北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展歷程及應(yīng)用研究

高貝貝 魯同所 廖偲含

摘 要：北斗導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）是我國自主研發(fā)、獨立設(shè)計，秉承著開放自主、兼容漸進建設(shè)原則的一項高新技術(shù)成果。本文主要介紹了它的構(gòu)成，立項建設(shè)背景、研發(fā)歷程、特征性能、優(yōu)勢和應(yīng)用以及發(fā)展前景。BDS成功組網(wǎng)打破了GPS在我國市場應(yīng)用的壟斷地位，提升了我國在國際相關(guān)領(lǐng)域的話語權(quán)和影響力。BDS全面投入使用將不僅能夠推動我國信息技術(shù)方面的革新，而且還可以提高國內(nèi)各種資源的整體利用率和成果轉(zhuǎn)化率。

關(guān)鍵詞：BDS;北斗三號;衛(wèi)星;航天;定位

中圖分類號：V19 ?文獻標(biāo)識碼：A ?文章編號：1673-260X（2021）04-0037-07

0 引言

有人說中國“北斗”距全面趕超美國“GPS”只差一顆衛(wèi)星，2020年6月23日9時43分我們在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心實現(xiàn)了這個目標(biāo);換而言之，伴隨這一時刻的到來，已經(jīng)擁有55顆組網(wǎng)衛(wèi)星的北斗系統(tǒng)在亞太地區(qū)的精準度將達到前所未有的10cm，遠非精準度為30cm的美國GPS可比。在這個重要的歷史時刻，我們終于可以自豪地挺直中國航天的腰板。這意味著BDS（其軌道示意圖見圖1）完美完成發(fā)射任務(wù)并且成功組網(wǎng)。其實早在20世紀70年代我國便提出了有關(guān)北斗的構(gòu)想，因為“銀河號”事件的發(fā)生，直到1993年才正式提出了規(guī)劃，1994年北斗一號正式立項，由此開始了長達30年的研發(fā)歷程。在這30年里，面對GPS的快速發(fā)展和風(fēng)靡全球，我國全力攻克每一道難題，盡力修復(fù)系統(tǒng)缺陷，終于在2020年6月23日9時43分取得了巨大的突破。我們的在軌衛(wèi)星數(shù)量遠超他國，定位精度優(yōu)于其他系統(tǒng)，最重要的是，我們擁有其他國家不曾具備的優(yōu)勢——短報文通信[1]，可以在國際搜救、救災(zāi)行動中發(fā)揮重要作用。

1 什么是北斗導(dǎo)航系統(tǒng)

中國是繼美國、俄羅斯之后第三個自主研發(fā)出成熟的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的國家，現(xiàn)已成為聯(lián)合國衛(wèi)星委員會欽定的四大供應(yīng)商之一[1]。

“北斗”一詞來源于《尚書緯》，象征著希望和前進的方向[2]。BDS的標(biāo)志（如圖2）是一個正圓形圖案，遠看象一對點綴著北斗七星的太極陰陽魚，下方散布著網(wǎng)格化地球，周圍環(huán)繞著中英文名稱;圓形圖案寓意為中國傳統(tǒng)文化中的“圓滿”;藍色代表著航天事業(yè)。早在遠古時期，人們便用北斗七星來辨識方位，我國古代發(fā)明的司南[3]（如圖3）是世界上最早的導(dǎo)航裝置，這兩種方位識別方法的應(yīng)用彰顯了我國古人的智慧;網(wǎng)格化地球和中英文文字代表了BDS開放兼容的態(tài)度以及服務(wù)全球的愿景。

