北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)： 將中國時空信息掌握在自己手中

本報(bào)記者 何 亮 付毅飛

“2020年，北斗系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)鏈國內(nèi)產(chǎn)值已超4000億元，海外應(yīng)用加速落地，已在全球120多個國家和地區(qū)得到應(yīng)用……”5月26日，第十二屆中國衛(wèi)星導(dǎo)航年會在南昌開幕，當(dāng)中國衛(wèi)星導(dǎo)航委員會主席何玉彬談到北斗系統(tǒng)的應(yīng)用成績時，臺下響起陣陣掌聲。

去年7月31日，中國向全世界鄭重宣告，中國自主建設(shè)、獨(dú)立運(yùn)行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)全面建成，開啟了高質(zhì)量服務(wù)全球、造福人類的嶄新篇章。

至此，中國北斗正式登上世界舞臺，站在了我國用實(shí)際行動積極推動構(gòu)建人類命運(yùn)共同體的“第一梯隊(duì)”。

　　走出符合國情的“北斗節(jié)奏”

2020年6月23日上午，四川大涼山腹地，長征運(yùn)載火箭托舉著第55顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星“吉星”穿云而去，奔向太空。隨著“吉星”在北斗三號組網(wǎng)“大棋局”的落子定盤，北斗三號30顆組網(wǎng)衛(wèi)星已全部到位，星座部署全面完成。

1970年11月，在“東方紅一號”衛(wèi)星發(fā)射后的6個月，中國第一份研制導(dǎo)航衛(wèi)星的論證報(bào)告完成。當(dāng)時已經(jīng)做出樣星的導(dǎo)航系統(tǒng)，有著一個生動的代號——“燈塔計(jì)劃”。雖然最終因技術(shù)方向轉(zhuǎn)型、財(cái)力有限等原因終止，但它卻如同黑夜中的明燈，以十余年的設(shè)計(jì)和研制，為北斗衛(wèi)星積累了寶貴的工程經(jīng)驗(yàn)。

1983年，以陳芳允院士為代表的專家學(xué)者，提出了利用2顆地球同步軌道衛(wèi)星來測定地面和空中目標(biāo)的設(shè)想。經(jīng)過大量理論和技術(shù)研究工作，“雙星定位”系統(tǒng)概念逐步明晰。

其實(shí)，為了驗(yàn)證“雙星定位”的可行性，陳芳允帶領(lǐng)研究小組在新疆、廣西和北京的衛(wèi)星測控站，利用午夜0至2時之間兩顆通訊衛(wèi)星的空余時段進(jìn)行試驗(yàn)。一張拍攝于1989年9月25日的照片，記錄了中國第一次成功利用兩顆衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)定位的功能演示。

當(dāng)時對于要不要立即啟動耗資巨大的導(dǎo)航衛(wèi)星工程，仍有諸多因素需要考慮，認(rèn)識的轉(zhuǎn)變發(fā)生在1990年。當(dāng)年震撼世界的海灣戰(zhàn)爭在全世界的注視下打響，美國GPS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)第一次以武器制導(dǎo)的形式大獲成功，在總結(jié)報(bào)告中，美國人將海灣戰(zhàn)爭歸結(jié)為“GPS的勝利”。中國與世界都從這場現(xiàn)代戰(zhàn)爭中感受到了擁有導(dǎo)航衛(wèi)星的重要性。

1994年2月，一份名為關(guān)于印發(fā)雙星導(dǎo)航定位系統(tǒng)工程立項(xiàng)報(bào)告的通知，標(biāo)志著北斗一號正式上馬。這一年，已經(jīng)65歲的孫家棟被任命為工程的總設(shè)計(jì)師。

此前，美國和俄羅斯都選擇一步到位直接建造全球?qū)Ш较到y(tǒng)的模式。但早期的北斗工程科研經(jīng)費(fèi)、技術(shù)基礎(chǔ)、人才隊(duì)伍均十分匱乏，中國必須尋找一條全新的技術(shù)路徑。隨著實(shí)踐與摸索的深入，最終，“先區(qū)域、后全球”的思路被確定下來，“三步走”的北斗之路由此鋪開。參與了技術(shù)路線討論的北斗一號衛(wèi)星總設(shè)計(jì)師范本堯院士后來評價說：“全球組網(wǎng)需要大量的時間和資金。當(dāng)時用戶還集中在國內(nèi)、周邊，因此‘先區(qū)域、后全球’的技術(shù)途徑更符合中國國情。”

從1994年開始，北斗一號逐步從圖紙變成真正的衛(wèi)星。2000年10月和12月，兩顆北斗一號衛(wèi)星先后進(jìn)入太空預(yù)定軌道，這標(biāo)志著中國成為繼美國、俄羅斯之后，第三個擁有衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的國家。

