中國為什么必須有“北斗”

榮智慧

對北半球的國家來說，“北斗”意味著黑夜里識別方向最顯眼的標志。中國的“北斗”衛(wèi)星導航系統(tǒng)，也終將發(fā)揮這樣的作用，無論是黑夜，還是白天，它們將成為中國人觀察世界的“眼睛”。

6月23日9時43分，中國在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心用長征三號乙運載火箭，成功發(fā)射北斗系統(tǒng)第55顆導航衛(wèi)星。至此，中國“北斗三號”全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)星座部署提前半年全面完成。

自1994年“北斗一號”系統(tǒng)工程立項至今，中國用26年的時間實現(xiàn)了59顆北斗衛(wèi)星（包括55顆北斗導航衛(wèi)星和4顆北斗導航試驗衛(wèi)星）的發(fā)射。

對北半球的國家來說，“北斗”意味著黑夜里識別方向最顯眼的標志——大熊星座里七顆明亮的恒星，組成一把北天中心的“勺子”。中國的“北斗”衛(wèi)星導航系統(tǒng)，也終將發(fā)揮這樣的作用，無論是黑夜，還是白天，它們將成為中國人觀察世界的“眼睛”。

三代歷程

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)（簡稱北斗系統(tǒng)或BDS）是中國自主建設(shè)、獨立運行的一個衛(wèi)星導航系統(tǒng)，能為全球用戶提供全天候、全天時、高精度的定位、導航和授時服務(wù)。

北斗系統(tǒng)（BDS）、美國全球定位系統(tǒng)（GPS）、俄羅斯全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GLONASS）和歐盟伽利略定位系統(tǒng)（Galileo），合稱全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)四大核心供應(yīng)商。

北斗系統(tǒng)迄今共有三代，其中第一代也被稱為“北斗衛(wèi)星導航試驗系統(tǒng)”，第二代開始的北斗系統(tǒng)被正式稱為“北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)”。

北斗一號系統(tǒng)（第一代北斗系統(tǒng)）由三顆衛(wèi)星提供區(qū)域定位服務(wù)。從2000年開始，該系統(tǒng)主要在中國境內(nèi)提供導航服務(wù)。2012年12月，北斗一號的最后一顆衛(wèi)星壽命到期，北斗衛(wèi)星導航試驗系統(tǒng)停止運作。

北斗二號系統(tǒng)（第二代北斗系統(tǒng)）是一個包含16顆衛(wèi)星的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)，分別為6顆靜止軌道衛(wèi)星、6顆傾斜地球同步軌道衛(wèi)星、4顆中地球軌道衛(wèi)星。2012年11月，第二代北斗系統(tǒng)開始在亞太地區(qū)為用戶提供區(qū)域定位服務(wù)。

北斗三號系統(tǒng)（第三代北斗系統(tǒng)）由三種不同軌道的衛(wèi)星組成，包括24顆地球中圓軌道衛(wèi)星（覆蓋全球），3顆傾斜地球同步軌道衛(wèi)星（覆蓋亞太大部分地區(qū)）和3顆地球靜止軌道衛(wèi)星（覆蓋中國）。北斗三號于2018年提前開放了北斗系統(tǒng)的全球定位功能。2020年6月23日，北斗三號最后一顆全球組網(wǎng)衛(wèi)星順利進入預定軌道，發(fā)射任務(wù)取得圓滿成功。

北斗三號系統(tǒng)已經(jīng)覆蓋“一帶一路”國家，2020年完成建設(shè)提供全球定位服務(wù)，2035年將建成以北斗為核心的綜合定位、導航、授時體系。

保證安全

第一代北斗系統(tǒng)，是在“海灣戰(zhàn)爭”的“刺激”下誕生的。1991年，以美軍為主的多國部隊在GPS的帶領(lǐng)下，迅速穿過被伊拉克軍隊視為禁地的沙漠地區(qū)，打了伊拉克一個措手不及。

最初，不少軍事專家都預測打成一場雙方僵持不下的“持久戰(zhàn)”，然而，戰(zhàn)爭以美軍42天的空襲加上100小時的地面作戰(zhàn)收尾，伊拉克軍隊全面潰敗。

美國軍隊加上GPS，就相當于開了“上帝視角”，海陸空力量的指揮控制、部隊調(diào)動、物資保障、戰(zhàn)場救援和精確制導武器發(fā)射，都如身使臂、如臂使指。