我國自主研發(fā)的BDS不僅是我國重要的空間基礎(chǔ)設(shè)施，還可以為全球用戶提供無間斷的定位、導(dǎo)航和計時服務(wù)。具體可分為開放服務(wù)和授權(quán)服務(wù)。BDS的徽章（如圖4）主要由三個部分組成：地球、司南和北斗七星。網(wǎng)格的下半部分代表相交的緯度和經(jīng)度即我們生活的地球，表明BDS正在構(gòu)建一個全球性的定位導(dǎo)航系統(tǒng)，寓意對未來的承諾和期望。網(wǎng)格上部波浪狀的圖案是指在戰(zhàn)國時期古中國所采用的導(dǎo)航裝置-司南。司南是由天然磁鐵礦制成的杓形物體，放置在標(biāo)有方向的光滑的銅板上，利用磁鐵指南的作用，可以識別方向。它是世界上最早的指南針。BDS徽章中包含司南元素一方面是為了突出中國導(dǎo)航的悠久歷史，另一方面也代表了BDS的基本職責(zé)即定位導(dǎo)航，指示人們前進的方向。

頂部印刷的是每個人都熟悉的星體組合——北斗七星（如圖5）。北斗七星在古代是指引人夜間行進的重要標(biāo)志，用在此處一則可以展示BDS作為人們的向?qū)Вt也反映了濃烈的民族色彩及自豪感。

BDS采用點位測量技術(shù)，利用3顆人造衛(wèi)星即可實現(xiàn)精準的導(dǎo)航、定位、授時等功能[3，4]，目前全球各國的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)均采用三球交匯定位原理[5，6]（如圖6），具體流程如下：

（1）地球上的北斗用戶接收機可以同時測量到3顆衛(wèi)星的距離。

（2）各衛(wèi)星的位置通過導(dǎo)航電文播發(fā)給用戶。

（3）以衛(wèi)星為球心，接收機到衛(wèi)星的距離為半徑畫球面。

（4）3個球面相交得兩個點，根據(jù)地理常識排除一個不合理點即得用戶位置。

值得注意的是，因為誤差的存在，3顆衛(wèi)星的定位并不是特別準確，這就需要3顆以上的衛(wèi)星來實現(xiàn)高精度的定位。

毫無疑問，BDS系統(tǒng)也采用了三球交匯原理進行建造設(shè)計，通過地面的控制中心進行數(shù)據(jù)解算，隨后向用戶提供坐標(biāo)數(shù)據(jù)。整個系統(tǒng)由三大部分組成：空間部分（人造衛(wèi)星）、地面部分（地面監(jiān)控站）與設(shè)備部分（衛(wèi)星信號接收設(shè)備）;空間段包括5顆靜止軌道衛(wèi)星和30顆非靜止軌道衛(wèi)星，地面段包括主控站等許多個地面站，用戶段包括北斗與其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)兼容的終端[7]。

2 北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的提出背景

2.1 國外催化

GPS（如圖7）是美國為監(jiān)控快速發(fā)展的蘇聯(lián)而聯(lián)系多位科學(xué)家研發(fā)的。為收回成本，各國必須高價購買才能得到使用權(quán)。GPS最早應(yīng)用在軍事領(lǐng)域，為防止提供方隨意更改編碼及錯亂定位，我國決心建立屬于自己的導(dǎo)航系統(tǒng)——BDS（如圖8）。

2.2 國內(nèi)需求

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)不僅能夠為全球的用戶提供24小時不間斷的高精度的導(dǎo)航、定位和授時服務(wù)，還可以拓展人類活動、促進社會發(fā)展，創(chuàng)造很高的經(jīng)濟效益。作為獨立自主的大國，建立專屬于本國的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)勢必能顯示其綜合國力，還能在世界上爭取更多話語權(quán)。

首先，從國家安全方面考慮，如果我們引進GPS，不僅要付出巨大代價接受美國的低版本服務(wù)，還得提防美國惡意操縱系統(tǒng)（延遲信息、虛假信息、關(guān)閉系統(tǒng)等）;建立自己的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，可以擺脫依賴，在未來戰(zhàn)爭中發(fā)揮主導(dǎo)作用，否則我們將會受制于人。具體事例如下：（1）1991年海灣戰(zhàn)爭時期美國充分利用GPS的精確制導(dǎo)圖像服務(wù)，僅用2顆導(dǎo)彈輕松的摧毀了伊拉克水電站。（2）在1993年“銀河號”事件中，美國為牽制我國，擅自關(guān)閉了我國的導(dǎo)航服務(wù)，致使“銀河號”迷失方向，被迫停留在海灣地區(qū)33天，使我國蒙受巨大損失[8]。（3）1999年印巴卡吉爾戰(zhàn)爭時期美國擅自關(guān)閉了印度在戰(zhàn)區(qū)的武器定位服務(wù)，使得印度的軍事武器失去作用。雖然印度最終取得了戰(zhàn)爭的勝利，但也遭受了較大傷亡。為避免這類事件再次上演，我國踏上了自制導(dǎo)航系統(tǒng)的道路。

