卫星导航系统(卫星导航)

“2020年，北斗系统产业链国内产值突破4000亿元，海外应用加快推进，已在全球120多个国家和地区应用……”5月26日，第十二届中国卫星导航年会在南昌开幕。当中国卫星导航委员会主席何玉斌谈到北斗系统的应用成果时，台下响起了阵阵掌声。

去年7月31日，中国向全世界庄严宣布，由中国自主建设运营的全球卫星导航系统全面建成，开启了向全球提供优质服务、造福人类的新篇章。

至此，中国北斗正式走上世界舞台，站在了我国以实际行动积极推动的人类共享未来共同体的“第一梯队”。

走出符合国情的“北斗节奏”

2020年6月23日上午，四川大凉山腹地，长征运载火箭载着第55颗北斗导航卫星“吉星”穿过云层，向着Tai 空进发。随着北斗三号组网“大棋局”中“吉星”的设定，北斗三号30颗组网卫星已全部到位，星座部署全面完成。

1970年11月，东方红一号卫星发射半年后，我国第一份导航卫星研制论证报告完成。当时原型星的导航系统已经做出来了，有一个形象的代号——“灯塔工程”。虽然最终因技术方向转型、财力有限而终止，但却像黑暗中的一盏明灯。十几年的设计研发，为北斗卫星积累了宝贵的工程经验。

1983年，以陈芳允院士为代表的专家学者提出了利用两颗地球同步轨道卫星测量地面和空目标的设想。经过大量的理论和技术研究工作，“二星定位”系统的概念逐渐清晰。

实际上，为了验证“双星定位”的可行性，陈芳允带领研究团队在新疆、广西和北京的卫星监测站进行实验，利用两颗通信卫星在午夜0点到2点之间的空空闲时间。1989年9月25日拍摄的一张照片记录了我国首次成功的两颗卫星定位演示。

当时关于是否立即启动耗资巨大的导航卫星项目还有很多因素需要考虑，认识的转变发生在1990年。当时震惊世界的海湾战争就在全世界的眼皮底下打响了。美国GPS全球卫星定位系统首次以武器制导的形式获得巨大成功。在总结报告中，美国人将海湾战争归功于“GPS的胜利”。中国和世界都从这场现代战争中感受到了拥有导航卫星的重要性。

1994年2月，《关于发布双星导航定位系统项目报告的通知》标志着北斗一号正式发射。今年，65岁的孙家栋被任命为该项目的总设计师。

此前，美国和俄罗斯都选择直接一步到位建设全球导航系统。但前期北斗工程的科研经费、技术基础、人才队伍都非常匮乏，中国必须找到一条全新的技术路径。随着实践探索的深入，最终确定了“先区域，后全球”的思路，铺开了“三步走”的北斗之路。参与技术路线讨论的北斗一号卫星总设计师范本耀院士后来评价说:“全球组网需要大量的时间和金钱。当时用户还是集中在国内和周边，所以‘先区域后全球’的技术途径更符合中国国情。”

从1994年开始，北斗一号逐渐从图纸变成了真正的卫星。2000年10月和12月，两颗北斗一号卫星相继进入预定轨道Taitai 空，这标志着中国成为继美国和俄罗斯之后第三个拥有卫星导航定位系统的国家。

刚刚有了雏形的北斗，因为一项特殊的任务，迅速让人们明白了它的巨大价值。2008年5月12日，汶川地震的冲击波绕地球六圈，汶川与映秀的通讯瞬间中断。几个小时后，一支携带北斗终端的救援队通过北斗短信技术传递了消息。北斗成为当时震区唯一的通信方式，大大加快了救援效率。

北斗一号具有其他导航系统不具备的短报文功能，正是因为上世纪80年代的“双星定位”实验是由通信卫星完成的。

打一场漂亮的“翻身仗”

由于起步较晚，当北斗一号卫星上升到空时，地球上空 80%“黄金导航频段L频段”的大部分已经被美俄占据。

2000年4月17日，中国向国际电信联盟申请频段，同年6月5日，欧盟的伽利略卫星导航系统也提出申请。国际电信联盟已经批准了一个短频率，供所有国家平等竞争。使用规则是从申请之日起，7年内完成卫星发射和信号接收，“先到先得”、“过期作废”。这意味着，刚刚起步的北斗二代，必须面对一场与时间的赛跑。

2005年，北斗二号卫星的研制生产已进入最紧张的阶段，但国产可供卫星使用的铷原子钟与实际需求仍有差距。

为导航卫星提供时间和频率参考的星上原子钟，是类似“心脏”的重要核心部件，是决定卫星定位和授时精度的基础。本打算从欧洲引进星载原子钟的核心部件，但国际合作之路屡屡受限。这也坚定了北斗人坚持关键技术自主可控的决心。中国组织三支部队同时攻关，终于攻克了这一关键技术！

2007年4月14日，搭载“中国钟”的北斗二号系统首颗卫星L 空发射升空。为了保留频段，卫星必须在88小时内发回信号，而在轨调试通常需要7天。直到4月17日晚上8点，接收器的界面突然跳了一下。发射80多个小时后，北斗二号终于发回了第一组清晰的信号。此时距离国际电信联盟规定的频率激活截止时间不到4个小时。中国北斗几乎是在大门即将完全关闭的最后一刻挤进全球卫星导航系统俱乐部的。

