北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展之路

□ 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)工程總設(shè)計(jì)師 孫家棟

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)工程總師孫家棟作報(bào)告

世界衛(wèi)星導(dǎo)航發(fā)展中的北斗

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)能夠提供全天時(shí)、全天候、高精度的定位、導(dǎo)航和授時(shí)服務(wù)，是重要的空間信息基礎(chǔ)設(shè)施。世界各主要航天國(guó)家都十分重視衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)、應(yīng)用和發(fā)展。

一、競(jìng)相發(fā)展的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

近40多年來，全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)競(jìng)相發(fā)展，呈現(xiàn)出GPS一路領(lǐng)先，GLONASS曲折前進(jìn)，北斗分步邁進(jìn)、伽利略躑躅前行的態(tài)勢(shì)。導(dǎo)航衛(wèi)星在軌數(shù)量逐步增加，服務(wù)性能穩(wěn)步提升，應(yīng)用領(lǐng)域日益擴(kuò)展，成為人類社會(huì)不可或缺的空間信息基礎(chǔ)設(shè)施。

系統(tǒng)狀態(tài)：4大系統(tǒng)衛(wèi)星在軌數(shù)量情況

GPS系統(tǒng)建成后，衛(wèi)星數(shù)量相對(duì)穩(wěn)定；GLONASS建成后由于各種原因，數(shù)量急劇下降，近年來，衛(wèi)星數(shù)逐步增加；北斗系統(tǒng)2000年開始，發(fā)星、試驗(yàn)、組網(wǎng)；伽利略系統(tǒng)2005年開始，發(fā)星試驗(yàn)。根據(jù)計(jì)劃，2020年左右，4大全球系統(tǒng)的衛(wèi)星數(shù)量都將達(dá)到30顆以上。

服務(wù)性能：導(dǎo)航信號(hào)發(fā)展情況、空間信號(hào)精度提升情況

為提升服務(wù)性能和導(dǎo)航戰(zhàn)能力，2005年后，GPS增加了新的導(dǎo)航信號(hào)。為促進(jìn)應(yīng)用，GLONASS新增了民用導(dǎo)航信號(hào)。為加強(qiáng)兼容互操作，北斗和伽利略系統(tǒng)對(duì)信號(hào)進(jìn)行了適應(yīng)性調(diào)整。在空間信號(hào)精度方面，GPS自2001年、GLONASS自2007年底得到大幅提升。

應(yīng)用：衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用增長(zhǎng)情況

近30年來，衛(wèi)星導(dǎo)航從最初服務(wù)于軍事需求，逐步擴(kuò)展到各個(gè)專業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域和大眾消費(fèi)市場(chǎng)。近年來，衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù)性能，特別是精度的提高，使導(dǎo)航應(yīng)用得到了爆發(fā)式增長(zhǎng)，導(dǎo)航終端銷量激增，全球產(chǎn)值大幅提高。

二、北斗對(duì)中國(guó)的貢獻(xiàn)

建成試驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)從無到有。2000年，我國(guó)發(fā)射了兩顆北斗導(dǎo)航試驗(yàn)衛(wèi)星，建成了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)，解決了衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的有無問題。

星箭組批生產(chǎn)，啟動(dòng)組網(wǎng)發(fā)射。2004年，啟動(dòng)了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)，首次開始批量研制生產(chǎn)衛(wèi)星和運(yùn)載火箭，密集組網(wǎng)發(fā)射，探索航天工業(yè)新的發(fā)展模式。

關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，致力持續(xù)發(fā)展。通過技術(shù)攻關(guān)和工程實(shí)踐，攻克了星載原子鐘、高精度星地時(shí)間比對(duì)、監(jiān)測(cè)接收機(jī)和用戶終端等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，為北斗建設(shè)和可持續(xù)發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

發(fā)揮系統(tǒng)特色，應(yīng)用初見成效。由于具有導(dǎo)航通信相結(jié)合的服務(wù)特色，試驗(yàn)系統(tǒng)經(jīng)過幾年發(fā)展，逐步被國(guó)內(nèi)用戶認(rèn)可，在漁業(yè)、交通、電力和國(guó)家安全等諸多領(lǐng)域得到了應(yīng)用，特別是在汶川、玉樹抗震救災(zāi)中發(fā)揮了重要作用。