其次，出于經(jīng)濟因素考慮，擁有專屬于本國的定位系統(tǒng)，不僅能夠優(yōu)先低價服務(wù)國人，讓我國相關(guān)行業(yè)應(yīng)用這種先進設(shè)備，發(fā)揮更大作用、創(chuàng)造更多的社會價值和物質(zhì)財富。此外，還可以將BDS遠銷國外，投入國際市場，參與國際競爭，賺取外匯，百利而無一害。

最后在技術(shù)層面上，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展永不停息，各國都在爭做先驅(qū)。一旦我們發(fā)展了自己的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，我們就有了相應(yīng)的技術(shù)儲備，這便意味著我們國家的科學(xué)技術(shù)水平領(lǐng)先于世界其他國家，在即將到來的科技大潮中可以搶占先機。

2.3 國際大勢

當(dāng)今世界主要有美國的GPS、中國的BDS、歐盟的GALILEO和俄羅斯的GLONASS四大系統(tǒng)。實際上其它國家也有獨立的、區(qū)域性的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，比如日本、印度等國家[9]。其中美國的GPS1973年啟動，1995年全面應(yīng)用，比其他導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展迅速且全面。20世紀90年代，GPS走進手機，開始普羅大眾。各國也在利用GPS創(chuàng)造更多的價值，隨著應(yīng)用范圍的擴展，GPS衍生產(chǎn)品已經(jīng)成功打入全球無線通信終端，并成為一項重要的產(chǎn)品，直接推動了GPS產(chǎn)品市場的快速發(fā)展。

國外衛(wèi)星領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展以及國內(nèi)迫切的市場需求，引起了政府的高度重視，最終決定研制屬于自己的導(dǎo)航系統(tǒng)，故此我國踏上了北斗之旅[10]。

3 北斗系統(tǒng)衛(wèi)星發(fā)射、研制歷程

其實早在20世紀70年代我國就提出BDS論證方案——“燈塔”計劃，與美國、蘇聯(lián)同期擁有構(gòu)想，后因為國內(nèi)外嚴峻的形勢，被迫暫停計劃。后又因為1993年“銀河號”事件的發(fā)生，我國決定重啟“燈塔”計劃（如圖9）。

1994年，中科院院士孫家棟與時任國防科工委副主任的沈榮駿聯(lián)名向國家提議此事，由此北斗一號工程正式立項，我國開始了漫長的研制工作[11]。俗話說萬事開頭難——1994年，改革開放不到20年，中國的經(jīng)濟基礎(chǔ)十分薄弱，資金有限、人才匱乏、技術(shù)經(jīng)驗不足，還面臨著美國和歐盟的技術(shù)禁運。顯然我們不可能一下子就建成整個系統(tǒng)，這注定會是一個漫長的探索過程。于是整個北斗計劃被調(diào)整為我們現(xiàn)在所看到的“三步走”[11，12]（如圖10）。

實際上從1994年至2007年，我國只發(fā)射了4顆試驗衛(wèi)星，僅覆蓋國內(nèi)，進行區(qū)域測試服務(wù)，目前三顆已停用，另一顆無法正常進行工作。其中2000年發(fā)射的兩顆靜止衛(wèi)星，實現(xiàn)了亞太區(qū)域性衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù);2003年和2007年各發(fā)射的一顆備份衛(wèi)星，進一步增強了系統(tǒng)性能，至此實現(xiàn)覆蓋國內(nèi)區(qū)域性定位服務(wù)。2007年北斗一號正式完工，這表明我國在軍事領(lǐng)域（戰(zhàn)術(shù)武器等）方面一定程度上已經(jīng)擺脫了對GPS的依賴。

