北斗：如何從“0”到“40億”

潘晨++蘆垚

從2000年發(fā)射第一顆北斗定位衛(wèi)星，到2003年正式開通第一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，再到2012年正式提供區(qū)域服務(wù)，

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)從無到有，如今服務(wù)已覆蓋全球三分之一的陸地，使亞太地區(qū)的40億人口受益

2016年6月12日23時(shí)30分，中國在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心用長征三號丙運(yùn)載火箭成功發(fā)射了第23顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星。

這顆衛(wèi)星入軌并完成在軌測試后，將與其他在軌衛(wèi)星共同提供服務(wù)，進(jìn)一步增強(qiáng)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的穩(wěn)健性，強(qiáng)化服務(wù)能力，為系統(tǒng)服務(wù)從區(qū)域向全球拓展奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

從2000年發(fā)射第一顆北斗定位衛(wèi)星，到2003年正式開通第一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，再到2012年正式提供區(qū)域服務(wù)，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)從無到有，如今服務(wù)已覆蓋全球三分之一的陸地，使亞太地區(qū)的40億人口受益。

2015年7月25日，搭載兩顆新—代北斗導(dǎo)航衛(wèi)星的“長征三號乙/遠(yuǎn)征一號”運(yùn)載火箭在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心點(diǎn)火發(fā)射

設(shè)想始于上世紀(jì)60年代

在提出利用衛(wèi)星進(jìn)行導(dǎo)航定位的設(shè)想方面，中國是與世界同步的。美國的GPS是在上世紀(jì)60年代開始起步的，幾乎在同一時(shí)段，中國就開始了自己的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)，取名為“燈塔”，但是由于國家財(cái)力等原因，工程擱淺。

1983年，“兩彈一星”功勛獎?wù)芦@得者、中國科學(xué)院院士陳芳允提出了雙星定位設(shè)計(jì)方案，基于此方案，中國開始積極地立項(xiàng)論證。

1994年，經(jīng)國務(wù)院和中央軍委批準(zhǔn)，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)的大幕正式拉開。

當(dāng)時(shí)，世界各大國都認(rèn)識到自主開發(fā)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的重要意義，美國和俄羅斯分別開發(fā)了GPS和格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，歐盟則致力于建設(shè)獨(dú)立的伽利略系統(tǒng)，印度、日本也在積極謀求建設(shè)獨(dú)立自主的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。作為國家安全和社會發(fā)展不可或缺的信息基礎(chǔ)設(shè)施，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是大國地位和綜合國力的重要標(biāo)志。要有自主的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，是各大國不約而同的共識。

基于自身實(shí)際，中國創(chuàng)造性地提出了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)發(fā)展的總體思路，即“先區(qū)域”再“全球”，采取“三步走”的發(fā)展戰(zhàn)略。

第一步，建立北斗衛(wèi)星雙星定位試驗(yàn)系統(tǒng)，形成區(qū)域有源定位與導(dǎo)航服務(wù)能力;第二步，完成三種軌道十余顆衛(wèi)星的發(fā)射，建成區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)，形成區(qū)域無源服務(wù)能力，向亞太地區(qū)提供定位、導(dǎo)航、授時(shí)以及短報(bào)文通信服務(wù);第三步，建成由3顆靜止軌道衛(wèi)星和30顆非靜止軌道衛(wèi)星組成的覆蓋全球的北斗全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，形成全球無源服務(wù)能力。

我國首輛海洋應(yīng)急監(jiān)測車在遼東灣興城附近海域作業(yè)。該監(jiān)測車配備了具有國際先進(jìn)水平的海洋監(jiān)測及配套設(shè)備，包括車載X波段雷達(dá)、雷達(dá)海冰圖像處理系統(tǒng)、北斗衛(wèi)星通信系統(tǒng)等

能發(fā)“短信”的第一代系統(tǒng)

中國航天科技集團(tuán)空間技術(shù)研究院承擔(dān)了北斗導(dǎo)航衛(wèi)星的研制工作，經(jīng)歷了緊鑼密鼓的研制，2000年10月31日，北斗試驗(yàn)星發(fā)射，11月6日成功定點(diǎn);2000年12月21日02星發(fā)射，12月26日成功定點(diǎn)。兩顆衛(wèi)星順利完成在軌性能測試，性能參數(shù)滿足研制任務(wù)要求。

經(jīng)過近3年的調(diào)試、測試和試運(yùn)行，2003年12月15日，中國第一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正式開通運(yùn)行，成為繼美國的GPS和俄羅斯的格洛納斯系統(tǒng)之后，全球第三個(gè)建成并投入使用的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。

利用兩顆地球靜止軌道衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)區(qū)域?qū)Ш蕉ㄎ?，屬于世界首?chuàng)。專家介紹，北斗雙星導(dǎo)航定位試驗(yàn)系統(tǒng)是一個(gè)創(chuàng)新的、成功的、實(shí)用的、投資很少的初級起步系統(tǒng)，該系統(tǒng)的建立，解決了中國衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)有無的問題，“快、好、省”地邁出了中國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)的重要一步，對于推動國防和國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)起到了重要的作用。