培育人才隊(duì)伍，奠定發(fā)展基礎(chǔ)。經(jīng)過十幾年來的工程實(shí)踐，大量的工程管理和技術(shù)人員得到了鍛煉，同時(shí)，還培養(yǎng)了一批系統(tǒng)應(yīng)用方面的人才，為系統(tǒng)的未來發(fā)展提供了保障。

三、北斗對(duì)世界的貢獻(xiàn)

新增導(dǎo)航頻率資源，開辟新的發(fā)展空間。2000年，與有關(guān)國(guó)家和組織密切合作，爭(zhēng)取到了新的衛(wèi)星導(dǎo)航頻率資源。世界各主要衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)都使用或?qū)⑹褂迷擃l段提供服務(wù)，為系統(tǒng)發(fā)展和應(yīng)用開辟了新的空間。

促進(jìn)全球競(jìng)爭(zhēng)合作，推動(dòng)系統(tǒng)共同發(fā)展。2007年，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)成為ICG(全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)國(guó)際委員會(huì))確定的全球系統(tǒng)核心供應(yīng)商之一。北斗系統(tǒng)的建設(shè)，促進(jìn)了全球衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)合作，推動(dòng)了全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展。

世界衛(wèi)星導(dǎo)航競(jìng)爭(zhēng)中的北斗

世界衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的競(jìng)爭(zhēng)是不爭(zhēng)的事實(shí)，競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)是競(jìng)相發(fā)展自主的更高性能、更加可靠、更高效益的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。我國(guó)決心建設(shè)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，既有歷史機(jī)遇，也有現(xiàn)實(shí)挑戰(zhàn)。

挑戰(zhàn)一：建設(shè)高性能的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

系統(tǒng)間的競(jìng)爭(zhēng)實(shí)質(zhì)上是技術(shù)上的角力，而系統(tǒng)性能是競(jìng)爭(zhēng)的核心。最近有文章提到，4大系統(tǒng)的競(jìng)爭(zhēng)，將是一場(chǎng)世界大賽，領(lǐng)先者將占據(jù)主導(dǎo)，落后者將被邊緣化。這并非危言聳聽，而是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)全球化競(jìng)爭(zhēng)下的殘酷現(xiàn)實(shí)。

建設(shè)高性能的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，核心是擁有一套富有特色、擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新體制、新方案，包含多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

挑戰(zhàn)二：建設(shè)高可靠的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

用戶享受定位導(dǎo)航授時(shí)服務(wù)，就像我們使用水和電一樣，不能中斷。航空使用關(guān)乎生命安全，電力、通信、金融使用關(guān)乎經(jīng)濟(jì)社會(huì)安全，大眾使用關(guān)乎公共安全。一個(gè)承諾提供可靠服務(wù)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，要采取各種可靠性措施來保障。如果衛(wèi)星可靠性不高，則系統(tǒng)頻繁補(bǔ)星帶來高額的運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用，即使一個(gè)經(jīng)濟(jì)大國(guó)也難以承受。必須在研制建設(shè)階段，就將系統(tǒng)可靠性擺在重要位置，將建設(shè)和運(yùn)行統(tǒng)籌，以求系統(tǒng)可靠高效。

建設(shè)高可靠的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，核心是實(shí)現(xiàn)與世界其他全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)同等甚至更優(yōu)的可用性、連續(xù)性和完好性的系統(tǒng)指標(biāo)，這將是我國(guó)航天史上一項(xiàng)系統(tǒng)極為復(fù)雜、規(guī)模龐大的可靠性工程。例如：

系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)——提高系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵在于設(shè)計(jì)。我們的航天工程，從試驗(yàn)衛(wèi)星到應(yīng)用衛(wèi)星，從單星系統(tǒng)到多星組網(wǎng)系統(tǒng)，不僅是系統(tǒng)復(fù)雜度的提高，更主要的是可靠性要求的大幅提升。從經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)中，我們?cè)絹碓秸J(rèn)識(shí)到，可靠性設(shè)計(jì)水平是系統(tǒng)可靠性的決定性因素。而提升可靠性設(shè)計(jì)水平，需要我們?cè)谟^念上、體制上和方法上有質(zhì)的突破。實(shí)現(xiàn)北斗系統(tǒng)的可靠性目標(biāo)，需要在基礎(chǔ)研究、方法培訓(xùn)和工程實(shí)踐中加大投入力度，需要更多的專業(yè)人才付出巨大的努力。