由于自建衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)所需資金巨大，按照原計劃，我國只需研發(fā)出北斗一號應(yīng)用于亞太地區(qū)即可。在全球性應(yīng)用方面寄希望于與歐盟共同推出GALILEO系統(tǒng)，相比于GPS而言，GALILEO是一個優(yōu)先發(fā)展民用的系統(tǒng)，并不會與軍方有太多牽扯，面臨的軍事威脅大大降低，同時參與“GALILEO計劃”還可以讓我國學(xué)到更為先進的技術(shù)。2000年GALILEO立項;2003年我國率先加入該項目，投資超2億歐元，并迅速成立了中歐衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)培訓(xùn)合作中心。然而，造價僅僅相當(dāng)于一個歐洲中型機場的GALILEO系統(tǒng)進展很不順利，歐盟麾下各國明爭暗斗，導(dǎo)致這個項目被不斷推遲。雖然中國是投資方卻被不斷排擠，歐盟很多核心技術(shù)的研究都把中國排除在外。因此中國果斷決定：自己干！

于是北斗二號開始了緊鑼密鼓的研發(fā)，中國正式踏上建設(shè)第二代北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（北斗二號）的征途[13]。在攻克了原子鐘的核心技術(shù)難題之后，中國又在與歐盟GALILEO的頻率之爭中拔得頭籌——當(dāng)時國際電信聯(lián)盟分配給衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的頻率資源是有限的，其分配原則是先發(fā)先得，在GPS與GLONASS先后占據(jù)最優(yōu)頻率后，北斗與GALILEO同擂競爭次優(yōu)頻率。在攻克了種種難關(guān)之后，我們最終先于GALILEO將衛(wèi)星發(fā)射升空，保住了這來之不易的寶貴頻率。到了2012年，我們已經(jīng)成功發(fā)射了16顆衛(wèi)星，對亞太地區(qū)實施了全覆蓋。尤其是在2012年4月30日4時50分，我國突破了技術(shù)的限制，首次以“一箭雙星”的方式發(fā)射了兩顆衛(wèi)星。相較于北斗一號，北斗二號不僅囊括了北斗一號原有的系統(tǒng)技術(shù)，還增加了許多性能，比如無源定位體制。在北斗二號的建設(shè)與運行過程中，我們積累了大量的技術(shù)和經(jīng)驗，于是有了更大的想法，即把北斗送出國門，送出亞太，投向世界。

2009年在北斗二號第二顆衛(wèi)星發(fā)射的同時，北斗三號正式啟動建設(shè)。2017年11月5日北斗三號進行了首次發(fā)射，標(biāo)志著BDS系統(tǒng)開始步入全球組網(wǎng)時代[14]。2018年12月27日，北斗三號系統(tǒng)基本建設(shè)完成，預(yù)備開始提供全球服務(wù)。2020年6月23日9時43分發(fā)射的最后一顆北斗組網(wǎng)衛(wèi)星，是北斗三號第32顆衛(wèi)星，同時也是第55顆北斗全球組網(wǎng)衛(wèi)星。至此，整個北斗系列共發(fā)射了59顆衛(wèi)星（如圖11），它們分別分布在地球靜止軌道（GEO）、傾斜地球同步軌道（IGSO）和中圓地球軌道（MEO）[15]。

“三步走”北斗系統(tǒng)的具體情況與對比如表1。

4 北斗系統(tǒng)的特點優(yōu)勢

BDS不僅具備其他系統(tǒng)都有的功能，還擁有自己鮮明的特征（如圖12）即它由三種軌道組成[15]。通過三種軌道上的衛(wèi)星相互配合，BDS就像是太空中的一張大網(wǎng)，它不僅能夠覆蓋全球，還提供了高精度的定位和導(dǎo)航服務(wù)。近年來我國及周邊地區(qū)相繼增加了IGSO衛(wèi)星，這不僅可以使局部區(qū)域?qū)Ш焦β市盘栐鰪?，還能進一步提高我國周邊及亞太地區(qū)的導(dǎo)航精度。三種不同軌道的衛(wèi)星各司其職、優(yōu)勢互補，形成具有國家特色的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。

