无公网覆盖区域的通信手段匮乏用电信息采集难问题,在河北秦皇岛开展了北斗系统支撑配网自动化试点应用,让“被动报修”变为“主动抢修”,试点区域故障发现时间同比缩短 8 分钟,故障到达现场时间同比缩短 10 分钟,抢修效率得到有效提升。

北斗系统用于电力领域,解决了部分省市无通信信号覆盖区域电力信息采集难的问题,有效解决了自然灾害可能导致公网通信瘫痪的难题;降低了供电故障率,让电网运行更加安全;提高了电网系统的服务效率,缩短事故发生后的应急响应时间;提高了管理水平,降低了供电成本。

7、 北斗完善行业应用

北斗系统提供精准统一的时空基准,相应的感知信息可以通过5G 通信传输至管理平台,利用人工智能进行决策与分析,由具体的执行机构形成闭环。北斗、人工智能、 5G 通信所构成的技术共同体与其他产业深度融合,可以催生出更大的产业应用。不仅可以对传统行业进行赋能与拓展,还可以对新兴产业进行辅助与提升。

2020 年北斗三号系统将完成全球组网,同时 5G 也将在我国开启大规模商用。 北斗三号系统具备其他卫星导航系统所不具备的短报文功能,未来在 5G 信号到不了的地方,可以通过北斗进行信息沟通。北斗+5G 是导航定位与通信融合发展的典型的代表。

两者的结合还将在智能交通、无人驾驶等领域充分发挥北斗系统的优势,实现北斗系统在信息领域深度应用。 “北斗+5G”将成为继移动位置服务经济和共享经济之后,北斗应用市场新的重大商业机遇,将迎来市场爆发期。我国北斗产业已形成由基础产品、应用终端、应用系统和运营服务构成的完整产业链。

在“互联网+”的时代,数据在云端,用户在网上,“北斗+”与“互联网+”等新兴信息技术的融合,跨界融合发展趋势将越来越明显。 通过与其他技术的融合,北斗赋予这些技术新的功能。北斗的跨界融合是智能时代基础性、颠覆性的技术。主要包括:

“+”服务。 与传统的服务业深度融合,创造出基于时空位置的新商态、新业态,如电子商务物流、移动互联网金融、移动在线共享娱乐、移动在线共享教育、分享交通、分享医疗等等。

“+”产业。 为制造业向无场所经济转型提供时空位置服务,可以从设计生产销售到售后服务,对传统产业进行空间共享和时间分享,传统产业则可无需固定场所支撑。

“+”技术。 就是与传感器、多种无线通信、微机电、 其他定位方式等技术集成融合,以及室内室外多传感器融合,为各行各业提供泛在智能的时空位置服务。

北斗引领电子商务领域的创新应用。 目前,国内已有多家电子商务企业的物流货车及配送员配备了北斗车载终端和手环。以北斗系统应用技术为核心,综合利用无线通信技术、现代物流配送规划技术等研发的基于北斗的电子商务云物流信息系统,可实现对物流过程、交易产品、运载车辆的全面管理,极大地节约人力、物力、财力成本。同时,北斗开始大规模进入乘用车辆前装市场,目前已经累计有超过200 万辆车拥有“北斗芯”。

未来,随着北斗系统定位精度提升,北斗终端小型化和电池续航能力提高,以及物联网技术商业模式日臻成熟,这将使得位置服务拥有比现在更为广泛的应用场景。基于导航与定位服务的新技术、新服务、新业态层出不穷,如智慧城市、自动驾驶、无人机、共享单车、 定位应用 APP 等,遍布各行各业,深刻影响着大众出行和生活质量的提高,对推进资源共建共享,促进新旧动能持续转换,支撑数字经济发展具有重要意义。北斗将进一步发挥系统优势,帮助更多行业提升效率。

智东西认为, 作为国家战略新兴产业,北斗产业链从元器件供应商、产品制造商到集成商运营商,产业链上游的技术将随着市场规模的扩大逐步向深层次发展,并由此分化出更专业化的,拥有高、精、尖技术的龙头企业。北斗导航应用产业从国家安全战略的角度出发有很大的发展空间,可以形成独具中国特色的产业,在未来将是更深层次的技术专业化和更高层次的市场化的联合。 随着 北斗系统服务范围覆盖全球,我国卫星导航与位置服务产业将迎来由技术融合创新和产业融合发展共同带来的升级变革。以北斗提供的时空信息为核心的导航定位授时服务产品,必将大规模进入到行业应用、大众消费、共享经济和民生服务等领域,深刻且深远地影响和改变着人们的生产生活方式。

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