星箭批產(chǎn)和高密度發(fā)射——建成全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，我們要用10年左右的時(shí)間研制、生產(chǎn)、發(fā)射50多顆導(dǎo)航衛(wèi)星，這是一項(xiàng)非常艱巨的任務(wù)。因此，我們必須解決星箭批量生產(chǎn)的問題，必須解決高密度發(fā)射的問題。

大型復(fù)雜星座控制與管理——北斗系統(tǒng)的空間段將由30多顆不同軌道類型的衛(wèi)星組成，地面段由測(cè)控網(wǎng)、主控站、注入站和數(shù)量眾多的監(jiān)測(cè)站組成。我們對(duì)這樣一個(gè)星地一體的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的管控，沒有多少經(jīng)驗(yàn)。我們需要在技術(shù)、管理上深入研究探索，盡早形成能力。

挑戰(zhàn)三：發(fā)展高效益的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

我國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力受限于我們的發(fā)展階段，相比國(guó)外產(chǎn)業(yè)進(jìn)入成熟期，我們還處在成長(zhǎng)期。這一差別本身不是挑戰(zhàn)，真正的挑戰(zhàn)是彌補(bǔ)這一差距的機(jī)制。

發(fā)展高效益的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，核心是在國(guó)外系統(tǒng)競(jìng)爭(zhēng)的情況下，在較短時(shí)間內(nèi)完成北斗在國(guó)家經(jīng)濟(jì)安全領(lǐng)域的推廣應(yīng)用和在大眾市場(chǎng)的迅速擴(kuò)展。主要挑戰(zhàn)有：

核心自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的接收機(jī)芯片——自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的挑戰(zhàn)是不言而喻的。目前，在衛(wèi)星導(dǎo)航芯片這一核心技術(shù)領(lǐng)域，我們的專利還寥寥無幾，而國(guó)外廠商僅基帶芯片已擁有2000多項(xiàng)專利。我們完全有理由擔(dān)憂，在不遠(yuǎn)的將來，會(huì)不會(huì)出現(xiàn)又一個(gè)“有機(jī)無芯”的產(chǎn)業(yè)。解決這一問題，十分緊迫，需要?jiǎng)?chuàng)造更好的機(jī)制，鼓勵(lì)在基礎(chǔ)研究、產(chǎn)品開發(fā)等方面自主創(chuàng)新，掌握核心技術(shù)，保護(hù)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，提高核心競(jìng)爭(zhēng)力。

有競(jìng)爭(zhēng)力的應(yīng)用解決方案和規(guī)模推廣策略——目前，GPS已占據(jù)我國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用絕大部分市場(chǎng)，在這種情況下，北斗系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)化面臨巨大挑戰(zhàn)。我國(guó)擁有全球衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用的最大市場(chǎng)，緊緊抓住應(yīng)用的基礎(chǔ)市場(chǎng)，充分發(fā)揮北斗服務(wù)特色，創(chuàng)造性地提出應(yīng)用解決方案和規(guī)?；茝V策略，是北斗系統(tǒng)應(yīng)用推廣和產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵。

面臨的歷史機(jī)遇：

國(guó)家戰(zhàn)略需求迫切:衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是國(guó)家重要的空間信息基礎(chǔ)設(shè)施。保障國(guó)家安全、轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式、促進(jìn)國(guó)家信息化建設(shè)、培育戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，是全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)最有力的需求牽引。

國(guó)家經(jīng)濟(jì)實(shí)力保障:衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)和發(fā)展需要國(guó)家巨額投入。目前，隨著經(jīng)濟(jì)實(shí)力不斷增強(qiáng)，國(guó)家為建設(shè)自主系統(tǒng)提供了經(jīng)費(fèi)保障。

實(shí)施導(dǎo)航重大專項(xiàng):國(guó)家已批準(zhǔn)實(shí)施北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)重大科技專項(xiàng)，在政策扶持、資金投入、組織管理等方面予以有力支撐，更加凸顯了其國(guó)家行為。

把握機(jī)遇，迎接挑戰(zhàn)，實(shí)現(xiàn)“質(zhì)量、安全、應(yīng)用、效益”的目標(biāo)，需要?jiǎng)?chuàng)新組織管理模式，建立科學(xué)的競(jìng)爭(zhēng)、激勵(lì)、監(jiān)督、評(píng)價(jià)機(jī)制，關(guān)注政策、標(biāo)準(zhǔn)、人才、合作、文化、知識(shí)產(chǎn)權(quán)等。

