北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)篇

葉峰屹 高曉雷 （北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部）

1 概述

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱北斗系統(tǒng)）是中國(guó)著眼于國(guó)家安全和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需要，自主發(fā)展、獨(dú)立運(yùn)行的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，是為全球用戶提供全天候、全天時(shí)、高精度的定位、導(dǎo)航和授時(shí)服務(wù)的國(guó)家重要空間基礎(chǔ)設(shè)施。系統(tǒng)的建立將促進(jìn)衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)鏈形成，在測(cè)繪、電信、減災(zāi)救災(zāi)等諸多領(lǐng)域產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，推動(dòng)衛(wèi)星導(dǎo)航在國(guó)民經(jīng)濟(jì)社會(huì)各行業(yè)的廣泛應(yīng)用。

中國(guó)空間技術(shù)研究院（簡(jiǎn)稱研究院）作為中國(guó)空間事業(yè)的主力軍，一直把“爭(zhēng)當(dāng)創(chuàng)新型國(guó)家建設(shè)排頭兵”作為自己的目標(biāo)，通過(guò)實(shí)施“體系引領(lǐng)、集成創(chuàng)新、專業(yè)振興、協(xié)調(diào)共享”的創(chuàng)新發(fā)展策略，使創(chuàng)新的腳步不斷加快。研究院抓總研制的國(guó)家重大科技專項(xiàng)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，截至目前，已經(jīng)研制發(fā)射了27顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星。從北斗立項(xiàng)之初，我們就瞄準(zhǔn)著世界一流的建設(shè)目標(biāo)，按照北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)“三步走”的發(fā)展戰(zhàn)略，秉承“探索一代，研發(fā)一代，建設(shè)一代”的創(chuàng)新思路，圍繞“原始創(chuàng)新、集成創(chuàng)新、自主創(chuàng)新”的理念，開(kāi)展工程整體建設(shè)，不僅成為落實(shí)我國(guó)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略的重要成果，又為加快實(shí)施這一戰(zhàn)略提供了有益經(jīng)驗(yàn)。

2 發(fā)展歷程

我國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)發(fā)展的總體思路是“先區(qū)域”再“全球”，堅(jiān)持“三步走”的發(fā)展戰(zhàn)略，遵循開(kāi)放性、自主性、兼容性、漸進(jìn)性的建設(shè)發(fā)展特點(diǎn)。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展路線

第一步，建設(shè)北斗一號(hào)系統(tǒng)（也稱北斗衛(wèi)星導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)）。1994年，啟動(dòng)北斗一號(hào)系統(tǒng)工程建設(shè)；2000年，發(fā)射2顆地球靜止軌道衛(wèi)星，建成系統(tǒng)并投入使用，采用有源定位體制，為中國(guó)用戶提供定位、授時(shí)、廣域差分和短報(bào)文通信服務(wù)；2003年，發(fā)射第三顆地球靜止軌道衛(wèi)星，進(jìn)一步增強(qiáng)系統(tǒng)性能。

研究院面對(duì)專項(xiàng)人才、資金短缺，關(guān)鍵技術(shù)薄弱，基礎(chǔ)工業(yè)能力不足等困難，通過(guò)科學(xué)論證，確定了采用有源定位體制，進(jìn)行雙星導(dǎo)航定位的總體方案，通過(guò)研制成功新一代衛(wèi)星平臺(tái)，攻克三軸穩(wěn)定等一系列的關(guān)鍵技術(shù)，使電源、測(cè)控、姿態(tài)、軌道控制、推進(jìn)、熱控、結(jié)構(gòu)分系統(tǒng)能滿足導(dǎo)航衛(wèi)星的“苛刻要求”，建成了北斗導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)，使我國(guó)成為世界上繼美國(guó)、俄羅斯之后第三個(gè)擁有自主衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的國(guó)家，打破了國(guó)外衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域的壟斷，填補(bǔ)了我國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域的空白。