該系統(tǒng)具有三大功能：一是快速確定用戶所在的地理位置，向用戶及主管部門提供導(dǎo)航信息;二是為用戶與用戶、用戶與地面指揮中心之間提供雙向簡短報(bào)文通信服務(wù)，用戶可以一次傳送120個(gè)漢字的短報(bào)文信息;三是向用戶定時(shí)發(fā)播授時(shí)信息，為用戶提供時(shí)差修正值。

其中，例如雙向簡短報(bào)文通信服務(wù)是北斗一號系統(tǒng)獨(dú)有的一項(xiàng)功能。這項(xiàng)功能問世不久，便得到漁政、水文監(jiān)測和森林防火部門的青睞，在搶險(xiǎn)救災(zāi)中也發(fā)揮了巨大作用。

2008年汶川地震發(fā)生后，在基礎(chǔ)設(shè)備損壞，通信中斷的情況下，救援部隊(duì)緊急配備了1000多臺“北斗一號”終端機(jī)，實(shí)現(xiàn)了各點(diǎn)位之間、點(diǎn)位與指揮部之間的直線聯(lián)絡(luò)，為抗震救災(zāi)發(fā)揮了重要作用。

從北斗衛(wèi)星雙星導(dǎo)航定位試驗(yàn)系統(tǒng)建設(shè)之初起，該系統(tǒng)就被定位為一個(gè)驗(yàn)證技術(shù)、積累經(jīng)驗(yàn)的試驗(yàn)性工程。在北斗雙星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的建設(shè)中，進(jìn)行了大量新技術(shù)的試驗(yàn)驗(yàn)證，從而為下一代導(dǎo)航衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)部署進(jìn)行了技術(shù)上的準(zhǔn)備。

北斗為何在復(fù)雜地形更好用

不過，雙星定位也有不少缺陷，比如，只能為終端用戶提供經(jīng)度和緯度，無法提供高度數(shù)據(jù);覆蓋范圍有限;無法在高速移動的平臺上使用;用戶數(shù)量受到一定限制，等等。

因此，建設(shè)由多顆衛(wèi)星組成，具備無源定位、測速和授時(shí)功能，同時(shí)實(shí)現(xiàn)兼顧北斗衛(wèi)星試驗(yàn)系統(tǒng)的雙向簡短數(shù)字報(bào)文通信、位置報(bào)告功能的北斗衛(wèi)星區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)迫在眉睫。

2004年，建設(shè)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航區(qū)域系統(tǒng)的工程正式立項(xiàng)，開始了全面啟動工作。這意味著，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，開始進(jìn)入“三步走”的第二個(gè)階段。

2007年4月14日，中國北斗衛(wèi)星區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)的第一顆衛(wèi)星，也是首顆中圓軌道衛(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。

兩年后的2009年4月15日，首次采用中國東方紅三號改進(jìn)型平臺技術(shù)的北斗衛(wèi)星區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)第二顆衛(wèi)星，也是首顆地球靜止軌道衛(wèi)星發(fā)射成功，標(biāo)志著繼北斗導(dǎo)航定位試驗(yàn)系統(tǒng)之后，北斗衛(wèi)星區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)正式進(jìn)入部署實(shí)施階段。

2010年，第三顆到第七顆衛(wèi)星的連續(xù)密集發(fā)射，為北斗衛(wèi)星區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)增加了5個(gè)“新成員”。當(dāng)2011年4月第八顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星在太空“安家”后，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)構(gòu)成了“3+3”的星座構(gòu)型（包括3顆同步靜止軌道衛(wèi)星和3顆傾斜同步軌道衛(wèi)星），這標(biāo)志著北斗區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的基本系統(tǒng)建設(shè)完成，具備了向中國大部分地區(qū)提供初始服務(wù)的能力。

隨著2011年7月27日和12月2日，第九顆和第十顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星“落戶”傾斜同步軌道，有效提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

2011年12月27日上午，國務(wù)院新聞辦正式發(fā)布，北斗衛(wèi)星區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)開始試運(yùn)行，向中國及周邊地區(qū)提供連續(xù)的、免費(fèi)的導(dǎo)航定位和授時(shí)服務(wù)。

2012年，北斗衛(wèi)星區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)再次迎來從第十一顆到十五顆5星密集發(fā)射期，其中，第十二、十三顆衛(wèi)星以及第十四、十五顆衛(wèi)星均為一箭雙星發(fā)射。2012年10月25日，第十六顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星成功發(fā)射，北斗衛(wèi)星區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)完成了所有衛(wèi)星發(fā)射任務(wù)。至此，北斗衛(wèi)星區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)空間段由分布在不同軌道的14顆衛(wèi)星組成星座，即5顆地球靜止軌道衛(wèi)星、5顆傾斜地球同步軌道衛(wèi)星和4顆中軌道衛(wèi)星。中國全面完成區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)建設(shè)，形成覆蓋亞太大部分地區(qū)的服務(wù)能力。

