創(chuàng)造奇跡的中國北斗衛(wèi)星

小蟈 小敖

北斗系統(tǒng)將成為一個生命線工程，大地震后我們所有的有線系統(tǒng)都可能失去功能，而北斗系統(tǒng)作為一個衛(wèi)星監(jiān)視系統(tǒng)既可以有及時的位置報告，又可通信。海嘯后，北斗去做救援是非常有用的，它可以及時地發(fā)送位置和與位置有關(guān)的信息。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是中國自行研制的全球衛(wèi)星定位與通信系統(tǒng)，是美國的GPS、俄羅斯的GLONASS之后第3個成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。系統(tǒng)由空間端、地面端和用戶端組成，可在全球范圍內(nèi)全天候為各類用戶提供精準(zhǔn)可靠的定位、導(dǎo)航、授時服務(wù)，并具備短報文通信能力，已經(jīng)初步具備區(qū)域?qū)Ш?、定位和授時能力，定位精度10米，測速精度0.2米/秒，授時精度10納秒。

歷史回顧

2007年4月14日，我國成功將一顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星送入太空。約14分鐘后，衛(wèi)星準(zhǔn)確進(jìn)入預(yù)定軌道。2009年4月15日，第2顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星被順利送入預(yù)定軌道。2010年1月17日，我國成功將第3顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星送入預(yù)定軌道，這標(biāo)志著北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)工程建設(shè)又邁出重要一步，衛(wèi)星組網(wǎng)正按計劃穩(wěn)步推進(jìn)。2018年11月19日，西昌衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射第42顆和第43顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星。北斗三號基本系統(tǒng)完成建設(shè)，于2018年12月26日開始提供全球服務(wù)。這標(biāo)志著北斗系統(tǒng)服務(wù)范圍由區(qū)域擴(kuò)展為全球，北斗系統(tǒng)正式邁入全球時代。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)速度是驚人的，在2018年更是實(shí)現(xiàn)了一年10箭18星，其中8次為一箭兩星任務(wù)，共計布置了18顆衛(wèi)星進(jìn)入軌道，且所有發(fā)射任務(wù)均獲成功。按照35顆北斗衛(wèi)星的設(shè)計布局，2018年無疑是北斗建設(shè)史上最核心的一年，也創(chuàng)下了全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)組網(wǎng)最快紀(jì)錄。世界四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中，美國GPS系統(tǒng)最快紀(jì)錄為一年6星，俄羅斯GLONASS系統(tǒng)為一年9星，歐洲伽利略系統(tǒng)為一年6星。毫不夸張地講，北斗的建設(shè)速度是空前的，隨著2019年剩余衛(wèi)星的繼續(xù)布網(wǎng)且前期衛(wèi)星陸續(xù)度過調(diào)試期正式服役，北斗將徹底點(diǎn)亮全球。

中國衛(wèi)星之父——孫家棟

從孫家棟擔(dān)任中國第一顆人造地球衛(wèi)星總體設(shè)計負(fù)責(zé)人開始，在中國自主研制發(fā)射的100個航天飛行器中，就有34個是由他擔(dān)任技術(shù)負(fù)責(zé)人、總設(shè)計師或總工程師，占整個中國航天飛行器的三分之一。孫家棟因此被業(yè)界公認(rèn)為“中國衛(wèi)星之父”。

成熟的GPS系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展了30多年，其本質(zhì)是一個軍用衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，這個系統(tǒng)主要包含軍用和民用兩種信號。依賴GPS導(dǎo)航的戰(zhàn)斧式巡航導(dǎo)彈為人類戰(zhàn)爭史貢獻(xiàn)了一個新詞—“外科手術(shù)式打擊”，原本需要數(shù)十架轟炸機(jī)、投彈數(shù)百噸才能完成的水壩轟炸任務(wù)，變成僅需兩枚導(dǎo)彈在數(shù)百公里外突襲發(fā)射即可，甚至第二枚可以通過第一枚炸開的大壩缺口鉆進(jìn)去。我們?nèi)粘Ｉ钪杏玫降亩ㄎ环?wù)，如地圖導(dǎo)航、共享單車、打車等，都依賴GPS。大型電網(wǎng)、金融交易、電信通信等都需要星上原子鐘精密授時?？茖W(xué)領(lǐng)域，很多研究地球重力場、磁場、板塊運(yùn)動、大氣、海洋、冰川、自然災(zāi)害的衛(wèi)星，都需要GPS系統(tǒng)幫助衛(wèi)星精密定軌。大型基建工程，例如高鐵、大橋、機(jī)場建設(shè)，也需要GPS標(biāo)定。新興技術(shù)中自動駕駛、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)亦是如此。

歷史回顧

既然GPS系統(tǒng)已經(jīng)很成熟了，為什么我們還要花巨額資金建設(shè)自己的北斗系統(tǒng)呢？因為GPS是美國建設(shè)的，其運(yùn)作必然以美國利益為第一位。早期，GPS系統(tǒng)在所有的民用信號上都添加了干擾。美國作為運(yùn)營者，它可以隨時停止GPS服務(wù)、增加干擾，甚至提供虛假的位置服務(wù)信息，這對將GPS用于民用和軍用的他國極度不利。1999年印巴戰(zhàn)爭期間，美國直接關(guān)停了印巴戰(zhàn)區(qū)的所有GPS服務(wù)，給印巴雙方造成巨大損失。過去20多年內(nèi)，中國航天人從實(shí)驗階段開始，逐漸實(shí)現(xiàn)區(qū)域有源定位、區(qū)域無源定位和全球無源定位，其對應(yīng)的技術(shù)分別是北斗一代、二代和三代，逐步掌握了獨(dú)立自主的核心技術(shù)?，F(xiàn)在是北斗三代建設(shè)的核心期，大概將在2020年完成全部建設(shè)。

目前，三個全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)都采用距離地面2萬千米左右的中圓衛(wèi)星軌道。我國采取了一套與其他導(dǎo)航系統(tǒng)截然不同的思路，采用三種軌道搭配的星座：27顆衛(wèi)星處在距離地面2.15萬千米的中圓軌道，分布在三個軌道面上，保持55度傾角;5顆衛(wèi)星采取赤道上空3.58萬千米高的地球靜止軌道;3顆衛(wèi)星處在地球同步軌道，保持約55度傾角。北斗還有一個獨(dú)門絕活：短報文通信，簡而言之是通過衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)天地雙向通信。北斗這個功能意味著衛(wèi)星可以向擁有此項授權(quán)服務(wù)的接收機(jī)發(fā)送專屬信息，比如在普通移動通訊信號不能覆蓋的情況下（例如地震災(zāi)害過后通信基站遭到破壞），北斗終端可以通過短報文進(jìn)行緊急通信。對于軍事行動的意義更是無法形容。實(shí)事求是地講，北斗雖然具有后發(fā)優(yōu)勢，但是它現(xiàn)在最大的競爭對手依然是GPS系統(tǒng)。