北斗“天眼”瞰世界

文｜彭訓(xùn)文

“認(rèn)星先從北斗來，由北往西再展開。”小時候，父母總是教孩子辨認(rèn)北斗星，只要找到了北斗星，即使在野外迷路也能找到回家的方向。

如今，當(dāng)人們抬頭仰望夜空時，也許很少有人知道，一顆新的“北斗星”正在天空閃耀——2015年3月30日，我國成功發(fā)射首顆新一代北斗導(dǎo)航衛(wèi)星。

這顆衛(wèi)星是我國發(fā)射的第17顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星，也是北斗系統(tǒng)全球組網(wǎng)的首發(fā)星，其發(fā)射成功具有里程碑意義——它標(biāo)志著我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)邁出了由區(qū)域運(yùn)行向全球拓展的第一步，開啟了實(shí)現(xiàn)2020年全球組網(wǎng)的新征程。

為人類貢獻(xiàn)了“司南”的中華民族，如今通過“北斗”，傲然屹立于世界導(dǎo)航先鋒之林——“北斗”已成為繼美國GPS、俄羅斯格洛納斯、歐盟伽利略之后的全球第四大導(dǎo)航系統(tǒng)。

那么，從研制到問世，北斗導(dǎo)航系統(tǒng)都經(jīng)歷了哪些蝶變？它又將如何在2020年實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航全球的目標(biāo)？

三大自主創(chuàng)新

北斗系統(tǒng)全球組網(wǎng)首發(fā)星甫一亮相，就引發(fā)了國人的強(qiáng)烈關(guān)注，這顆新一代衛(wèi)星，凝聚著無數(shù)航天人在研制過程中的自主創(chuàng)新。

首先是首次實(shí)現(xiàn)星間鏈路。我國前期的導(dǎo)航衛(wèi)星之間并沒有導(dǎo)航通信鏈路。從這顆首發(fā)星開始，北斗導(dǎo)航衛(wèi)星都將實(shí)現(xiàn)星間鏈路，多顆衛(wèi)星將互聯(lián)在一起，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星之間的信息傳輸和交換，從而實(shí)現(xiàn)北斗衛(wèi)星的自主導(dǎo)航。

那么，為什么要進(jìn)行衛(wèi)星互聯(lián)呢？

“目前各導(dǎo)航系統(tǒng)嚴(yán)重依賴地面站支持，如果遭遇自然災(zāi)害、戰(zhàn)爭，這些導(dǎo)航系統(tǒng)將毫無用處。”上海微小衛(wèi)星工程中心副總設(shè)計(jì)師沈?qū)W民表示，通過星間鏈路組網(wǎng)，即使失去地面支持，導(dǎo)航衛(wèi)星仍然能生存相當(dāng)一段時間，用互相測距的方法進(jìn)行定位；在常規(guī)狀態(tài)下，星間鏈路還有助于提高定位精度，使北斗系統(tǒng)的精度達(dá)到與GPS相當(dāng)?shù)乃健?/p>

其次是高精度。由此前的10米定位到現(xiàn)在的2.5米定位，這是這顆首發(fā)星實(shí)現(xiàn)的一大飛躍。其中的關(guān)鍵，是新信號體制的運(yùn)用。信號體制為什么要不斷更新呢？這是因?yàn)槲磥硪欢螘r間，新老北斗導(dǎo)航衛(wèi)星將在太空中共同運(yùn)行，這就需要既能兼容過去的版本、又能帶來更高的性能的新信號體制。

最后是“減肥強(qiáng)身”。衛(wèi)星絕非越重越好，小型化、輕量化都是未來導(dǎo)航衛(wèi)星的方向。由于首發(fā)星更換了全新的平臺，采用了框架面板式輕量化構(gòu)型設(shè)計(jì)，這使其在重量上比“哥哥輩”的北斗衛(wèi)星輕了一半（約0.8噸），體態(tài)更加輕盈小巧。同時，這顆首發(fā)星的“身體”更加硬朗。它采用的銣原子鐘、大功率微波放大器、“龍芯”CPA等95%的關(guān)鍵部件均為國產(chǎn)，未來的國產(chǎn)化率將達(dá)100%，質(zhì)量更為優(yōu)異。

以被譽(yù)為衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)“心臟”的銣原子鐘為例，為解決確定銣原子含量與銣鐘壽命問題，北斗導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)總設(shè)計(jì)師謝軍養(yǎng)成一個持續(xù)多年的習(xí)慣：定期到研制單位查看銣量消耗評價(jià)試驗(yàn)，確定星載銣鐘的充銣量安全范圍，預(yù)估銣鐘壽命。正是依靠無數(shù)航天人多年如一日的艱苦攻關(guān)，新一代高精度星載銣原子鐘終于研制成功，它不僅體型更小，而且性能提高了一個數(shù)量級，實(shí)現(xiàn)了銣原子鐘技術(shù)的自主可控。