有競(jìng)爭(zhēng)力的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用服務(wù)解決方案和規(guī)?；茝V策略模擬圖

北斗導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)射升空

世界衛(wèi)星導(dǎo)航愿景中的北斗

未來10年，全球?qū)⒊霈F(xiàn)4大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)共存互補(bǔ)的局面，天上將會(huì)有100多顆導(dǎo)航衛(wèi)星。用戶將享有更低成本、更高精度、更加可靠、更加多樣的定位導(dǎo)航授時(shí)服務(wù)，衛(wèi)星導(dǎo)航將以更大的規(guī)模，應(yīng)用在更廣泛的領(lǐng)域。作為其中的一員，獨(dú)具中國(guó)特色的北斗系統(tǒng)將發(fā)揮重要作用。

一、中國(guó)特色的北斗

2020年前，建成獨(dú)立自主、開放兼容、技術(shù)先進(jìn)、穩(wěn)定可靠的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，達(dá)到國(guó)際一流水準(zhǔn)，并具有中國(guó)特色。

發(fā)展策略：突出區(qū)域、面向全球

首先實(shí)現(xiàn)我國(guó)及周邊地區(qū)覆蓋，然后逐步擴(kuò)展覆蓋全球。面向全球提供服務(wù)，我國(guó)及周邊地區(qū)可獲得更高精度服務(wù)。

系統(tǒng)服務(wù)：授權(quán)服務(wù)和免費(fèi)開放

在全球范圍內(nèi)，提供授權(quán)服務(wù)和免費(fèi)的開放服務(wù)。在我國(guó)及周邊地區(qū)，還提供短報(bào)文和差分完好性服務(wù)。

組織實(shí)施：充分發(fā)揮新形勢(shì)下舉國(guó)體制作用

發(fā)揮中國(guó)特色社會(huì)主義的制度優(yōu)勢(shì)，發(fā)揮市場(chǎng)在資源配置中的基礎(chǔ)性作用。

二、服務(wù)國(guó)家的北斗

未來，北斗將為我國(guó)提供統(tǒng)一的時(shí)空基準(zhǔn)服務(wù)，在我國(guó)國(guó)家安全和國(guó)民經(jīng)濟(jì)社會(huì)各領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，保障國(guó)家經(jīng)濟(jì)社會(huì)安全，轉(zhuǎn)變國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式，成為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，促進(jìn)信息化建設(shè)的跨越式發(fā)展。

推動(dòng)應(yīng)用領(lǐng)域創(chuàng)新，提升應(yīng)用規(guī)模

充分發(fā)揮衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)關(guān)聯(lián)度高、滲透性強(qiáng)的特點(diǎn)，不斷衍生出新應(yīng)用、新產(chǎn)品、新市場(chǎng)，進(jìn)一步拓展衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù)領(lǐng)域和應(yīng)用規(guī)模，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星導(dǎo)航無處不在。

推動(dòng)應(yīng)用方式創(chuàng)新，提升應(yīng)用質(zhì)量

“創(chuàng)新應(yīng)用，方法先行”。發(fā)揮衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用只受想象力限制的特點(diǎn)，持續(xù)創(chuàng)新應(yīng)用方法，深度挖掘應(yīng)用潛力，大幅提升應(yīng)用質(zhì)量。

推動(dòng)應(yīng)用價(jià)值創(chuàng)新，提升應(yīng)用效用

充分發(fā)揮衛(wèi)星導(dǎo)航與其他信息產(chǎn)業(yè)間互補(bǔ)、融合、增值的特點(diǎn)，創(chuàng)新應(yīng)用價(jià)值，提升應(yīng)用效果，成為我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)增收增效的“新引擎”。

三、面向世界的北斗

作為全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)核心供應(yīng)商之一，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)將致力于推動(dòng)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

通過國(guó)際交流合作，將致力于實(shí)現(xiàn)與世界其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的兼容互操作，為用戶提供更好的服務(wù)。

融入國(guó)際民航、海事等標(biāo)準(zhǔn)體系，使北斗擁有其他全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)全球應(yīng)用的同等質(zhì)量和同等地位。