至此，勇往直前蹒跚前行的北斗终于开始在generate中发挥出磅礴的力量。自2017年11月以来，中国在32个月内以100%的成功率发射了30颗北斗三号组网卫星和2颗北斗二号备份卫星，创下了平均每月一颗卫星的世界导航卫星组网发射新纪录。

今天的北斗三号继承和发展了具有北斗特色的混合星座设计。拥有世界领先的星间链路和信号系统，全部配备国产高精度星载原子钟。核心部件100%自主可控。卫星寿命10年以上，定位精度优于10米，授时精度优于20纳秒。可提供全球定位、导航、授时、星基增强、地面增强、短消息通信、精确单点定位、国际搜救等。

让美好的想象成真。

北斗已经形成了环绕地球的导航星座，由30颗北斗三号卫星、15颗北斗二号卫星和许多在轨试验和备份卫星组成。它们以不同的高度和角度在Tai 空的轨道上飞行。在人们的日常生活中，使用北斗导航的场景几乎无处不在。

而汽油和液化天然气的运输是极其危险的。我国每年通过公路运输的危险品超过4亿吨，占年货运量的30%以上。基于北斗导航技术的终端设备监控车辆的准确位置，记录行驶轨迹。当车辆偏离预定路线或出现异常时，监控中心会及时报警。可以控制天气、路况、车辆运行状态，甚至可以实现主动干预和智能控制，可以有效减少潜在的危险和事故。

在上海洋山深水港，新启动的“5G+L4智能驾驶重卡”示范运营应用了北斗系统。其高精度导航定位实现了重型卡车的一次性精准停放，近距离自动行进，提高了洋山港的智能换乘效率和东海大桥的通行能力，让人感受到无人驾驶时代的气息。

北斗卫星系统的精确授时功能让中国人将时间这一物质周期变化的规律掌握在自己手中。

每颗北斗卫星都装载了高精度原子钟，以原子跃迁计时，代表了目前人类精确计算时间的极致。每天早上6点10分，京张高铁动车组准时出站。这是中国第一条智能高速铁路。发车、停靠、到站与列车时刻表保持一致，考验对时间的精准把控。最高时速350公里，基于北斗授时，京张高铁实现运营、故障、通信、自动化程序时间同步。火车自带的北斗一体天线实时监控火车的时间和位置。

如今，北斗系统已经全面服务于交通运输、公共安全、救灾减灾、农林牧渔、城市治理等各行各业。，融入电力、金融、通信等国家核心基础设施建设，与新一代通信、区块链、互联网、人工智能等新技术深度融合，不断将美好的想象变为现实。

打造北斗“朋友圈”

站在全人类的角度守望和平与安全，为人类社会发展提供支撑，是中国北斗义不容辞的责任。

近年来，随着服务能力的增强，北斗系统积极融入世界事务，履行国际责任，相继进入多个国际组织的标准。国际民航组织认定北斗为全球卫星导航系统四大核心星座之一。首个支持北斗三号全球新信号的国际移动通信标准已经发布，国际电工委员会全球发布了首个北斗船载终端检测标准。国际海事组织已将北斗系统确认为全球无线电导航系统，国际搜救组织正在制定标准文件，并测试北斗三号携带的搜救有效载荷…

党的十八大以来，作为航天科技产品出口的排头兵，北斗系统积极响应“一带一路”倡议，走出国门，根据不同国家和行业的不同需求，提供定制化服务，逐步成为家喻户晓的“世界品牌”。

2013年，缅甸使用了500多台高精度北斗终端。这是北斗高精度产品首次批量应用于东南亚国家的农业数据采集和土地精细管理。2015年，基于北斗系统的高精度接收机应用于科威特国家银行总部300米高的摩天大楼施工中，实现了施工过程中垂直方向的毫米级测量误差。这是北斗在海外首次应用于高层建筑监控。2018年，北斗系统参与马尔代夫阿拉赫岛海上打桩项目，提供全天候、高精度服务，实现海上打桩智能监控、可视化作业、高精度施工。北斗系统入俄，西伯利亚电力线路巡视实现现场人员与管理中心双向互动，可及时发现危及线路安全的设备缺陷和隐患，确保输配电线路安全和电力系统稳定。北斗“启航”欧洲，在中欧班列上，集装箱上安装北斗终端，可以实时记录列车和货物的运行轨迹，定位精度小于10米，实现全程无缝中转。

新时代，中国北斗作为中国的一张亮丽名片，将不负重托，为构建人类命运共同体、推动人类社会发展做出更大贡献。

如今，北斗系统已经全面服务于交通运输、公共安全、救灾减灾、农林牧渔、城市治理等各行各业。，融入电力、金融、通信等国家核心基础设施建设，与新一代通信、区块链、互联网、人工智能等新技术深度融合，不断将美好的想象变为现实。(何亦菲)

来源:科技日报