“該衛(wèi)星采用全新導(dǎo)航衛(wèi)星專用平臺，集多項(xiàng)新技術(shù)于一身，將開展新型導(dǎo)航信號體制、星間鏈路等試驗(yàn)驗(yàn)證工作，為北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)全球組網(wǎng)建設(shè)提供依據(jù)。”沈?qū)W民說。

2015年3月30日，我國成功發(fā)射首顆新一代北斗導(dǎo)航衛(wèi)星——這標(biāo)志著我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)邁出向全球拓展的第一步，開啟了實(shí)現(xiàn)2020年全球組網(wǎng)的新征程

逐夢“北斗”二十載

提到衛(wèi)星導(dǎo)航，人們首先可能會想到生活里經(jīng)常用到的、美國研制的GPS。那么，我國為何還要建設(shè)自己的北斗導(dǎo)航系統(tǒng)呢？

“發(fā)展自己的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，就是為了在關(guān)鍵時刻不受制于人?！痹谓夥跑娍倕⒅\部測繪局局長、我國北斗計(jì)劃的創(chuàng)始人之一卜慶君說，早在1996年臺灣海峽局勢緊張時，我國軍隊(duì)的一次大規(guī)模軍事演習(xí)便曾受到GPS信號人為中斷的干擾。

全球四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

正是出于國家安全的考慮，世界各大國與國家集團(tuán)開始考慮對策，由此誕生了俄羅斯的格洛納斯、歐盟的伽利略等衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。從上世紀(jì)80年代末開始，我國科學(xué)家開始致力于研制自己的“GPS”。

1994年，中國本土的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)——北斗計(jì)劃，經(jīng)過8年的論證后正式立項(xiàng)。該計(jì)劃主要依據(jù)我國科學(xué)家陳芳允提出的與GPS不同的雙星定位理論而制定的，這是我國因經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)薄弱而提出的“低調(diào)”衛(wèi)星導(dǎo)航夢想。

計(jì)劃實(shí)施之初，技術(shù)、經(jīng)費(fèi)、人才、包括辦公條件等都十分困難。這些研究浩瀚宇宙的科學(xué)家甚至沒有一間像樣的辦公室。北斗系統(tǒng)副總設(shè)計(jì)師譚述森戲稱，辦公只能“打游擊”。

然而，辦法總比困難多。最終，科學(xué)家們硬是在美國的GPS之外，研究出了北斗系統(tǒng)的諸多創(chuàng)新功能。例如北斗系統(tǒng)獨(dú)有的短報(bào)文通信（采用摩斯信號代碼進(jìn)行無線電報(bào)通信）功能，使用戶之間可以互相聯(lián)系。汶川地震時，在常規(guī)通信中斷的情況下，各個救援隊(duì)就是依靠該功能實(shí)現(xiàn)了信息聯(lián)系，實(shí)時傳遞最新災(zāi)情，最大限度地保證了救援工作的順利進(jìn)行。

2000年，兩顆北斗導(dǎo)航試驗(yàn)衛(wèi)星發(fā)射。2003年，我國第一代衛(wèi)星導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)正式開通運(yùn)行，雙星定位理論實(shí)現(xiàn)區(qū)域?qū)Ш蕉ㄎ怀蔀槭澜缡讋?chuàng)。

2004年，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航區(qū)域系統(tǒng)工程正式立項(xiàng)。此后3年時間里，北斗在解決覆蓋范圍有限、用戶數(shù)量受限、定位精度不高、不適用于高速移動的用戶等方面進(jìn)行了大量科技攻關(guān)。

2007年，首顆中圓軌道衛(wèi)星發(fā)射成功，拉開了北斗區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)建設(shè)的序幕。隨后，我國以難以置信的速度，密集發(fā)射多顆衛(wèi)星、快速組網(wǎng)，并在2012年以16顆衛(wèi)星為依托，全面完成覆蓋亞太大部分區(qū)域?qū)Ш降南到y(tǒng)建設(shè)。

近幾年，北斗導(dǎo)航系統(tǒng)則在定位精度和穩(wěn)定性上不斷取得進(jìn)步。目前的總體定位精度優(yōu)于10米，授時精度優(yōu)于20納秒，測速精度每秒0.2米。近日，我國科研人員利用北斗/GPS雙系統(tǒng)四頻率接收機(jī)的定位分析判定，北至天津、南至南極內(nèi)陸昆侖站之間的地區(qū)，北斗系統(tǒng)信號質(zhì)量總體與美國GPS相當(dāng)。

而擬于2018年底前建成的全國范圍的北斗區(qū)域加密網(wǎng)基準(zhǔn)站網(wǎng)絡(luò)，將使我國的實(shí)時定位服務(wù)達(dá)到米級/分米級以及區(qū)域厘米級。

北斗導(dǎo)航，導(dǎo)航全球

目前，北斗系統(tǒng)正在穩(wěn)步實(shí)施第三步規(guī)劃——全球組網(wǎng)。到2020年，北斗將發(fā)射5顆靜止軌道衛(wèi)星和30顆非靜止軌道衛(wèi)星，成為一個向全球提供服務(wù)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。