第二步，建設(shè)北斗二號(hào)系統(tǒng)（也稱北斗衛(wèi)星區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)）。2004年，啟動(dòng)北斗二號(hào)系統(tǒng)工程建設(shè)；2012年年底，完成14顆衛(wèi)星（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顆中圓地球軌道衛(wèi)星）發(fā)射組網(wǎng)。北斗二號(hào)系統(tǒng)在兼容北斗一號(hào)技術(shù)體制基礎(chǔ)上，增加無(wú)源定位體制，為亞太地區(qū)用戶提供定位、測(cè)速、授時(shí)、廣域差分和短報(bào)文通信服務(wù)。針對(duì)這一階段目標(biāo)，研究院自主設(shè)計(jì)了國(guó)際上首個(gè)以GEO/IGSO衛(wèi)星為主、有源與無(wú)源導(dǎo)航等多功能服務(wù)融合的衛(wèi)星方案，攻克了以高精度星載原子鐘、上行抗干擾為代表的多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，打破了國(guó)外技術(shù)封鎖和壟斷，建成了國(guó)際上首個(gè)由地球靜止軌道、傾斜地球同步軌道、中圓地球軌道三種軌道衛(wèi)星構(gòu)建的混合星座區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。2012年系統(tǒng)開(kāi)通服務(wù)，服務(wù)區(qū)覆蓋亞太，定位精度10m，測(cè)速精度0．2m，單向授時(shí)精度優(yōu)于50ns。導(dǎo)航定位性能與GPS系統(tǒng)相當(dāng)，優(yōu)于GLONASS系統(tǒng)。

研究院不僅成功建設(shè)了北斗區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)，更為重要的是通過(guò)航天科技創(chuàng)新，牽引、支撐了我國(guó)國(guó)防科技工業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展，輻射、帶動(dòng)起我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)相關(guān)領(lǐng)域、行業(yè)的技術(shù)變革。

第三步，北斗衛(wèi)星全球?qū)Ш较到y(tǒng)具有星間鏈路和自主導(dǎo)航功能，系統(tǒng)主要特點(diǎn)為全球、三維、無(wú)源導(dǎo)航定位，系統(tǒng)建成后可在全球范圍內(nèi)提供高精度、全天候、全天時(shí)的導(dǎo)航、定位、授時(shí)服務(wù)，并兼具短報(bào)文通信能力。研究院對(duì)標(biāo)國(guó)際科技前沿，自主研制新一代北斗導(dǎo)航衛(wèi)星，并于2015年成功發(fā)射3顆衛(wèi)星，全面驗(yàn)證了全新的導(dǎo)航信號(hào)體制、驗(yàn)證新型導(dǎo)航衛(wèi)星平臺(tái)，突破了星間鏈路等關(guān)鍵技術(shù)，穩(wěn)扎穩(wěn)打開(kāi)展全球組網(wǎng)建設(shè)。2017年11月5日，研究院抓總研制并成功發(fā)射北斗三號(hào)第一、二顆組網(wǎng)衛(wèi)星，開(kāi)啟了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)全球組網(wǎng)的新時(shí)代。

北斗 系統(tǒng)的發(fā)展特色

北斗系統(tǒng)的建設(shè)實(shí)踐，實(shí)現(xiàn)了在區(qū)域快速形成服務(wù)能力、逐步擴(kuò)展為全球服務(wù)的發(fā)展路徑，豐富了世界衛(wèi)星導(dǎo)航事業(yè)的發(fā)展模式。

北斗系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：一是北斗系統(tǒng)空間段采用三種軌道衛(wèi)星組成的混合星座，與其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)相比高軌衛(wèi)星更多，抗遮擋能力強(qiáng)，尤其低緯度地區(qū)性能特點(diǎn)更為明顯。二是北斗系統(tǒng)提供多個(gè)頻點(diǎn)的導(dǎo)航信號(hào)，能夠通過(guò)多頻信號(hào)組合使用等方式提高服務(wù)精度。三是北斗系統(tǒng)創(chuàng)新融合了導(dǎo)航與通信能力，具有實(shí)時(shí)導(dǎo)航、快速定位、精確授時(shí)、位置報(bào)告和短報(bào)文通信服務(wù)五大功能。

關(guān)鍵 技術(shù)

（1）高精度原子鐘

高精度原子鐘是北斗二號(hào)衛(wèi)星的核心產(chǎn)品，其國(guó)產(chǎn)化打破了國(guó)外壟斷，突破了國(guó)外技術(shù)封鎖，使我國(guó)導(dǎo)航衛(wèi)星核心部件擺脫了受制于人的困境，其技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先、國(guó)際先進(jìn)水平，為導(dǎo)航衛(wèi)星提供連續(xù)、穩(wěn)定、高精度的導(dǎo)航服務(wù)提供了時(shí)間與頻率基礎(chǔ)。