剛剛擁有雛形輪廓的北斗，很快因?yàn)橐豁?xiàng)特殊任務(wù)讓人們理解它的巨大價值。2008年5月12日，汶川大地震的震波環(huán)繞了地球6圈，汶川、映秀等地的通訊瞬間中斷。數(shù)小時后，一支攜帶北斗終端的救援隊(duì)伍，通過北斗短報(bào)文技術(shù)將消息傳遞出來，北斗成為震區(qū)當(dāng)時唯一的通訊方式，大大加快了救援的效率。

北斗一號擁有其他導(dǎo)航系統(tǒng)沒有的短報(bào)文功能，恰好是因?yàn)樯鲜兰o(jì)80年代的“雙星定位”試驗(yàn)是由通訊衛(wèi)星完成的。

　　打一場漂亮的“翻身仗”

由于起步較晚，當(dāng)北斗一號衛(wèi)星升空時，地球上空80%的“黃金導(dǎo)航頻段L頻段”絕大部分已經(jīng)被美國和俄羅斯占據(jù)。

2000年4月17日，中國向國際電信聯(lián)盟提出頻段申請，同年6月5日，歐盟伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)也提出了申請。國際電信聯(lián)盟批準(zhǔn)了一小段頻率供各國平等競爭，使用規(guī)則是從申請日期開始計(jì)算，7年內(nèi)完成衛(wèi)星發(fā)射入軌和信號接收，“先用先得”“逾期作廢”。 這意味著，剛剛起步的北斗二號必須直面一場與時間的賽跑。

2005年北斗二號衛(wèi)星的研制生產(chǎn)已經(jīng)進(jìn)入最緊張的階段，可供衛(wèi)星使用的國產(chǎn)銣原子鐘卻依然與實(shí)際需求存在差距。

星載原子鐘為導(dǎo)航衛(wèi)星提供時間頻率基準(zhǔn)，是“心臟”般重要的核心部件，它是決定衛(wèi)星定位和授時精度的基礎(chǔ)。本打算從歐洲引進(jìn)核心器部件星載原子鐘，然而國際合作道路卻屢屢受限。這也堅(jiān)定了北斗人堅(jiān)持關(guān)鍵技術(shù)自主可控的決心，我國組織了3家單位同時著手攻關(guān)，終于攻克這項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)！

2007年4月14日，搭載了“中國鐘”的北斗二號系統(tǒng)首顆衛(wèi)星發(fā)射升空。為了保住頻段，衛(wèi)星必須在88小時內(nèi)傳回信號，而在軌調(diào)試通常需要7天。一直等到4月17日晚8時，接收機(jī)界面突然跳動，北斗二號在發(fā)射后80多個小時之后，終于傳回了第一組清晰的信號。此時，距離國際電信聯(lián)盟規(guī)定的頻率啟用最后時限已不到4個小時。中國北斗幾乎是在大門即將徹底關(guān)閉的最后一剎那，擠進(jìn)了全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的俱樂部。

至此，一路蹣跚卻勇敢向前的北斗終于開始迸發(fā)出一股磅礴的力量。從2017年11月開始，中國以百分百的成功率在32個月中發(fā)射了30顆北斗三號組網(wǎng)星和2顆北斗二號備份星，以月均一顆星的速度創(chuàng)造了世界導(dǎo)航衛(wèi)星組網(wǎng)發(fā)射的新紀(jì)錄。

今天的北斗三號繼承并發(fā)展了北斗特色的混合星座設(shè)計(jì)，擁有世界領(lǐng)先的星間鏈路和信號體制，全部配備國產(chǎn)高精度星載原子鐘，核心器部件百分百自主可控，衛(wèi)星壽命10年以上，定位精度優(yōu)于10米，授時精度優(yōu)于20納秒，可以為全球提供定位、導(dǎo)航、授時、以及星基增強(qiáng)、地基增強(qiáng)、短報(bào)文通信、精密單點(diǎn)定位、國際搜救等多樣化服務(wù)。

　　讓美好的想象成為現(xiàn)實(shí)

北斗已經(jīng)構(gòu)成了一個環(huán)繞地球的導(dǎo)航星座，由30顆北斗三號衛(wèi)星、15顆北斗二號衛(wèi)星以及許多個試驗(yàn)衛(wèi)星和備份星共同在軌組成。它們各自飛行在不同高度、不同角度的太空軌道。在人們的日常生活中，使用北斗導(dǎo)航的場景幾乎無處不在。

汽油和液化天然氣的輸送有著極高的危險性。我國每年通過道路運(yùn)輸?shù)奈ｋU品超過4億噸，這占年貨運(yùn)總量的30%以上?；诒倍穼?dǎo)航技術(shù)的終端設(shè)備全程監(jiān)測車輛的精確位置，記錄行駛軌跡。當(dāng)車輛偏離預(yù)定路線或出現(xiàn)異常時，監(jiān)控中心將及時發(fā)出警報(bào)。車輛所在位置的天氣、路況、運(yùn)行狀態(tài)都可以掌控，甚至實(shí)現(xiàn)主動干預(yù)和智能控制，有效降低潛在危險和事故危害。