國防安全，首先要保證有一雙“太空中的眼睛”。這是北斗系統(tǒng)的重要使命所在：哪怕花費巨大，也要自行研發(fā)。

蘇聯(lián)1976年開始組建格洛納斯衛(wèi)星導航系統(tǒng)，1995年時建成由24顆衛(wèi)星組成的衛(wèi)星星座，第一次實現(xiàn)衛(wèi)星信號的全球覆蓋。2002年，歐盟批準建設(shè)伽利略衛(wèi)星導航系統(tǒng)。后續(xù)的維護費用動輒數(shù)十億歐元。

美國的GPS就是一個以軍用為主的衛(wèi)星導航系統(tǒng)，所有權(quán)、控制權(quán)、運營權(quán)都屬于美國國防部。其他國家的民用用戶不可避免地擔心，美國軍方可以隨時剝奪其他人使用衛(wèi)星的權(quán)利。

而且GPS通常精度不夠。GPS包含軍碼和民碼兩種信號，二者精密級別不同，前者是毫米級別，后者是分米級別。美國軍方就曾對GPS發(fā)布的民用信號進行干擾，降低民用信號提供精度，保護信息安全。

無論如何，“放衛(wèi)星”這條路都要自己走。

除此之外，導航衛(wèi)星發(fā)射上天的前提是，國家必須要申請合法的軌道位置和頻率資源——這才是稀有資源，而且美國的GPS和俄羅斯的格洛納斯衛(wèi)星導航系統(tǒng)“先到先得”，占去了80%的“黃金導航頻段”。

直到2000年，中國才在國際電聯(lián)組織爭取到了暫時的軌道位置和頻率資源。更緊張的是，《無線電規(guī)則》對衛(wèi)星頻率和軌道做的充分解釋和分配方式中有一條規(guī)定：申請者在7年內(nèi)必須使用該頻率，否則收回。

2007年4月14日，首顆北斗二號衛(wèi)星成功發(fā)射，4月17日傳回了信號——距離國際電聯(lián)規(guī)定的失效期限僅剩不到4個小時。

民用趨勢

很多人都在開車時，聽到導航軟件說"GPS信號弱”，這就是衛(wèi)星導航最常見的用處之一。如果沒有衛(wèi)星導航，汽車業(yè)很難“火爆”，旅游業(yè)也將少了“自駕游”這一重要份額，“路癡”在大城市生活的難度也大大提高。

在電網(wǎng)系統(tǒng)，想要實現(xiàn)全電網(wǎng)的時間源統(tǒng)一、時間源相互備份，建立集中統(tǒng)一的電力系統(tǒng)時間同步系統(tǒng)，是很重要的事情。

推進電力自動化，故障測距裝置、同步相量測量裝置、雷電定位系統(tǒng)、電子式互感器的合并單元等對時間同步精度要求在1微秒內(nèi)，沒有衛(wèi)星導航系統(tǒng)的“授時性”，就沒法保證時間的精確和一致，電網(wǎng)安全也得不到保障。

時間的精確這么重要嗎？

確實。因為導航的核心是時間測量。在由導航衛(wèi)星搭建的星地坐標系中，每個星座都有自己的坐標信息，通過測量我們與星座問的距離，就能解算出我們在該坐標系的位置。在信號傳播速度（光速）已知的前提下，時間測量越精密，位置解算就越精確。

在衛(wèi)星導航系統(tǒng)中，1納秒（十億分之一秒）的時間誤差將導致0.3米的距離誤差。要實現(xiàn)如此精密的時間測量，只有原子鐘能做到。原子鐘的計時表現(xiàn)為一種電磁波形式，通常聽不見，只有通過微波信號處理技術(shù)才能輸出。更重要的是，原子鐘是導航衛(wèi)星的心臟，如果原子鐘有1秒誤差，就意味著衛(wèi)星定位會偏離30萬公里。

北斗三號衛(wèi)星上配置的新一代國產(chǎn)原子鐘，精度比北斗二號上的原子鐘高出一個數(shù)量級，據(jù)稱300萬年只有1秒的誤差。就是說，從南方古猿開始到2020年的今天，原子鐘的誤差也只有1秒。

汶川地震救災時，北斗一代設(shè)備發(fā)出了來自震區(qū)的第一條消息。中國渤海、黃海、東海、南海等海域的數(shù)萬條漁船都已經(jīng)裝上了北斗終端。中國的各個超級工程，比如港珠澳大橋，都是靠衛(wèi)星定位建設(shè)，展現(xiàn)“中國速度”。世界主流手機芯片大都支持北斗系統(tǒng);共享單車配裝北斗系統(tǒng)實現(xiàn)定位管理;支持北斗系統(tǒng)的手表、手環(huán)、交通卡早已成了生活中的必需品。

夏季正是夜觀銀河的好時候。當你抬頭看見“北斗七星”時，記得天空上還有“北斗”在默默守望。