星載銣鐘采用非自激型光軸運(yùn)汽泡式銣頻標(biāo)方案，基本原理是：利用87Rb原子基態(tài)超精細(xì)能級(jí)0-0躍遷具有極窄的譜線和極穩(wěn)定的中心頻率的特性，通過(guò)銣原子光抽運(yùn)系統(tǒng)和電路的作用，將量子躍遷頻率的高穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度傳遞給晶振，從而獲得高穩(wěn)定的晶振輸出頻率，為時(shí)頻系統(tǒng)提供頻率基準(zhǔn)源。

星載銣原子鐘提出并設(shè)計(jì)了高精度微波功率自動(dòng)控制技術(shù)（ALC），有效地解決了微波功率波動(dòng)造成頻移的難題；采用熱輻射控制和多層隔熱墊技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)產(chǎn)品熱阻的精確調(diào)整；采用多層磁屏蔽控制技術(shù)，解決了衛(wèi)星環(huán)境中存在強(qiáng)磁力源及磁力場(chǎng)變化對(duì)銣鐘性能影響的難題；首次采用球形銣燈結(jié)構(gòu)和低溫指形吸收泡，提高了銣光譜燈的穩(wěn)定性；首次采用基于直接數(shù)字頻率合成技術(shù)的銣鐘掃描捕獲輔助鎖定方法，實(shí)現(xiàn)了快速捕獲鎖定。

（2）星間鏈路

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)增加了星上自主運(yùn)行功能，采用星間鏈路技術(shù)，設(shè)計(jì)合理的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和任務(wù)規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航星座的自主運(yùn)行管理，并保證導(dǎo)航星座星間鏈路長(zhǎng)壽命、高可靠、高精度測(cè)量。

（3）導(dǎo)航衛(wèi)星專用平臺(tái)

研發(fā)了適用于導(dǎo)航衛(wèi)星的專用平臺(tái)，采用綜合電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)整星的信息綜合和功能控制；提出我國(guó)第一個(gè)主承力結(jié)構(gòu)桁架式衛(wèi)星平臺(tái)方案，使衛(wèi)星能夠適應(yīng)多種運(yùn)載的一箭多星發(fā)射，確保了星座快速組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)導(dǎo)航衛(wèi)星平臺(tái)能力的提升和跨越。該平臺(tái)經(jīng)與國(guó)外導(dǎo)航衛(wèi)星對(duì)標(biāo)，在載荷平臺(tái)質(zhì)量比、平臺(tái)功率質(zhì)量比及結(jié)構(gòu)承載效率上均具有明顯優(yōu)勢(shì)，達(dá)到了國(guó)際一流的水平。

（4）快速組網(wǎng)要求的衛(wèi)星系統(tǒng)設(shè)計(jì)與集成技術(shù)

為保障北斗導(dǎo)航衛(wèi)星研制、發(fā)射組網(wǎng)，借助多種信息化手段，完成了衛(wèi)星組批研制生產(chǎn)的管理體系和技術(shù)體系建設(shè)，縮短了研制周期，提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量。

北斗二號(hào)衛(wèi)星系統(tǒng)研制過(guò)程中構(gòu)建了全新的組批生產(chǎn)與測(cè)試模式，提高了衛(wèi)星研制效率，三年內(nèi)完成了14顆衛(wèi)星組批生產(chǎn)、密集發(fā)射的任務(wù)，較單星生產(chǎn)模式縮短研制周期近三分之一，降低研制成本近20%，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)衛(wèi)星研制模式由單星生產(chǎn)向組批生產(chǎn)的轉(zhuǎn)型。

北斗二號(hào)組批生產(chǎn)面對(duì)多星并行、狀態(tài)耦合、組織復(fù)雜等難題，創(chuàng)造性利用信息網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)信息共享，狀態(tài)受控；首次采用一顆初樣星完成GEO/MEO/IGSO三種軌道衛(wèi)星的熱平衡、力學(xué)試驗(yàn)等環(huán)境試驗(yàn)，縮短了研制周期，節(jié)省了研制經(jīng)費(fèi)。

系統(tǒng) 應(yīng)用

隨著北斗系統(tǒng)建設(shè)和服務(wù)能力的發(fā)展，相關(guān)產(chǎn)品已廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸、海洋漁業(yè)、水文監(jiān)測(cè)、氣象預(yù)報(bào)、測(cè)繪地理信息、森林防火、通信時(shí)統(tǒng)、電力調(diào)度、救災(zāi)減災(zāi)、應(yīng)急搜救等領(lǐng)域，逐步滲透到人類社會(huì)生產(chǎn)和人們生活的方方面面，為全球經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展注入新的活力。