由于種種原因，我國不可能像美國GPS那樣，在全球建立地面站。為解決境外衛(wèi)星的數(shù)據(jù)傳輸通道問題，BDS又最先采用了一個獨特的新設(shè)計——星間鏈路[14]，它不僅解決了在全球建地面站的難題，還將其精度提升了兩倍。

5 其他導(dǎo)航系統(tǒng)及性能參數(shù)對比

目前全球有四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（如圖2，圖13），其中美國的GPS一經(jīng)問世便以其高精度、全天候、全球覆蓋、方便靈活的特質(zhì)吸引眾多用戶，其綜合定位精度可達厘米毫米級別，在全球范圍內(nèi)覆蓋;而歐洲的GALILEO是從1978年開始制定計劃，是世界上第一個優(yōu)先考慮民用的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，有“歐洲GPS”之稱，但其系統(tǒng)性能一般，曾在2019年下半年因系統(tǒng)故障，被迫中止服務(wù)一個多月;俄羅斯的GLONASS可追溯至蘇聯(lián)時期，后因蘇聯(lián)解體，該計劃由俄羅斯接手，原定2007年年底投入使用、2009年年底拓展至全球，但終因資金不足等因素，GLONASS計劃至今仍在研制階段，它們與BDS之間的性質(zhì)參數(shù)對比如下（見表2）。

6 應(yīng)用領(lǐng)域

衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)（如圖14），早些年GPS一家獨大，占市場比重過大，近些年隨著BDS、GALILEO及GLONASS的逐步發(fā)展完善，GPS的市場份額逐步降低，BDS的比重也在穩(wěn)步增加，應(yīng)用領(lǐng)域也在拓寬。

北斗產(chǎn)業(yè)也應(yīng)用于其它方面，依據(jù)不同的定位精度（1mm-100m）劃分出了大眾消費市場和高精度專業(yè)應(yīng)用市場（如圖15）;主要劃分為三個層次：國防應(yīng)用、行業(yè)應(yīng)用以及大眾消費應(yīng)用。其中國防應(yīng)用涉及到對船舶、汽車、飛機、潛艇等運動物體進行定位導(dǎo)航[16]以及水上排雷定位等;行業(yè)應(yīng)用涉及經(jīng)濟安全等方面，比如農(nóng)業(yè)監(jiān)控、森林調(diào)查、土地測量、車輛導(dǎo)航、城市智能交通等相關(guān)領(lǐng)域，北斗產(chǎn)業(yè)成熟后將在專業(yè)應(yīng)用中具有巨大發(fā)展空間（見表3）。

而在大眾消費應(yīng)用市場方面，主要包括個人導(dǎo)航服務(wù)、道路智能導(dǎo)航應(yīng)用、應(yīng)急救援、危險品（貴重物品）運輸以及精細化應(yīng)用等板塊。

7 研究意義及發(fā)展前景

我國衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)正迎來大規(guī)模爆發(fā)性發(fā)展契機，目前我國相關(guān)領(lǐng)域企業(yè)數(shù)高達1.4萬家，從業(yè)人數(shù)超50萬;截至2019年年底，專利申請量累計已達到74897件，高居全球第一位;2019年我國衛(wèi)星導(dǎo)航與位置服務(wù)產(chǎn)業(yè)總體產(chǎn)值達3450億元，較2018年增長14.4%（見圖15）[17]。據(jù)發(fā)改委規(guī)劃，2020年市場規(guī)模將達4000億元[17]，截至2020年8月27日北極北斗產(chǎn)業(yè)規(guī)模已超500億元[22]。

如果說，冷戰(zhàn)時期的大國地位是靠原子彈決定的，那么21世紀初的大國地位很可能是靠原子鐘來決定的[18]。幸運的是，中國已經(jīng)成為世界上第三個在太空部署原子鐘的國家，它不僅將是無處不在的向?qū)?，更將意味著?biāo)準、影響力以及制定游戲規(guī)則的權(quán)利[19]。普天之下，北斗照耀。

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