在上海洋山深水港，最新啟動的“5G+L4級智能駕駛重卡”示范運(yùn)營應(yīng)用了北斗系統(tǒng)。它的高精度導(dǎo)航定位實(shí)現(xiàn)了重型卡車一次性精準(zhǔn)停車、近距離自動列隊(duì)行駛，提升了洋山港智能轉(zhuǎn)運(yùn)效率和東海大橋行駛能力，讓人們感受到無人駕駛時代的氣息。

北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的精準(zhǔn)授時功能讓中國人把時間這一物質(zhì)周期變化的規(guī)律掌握在自己手里。

每顆北斗衛(wèi)星都裝載著高精度原子鐘，通過原子躍遷計(jì)時，代表了目前人類對精準(zhǔn)時間計(jì)算的極致。每天上午6:10，京張高鐵動車組準(zhǔn)時出站。這是中國第一條智能高鐵，出發(fā)、過站和抵達(dá)，與列車時刻表是否相符，考驗(yàn)著對時間的精準(zhǔn)把控。在每小時350公里的最高速度下，以北斗授時為基準(zhǔn)，京張高鐵實(shí)現(xiàn)運(yùn)行、故障、通信和自動化程序的時間同步，列車自帶的北斗多合一天線，將列車的時間位置等信息進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控。

如今，北斗系統(tǒng)已全面服務(wù)交通運(yùn)輸、公共安全、救災(zāi)減災(zāi)、農(nóng)林牧漁、城市治理等各行各業(yè)，融入電力、金融、通信等國家核心基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，與新一代通信、區(qū)塊鏈、互聯(lián)網(wǎng)、人工智能等新技術(shù)深度融合，不斷將美好的想象變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。

　　打造北斗“朋友圈”

站在全人類角度守望和平安全、為人類社會發(fā)展提供支撐保障，是中國北斗義不容辭的使命職責(zé)。

近年來，隨著服務(wù)能力的增強(qiáng)，北斗系統(tǒng)積極融入世界事務(wù)、履行國際職責(zé)，先后進(jìn)入多個國際組織標(biāo)準(zhǔn)，國際民航組織認(rèn)可北斗為全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)四大核心星座之一。支持北斗三號全球新信號的首個移動通信國際標(biāo)準(zhǔn)已發(fā)布，首個北斗船載終端檢測標(biāo)準(zhǔn)已由國際電工委員會向全球公布，國際海事組織認(rèn)可北斗系統(tǒng)為全球無線電導(dǎo)航系統(tǒng)，國際搜救組織正在對北斗三號搭載的搜救載荷開展標(biāo)準(zhǔn)文件制定和入網(wǎng)測試……

黨的十八大以來，作為航天科技產(chǎn)品輸出排頭兵，北斗系統(tǒng)積極響應(yīng)“一帶一路”倡議走出國門，根據(jù)不同國家、不同行業(yè)的不同需求，提供定制服務(wù)，逐漸成為叫得響的“世界品牌”。

2013年，緬甸使用了500余臺高精度北斗終端，這是北斗高精度產(chǎn)品首次在東南亞國家批量應(yīng)用于農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)采集、土地精細(xì)管理。2015年，基于北斗系統(tǒng)的高精度接收機(jī)應(yīng)用于科威特國家銀行總部300米高摩天大樓建設(shè)，實(shí)現(xiàn)了施工過程中垂直方向毫米級測量誤差。這是北斗首次在海外應(yīng)用于高層建筑監(jiān)測。2018年，北斗系統(tǒng)參與馬爾代夫阿拉赫島海上打樁項(xiàng)目，提供全天候、高精度服務(wù)，實(shí)現(xiàn)海上打樁智能化監(jiān)控、可視化作業(yè)、高精度施工。北斗系統(tǒng)走進(jìn)俄羅斯，西伯利亞電力巡線實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場人員與管理中心雙向互動，這可以及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備缺陷和危及線路安全的隱患，保證輸配電線路安全和電力系統(tǒng)穩(wěn)定。北斗“駛?cè)?rdquo;歐洲，在中歐班列上，北斗終端裝在集裝箱上，可實(shí)時記錄列車及貨品的運(yùn)行軌跡，定位精度10米以內(nèi)，實(shí)現(xiàn)全程跟蹤無縫中轉(zhuǎn)。

新時代，作為我國一張亮麗名片，中國北斗將不負(fù)重托，為構(gòu)建人類命運(yùn)共同體、推動人類社會發(fā)展作出更大貢獻(xiàn)。

如今，北斗系統(tǒng)已全面服務(wù)交通運(yùn)輸、公共安全、救災(zāi)減災(zāi)、農(nóng)林牧漁、城市治理等各行各業(yè)，融入電力、金融、通信等國家核心基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，與新一代通信、區(qū)塊鏈、互聯(lián)網(wǎng)、人工智能等新技術(shù)深度融合，不斷將美好的想象變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。