北斗團(tuán)隊(duì)成員探討技術(shù)細(xì)節(jié)

目前，正在運(yùn)行的北斗二號(hào)系統(tǒng)發(fā)播B1I和B2I公開(kāi)服務(wù)信號(hào)，免費(fèi)向亞太地區(qū)提供公開(kāi)服務(wù)。服務(wù)區(qū)為55°(S）～55°(N)、55°(E）～180°(E）區(qū)域，定位精度優(yōu)于10m，測(cè)速精度優(yōu)于0．2m／s，授時(shí)精度優(yōu)于50ns。

國(guó)內(nèi) 外對(duì)標(biāo)

與GPS相比，北斗系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)如下：

首先是兼容互操作。這將會(huì)給用戶帶來(lái)很多好處，因?yàn)橛脩粼谕粫r(shí)間可以收到更多導(dǎo)航衛(wèi)星的信息，解算自己的位置、速度、時(shí)間就更加方便，同時(shí)精度也更高。北斗系統(tǒng)做到與其他系統(tǒng)兼容后，你可以在北斗信號(hào)強(qiáng)的時(shí)候使用北斗，用GPS來(lái)幫助你修正，輔助提高導(dǎo)航服務(wù)精度。

其次，GPS現(xiàn)在所提供的服務(wù)是無(wú)源定位，也就是說(shuō)用戶不需要發(fā)射任何信號(hào)，就可以免費(fèi)接收衛(wèi)星的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)自己位置的定位。北斗系統(tǒng)提供的是兩種服務(wù)，一種就是跟GPS相當(dāng)，可以讓用戶免費(fèi)直接接收衛(wèi)星信號(hào)；另一種是有源定位，用戶可以把自己的位置報(bào)告給其他的網(wǎng)絡(luò)或指揮控制中心，最終實(shí)現(xiàn)定位。北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的目標(biāo)之一就是在2020年建成有源導(dǎo)航定位、短報(bào)文功能，這是目前GPS，GLONASS等沒(méi)有的功能。短報(bào)文功能，是衛(wèi)星定位終端和北斗衛(wèi)星或北斗地面服務(wù)站之間能夠直接通過(guò)衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行雙向的信息傳遞，GPS只能單向傳遞（終端從衛(wèi)星接收位置信號(hào)），短報(bào)文功能最典型的例子就是在汶川地震過(guò)后，通訊基站遭到破壞，北斗終端通過(guò)短報(bào)文進(jìn)行緊急通訊，對(duì)于抗震救災(zāi)起到了關(guān)鍵作用。有源定位在調(diào)度系統(tǒng)及指揮系統(tǒng)上應(yīng)用非常廣泛，它能實(shí)現(xiàn)地面快速定位。這個(gè)優(yōu)勢(shì)在農(nóng)牧業(yè)領(lǐng)域中有廣泛應(yīng)用，比如，為了防止羊走丟，可在羊身上安裝北斗系統(tǒng)的芯片，實(shí)時(shí)監(jiān)控。

第三，用自主研發(fā)的系統(tǒng)更安全。任何一個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，就包括現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)都有后門(mén)，用別人的系統(tǒng)后門(mén)鑰匙在別人手里掌握，自主研發(fā)的系統(tǒng)更安全放心?，F(xiàn)在，我們衛(wèi)星上的一些大的部件都是我國(guó)自主研發(fā)的。

3 未來(lái)展望

根據(jù)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)“三步走”的發(fā)展戰(zhàn)略，在2020年前后，計(jì)劃建成北斗全球系統(tǒng)，向全球提供服務(wù)。目前，研究院著手論證《2030-2050年導(dǎo)航衛(wèi)星領(lǐng)域發(fā)展戰(zhàn)略研究報(bào)告》，為今后40年我國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展謀篇布局。未來(lái)，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正朝著高精度、高可靠性、強(qiáng)抗干擾能力、綜合型、多元化的方向發(fā)展。在北斗全球?qū)Ш叫l(wèi)星任務(wù)的能力基礎(chǔ)上，研究院正對(duì)深空導(dǎo)航、自主導(dǎo)航、脈沖星導(dǎo)航等一大批前沿課題進(jìn)行探索和研究。