在這一過程中，實(shí)現(xiàn)快速全球組網(wǎng)和不斷開拓北斗的國際應(yīng)用，將是北斗全球擴(kuò)張的“兩條腿”。

一方面，積極推動北斗系統(tǒng)地面站的建設(shè)。據(jù)了解，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)首個海外組網(wǎng)項(xiàng)目——巴基斯坦國家位置服務(wù)網(wǎng)（CORS）一期工程，已于2014年順利完成。該網(wǎng)覆蓋整個卡拉奇地區(qū)，實(shí)時定位精度達(dá)到2厘米，后處理精度5毫米，為巴基斯坦提供實(shí)時可靠的北斗高精度定位服務(wù)。而我國在俄羅斯境內(nèi)的3個北斗系統(tǒng)地面站、南極北斗系統(tǒng)基準(zhǔn)站等也在談判、論證當(dāng)中。

另一方面，北斗系統(tǒng)正在積極進(jìn)入國際民航、國際海事、移動通信等國際組織。去年底，國際海事組織海上安全委員會正式將北斗系統(tǒng)納入全球無線電導(dǎo)航系統(tǒng)。這意味著繼美國的GPS和俄羅斯的格洛納斯后，中國的導(dǎo)航系統(tǒng)已成為第三個被聯(lián)合國認(rèn)可的海上衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，也標(biāo)志著我國北斗全球化應(yīng)用邁出了堅(jiān)實(shí)的第一步。今年3月，北斗系統(tǒng)與歐洲伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)頻率協(xié)調(diào)達(dá)成一致意見。

有專家表示，目前正在進(jìn)行的“一帶一路”建設(shè)是推動北斗系統(tǒng)應(yīng)用推廣的重要契機(jī)。通過信息聯(lián)網(wǎng)、精確位置、指揮監(jiān)控等，北斗系統(tǒng)可以讓更多國家和公眾感受到其獨(dú)有的特色與優(yōu)勢，最終實(shí)現(xiàn)在這些國家的落地。

“中國的北斗，世界的北斗?！睆倪@個意義上來說，北斗服務(wù)全球之路才剛剛開始。

（來源：《人民日報(bào)》海外版 責(zé)任編輯/余風(fēng)）

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北斗系統(tǒng)的“十八般武藝”

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)除了能在國家安全領(lǐng)域發(fā)揮重大作用外，還能提供監(jiān)控救援、信息采集、精確授時和導(dǎo)航通訊等服務(wù)，可廣泛應(yīng)用于船舶運(yùn)輸、公路交通、鐵路運(yùn)輸、海上作業(yè)、漁業(yè)生產(chǎn)、水文測報(bào)、森林防火、環(huán)境監(jiān)測等眾多行業(yè)。

短報(bào)文讓人迅速獲救?！岸虉?bào)文”功能是北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的一大亮點(diǎn)，用戶可以通過終端發(fā)送一條長度為120個字的信息，及時向外界告知位置信息。比如：在沙漠、山區(qū)、荒野等人煙稀少的手機(jī)信號盲區(qū)實(shí)施搶險(xiǎn)救援時，受困者及救援人員能通過短報(bào)文及時報(bào)告所處位置和災(zāi)情，有效縮短救援搜尋時間，提高搶險(xiǎn)救援時效。

智能導(dǎo)航及交通管理。2014年，我國北斗導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值超過100億元人民幣；在智能手機(jī)領(lǐng)域，2014年三星、華為都推出了具備北斗定位功能的手機(jī)；在車載導(dǎo)航領(lǐng)域，國內(nèi)外已有20多個品牌、200多款車型的北斗車載導(dǎo)航儀走向市場。除了導(dǎo)航外，通過車輛上安裝的衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)和數(shù)據(jù)發(fā)射機(jī)，車輛位置信息能在幾秒鐘內(nèi)自動轉(zhuǎn)發(fā)到中心站，為道路交通管理提供數(shù)據(jù)，從而減緩交通阻塞，監(jiān)管公車私用，監(jiān)控危險(xiǎn)品運(yùn)輸。

“北斗手表”永不校時。向地球報(bào)告最精確的時間，是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的主要功能之一。目前，只要在手表里安裝相關(guān)的芯片即可實(shí)現(xiàn)通過北斗來授時?！氨倍肥直怼钡臅r間精度為千萬分之一秒，而且永遠(yuǎn)不需要校時。

漁業(yè)和畜牧業(yè)管家。北斗系統(tǒng)目前最大的民用領(lǐng)域是海洋漁業(yè)，應(yīng)用終端在海洋漁業(yè)領(lǐng)域的入網(wǎng)用戶已超過一萬。系統(tǒng)能即使發(fā)布天氣預(yù)報(bào)和預(yù)警，提供漁業(yè)信息，對漁船實(shí)施動態(tài)監(jiān)控，幫助進(jìn)行應(yīng)急救援和防臺救災(zāi)。在青海省青海湖地區(qū)，牧民通過使用北斗導(dǎo)航終端機(jī)，還實(shí)現(xiàn)了“智能放牧”。