與第一代雙星系統(tǒng)相比，除了依然具有的雙向簡短報(bào)文通信功能之外，隨著系統(tǒng)的逐步發(fā)展，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)開始呈現(xiàn)出更多特點(diǎn)和優(yōu)勢。

例如，從星座部署上來看，因?yàn)楸倍废到y(tǒng)采用的是混合星座構(gòu)型，與其他導(dǎo)航系統(tǒng)的星座結(jié)構(gòu)有明顯區(qū)別。美國GPS、俄羅斯GLONASS和歐盟GALILEO系統(tǒng)均采用中圓軌道（MEO）對稱星座，衛(wèi)星均勻分布在6個(gè)或3個(gè)軌道面上。北斗系統(tǒng)除MEO衛(wèi)星以外，還采用了傾斜地球同步軌道衛(wèi)星（IGSO）和地球靜止軌道衛(wèi)星（GEO），在低緯度地區(qū)具備高仰角，相較于其他系統(tǒng)，對城市峽谷、稀疏遮擋地形具有更多的可見衛(wèi)星，服務(wù)性能更好。而正是得益于系統(tǒng)的星座構(gòu)型，北斗可基于相對較少的衛(wèi)星數(shù)量實(shí)現(xiàn)區(qū)域服務(wù)能力，系統(tǒng)部署的周期更短，星座建設(shè)速度更快。

從亞太到全球

在國際化應(yīng)用領(lǐng)域，亞太地區(qū)是北斗先期覆蓋的服務(wù)區(qū)，尤其是東盟各國在海洋漁業(yè)、應(yīng)急救援、防災(zāi)減災(zāi)、交通運(yùn)輸?shù)确矫鎸πl(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用有著切實(shí)需求。

例如在海洋漁業(yè)方面，多數(shù)東盟國家均臨海，北斗系統(tǒng)能為海洋漁業(yè)和海上作業(yè)提供全天候、全天時(shí)的位置服務(wù);在減災(zāi)應(yīng)用方面，亞太許多國家處于自然災(zāi)害多發(fā)區(qū)，北斗系統(tǒng)可在地震、洪澇等突發(fā)自然災(zāi)害情況下，為搶險(xiǎn)救災(zāi)提供有力支持。

而較為公眾熟知的是，2012年1月，中國商船“盛泰11號”在湄公河金三角水域遭到了襲擊。當(dāng)時(shí)，遇險(xiǎn)船只第一時(shí)間通過北斗系統(tǒng)發(fā)出了求救信號，中國海事、公安部門根據(jù)系統(tǒng)提供的位置和遇險(xiǎn)情況，及時(shí)解救了遇險(xiǎn)船只。

此外，值得提及的是，亞太地區(qū)作為全球經(jīng)濟(jì)最有活力、發(fā)展最快的地區(qū)，人口占全球的大約六成，因此，衛(wèi)星導(dǎo)航和相關(guān)服務(wù)的市場容量巨大。

自2012年12月面向亞太區(qū)域提供正式運(yùn)行服務(wù)以來，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)保持了連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。目前，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正逐步進(jìn)入國際民航（ICAO）、國際海事（IMO）、移動通訊（3GPP）等國際組織，已被國際海事組織接納認(rèn)可為全球第三個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。

為推動北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用，2014年中國啟動了北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)建設(shè)。該系統(tǒng)建成后，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)將為中國境內(nèi)用戶提供分米級定位服務(wù)，部分地區(qū)定位服務(wù)最高可達(dá)厘米級。

而在“第二步”戰(zhàn)略完成后不久，北斗開始啟動“第三步”戰(zhàn)略。

2015年3月底，首顆新一代北斗導(dǎo)航衛(wèi)星成功發(fā)射，標(biāo)志著北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已由區(qū)域運(yùn)行向全球拓展。從這顆衛(wèi)星開始，2015年3月30日至2016年2月1日，五顆新一代北斗導(dǎo)航衛(wèi)星密集發(fā)射。

新一代北斗導(dǎo)航衛(wèi)星瞄準(zhǔn)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)全球組網(wǎng)需求，承擔(dān)了新型導(dǎo)航信號體制、星間鏈路等新技術(shù)試驗(yàn)驗(yàn)證任務(wù)，在功能、性能上較以前發(fā)射的北斗導(dǎo)航衛(wèi)星有較大提升。根據(jù)建設(shè)計(jì)劃，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)將于2020年形成全球運(yùn)行服務(wù)能力，為全球用戶提供更高精度的服務(wù)。

根據(jù)計(jì)劃，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)2018年可為“一帶一路”沿線國家提供基本服務(wù)，2020年將形成全球服務(wù)能力。

（潘晨系中國航天科技集團(tuán)空間技術(shù)研究院總體部工作人員）