北斗廿年 艱辛與榮耀并肩

北斗廿年 艱辛與榮耀并肩

“一個國家只有擁有自主知識產權、獨立自主控制的衛星導航定位系統，才能保障國家安全。”北斗導航衛星系統總設計師孫家棟說。

1994年，“北斗導航試驗衛星”系統研制、建設全面啟動。從無到有，以孫家棟為總設計師的中國頂尖科學家們，在烏云翻滾、電閃雷鳴間隙發射北斗衛星，在茫茫太空尋找丟失的衛星，驚心動魄中創造奇跡。

迄今，北斗廿年。從“天上放衛星”，到“地上用衛星”，從曾經的“最高機密”，到今日向民用市場推廣使用，中國人的“北斗夢”逐漸豐滿壯大。

僅以2014年為例，隨著北斗海外位置服務項目成功落戶巴基斯坦，北斗海事國際標準獲得認可，國內自主研發北斗芯片僅一季度累計出貨200萬片有余，具備北斗定位功能手機4000余萬部投放市場……北斗衛星導航系統建設和應用如火如荼。

國家安全不能受制于人

41年前，美國軍方率先開始被稱作“全球定位系統”（GPS）的研制。

“GPS最初在國內的應用是從上世紀90年代初開始的，主要在地殼監測、氣象監測和專業測量等方面有應用，到本世紀初方逐漸應用到車載導航和高精度專業領域，并逐漸占領中國衛星導航定位市場近95%的超高份額。”南方測繪集團技術管理中心總監李耀忠說。

然而，1985年華盛頓“GPS全球定位系統國際運用研討會”上，美國軍方也曾明確表示，特殊情況下，為保證國家安全，美軍方將考慮采取降低對方導航精度、隨時變換GPS編碼及進行區域性管理等三種措施應對緊急狀況。

一種想象不免令人時常不安。假如在關鍵時刻美國人關掉GPS，或者“動點手腳”，中國的戰略武器怎么辦？飛機怎么辦？路癡們怎么辦？事實上，這已經不只是想象和擔心，早已有先例可循。

1991年1月17日至2月28日，以美國為首的多國聯盟在聯合國安理會授權下，為恢復科威特領土完整，對伊拉克發起局部戰爭。依托于GPS衛星導航系統的高科技武器重新定義現代化高科技戰爭，其所發揮出的高效率，為戰爭帶來前所未有之壓倒性優勢的同時，更為世人帶來極大震撼。

1996年臺海危機，一次大規模中國軍演中，二炮曾向臺灣近海發射彈道導彈，第一枚就打出了精度較好的成績，越島命中目標。“但是，第二枚導彈發射時，美國實施GPS信號中斷干擾，導彈發射結果竟然差了2.6公里。”

“真正使我們下定決心研制自己的衛星導航系統源于1999年美國轟炸我國駐南聯盟大使館事件。”李耀忠猶記得，當時美國使用了多種與GPS相關的先進武器，包括巡航導彈、GPS炸彈、激光制導炸彈等。“我們感受到美國人的為所欲為帶給中國人的恥辱，更感受到前所未有的巨大軍事差距所帶來透不過氣的壓力，發展自己的北斗衛星導航系統迫在眉睫。”

“一個國家只有擁有自主知識產權、獨立自主控制的衛星導航定位系統，才能保障國家安全。”北斗導航衛星系統總設計師孫家棟說。

于是，1986年提出并開始預研、1994年獲得國務院立項的北斗一代“雙星定位”系統加快了研發步伐。

2000年10月31日，北斗一號01星發射升空；

2000年12月21日，北斗一號02星發射；

2003年5月25日備份星03星發射，用于系統備份和差分定位優化；

2003年12月15日，中國第一代衛星導航系統——北斗一代系統正式開通運行。服務性能包括四個方面，授權服務、公開服務、廣域差分和短報文服務。

“北斗一代系統解決了有和沒有的問題，系統的優缺點都很明顯。”李耀忠指出，北斗一代系統優勢在于可對定位用戶和定位行為進行管理，具有雙向數字報文通信能力，在汶川地震救災行動中發揮出重大作用。

可是，上世紀90年代的中國，經濟基礎仍然薄弱，太空夢想微小而低調。這個被命名為“北斗”的計劃，誕生之初并未著眼于全球。北斗一代系統只覆蓋亞太區域，定位精度低，過于依賴地面站參與定位，用戶數目有限，定位終端重量大、信號強、耗電多的“硬傷”也導致系統適裝性差并容易暴露。

為了使步子更穩健，同時也根據國家建設與急需，北斗導航系統的研發之初并沒有考慮全球化規劃。而解決有無問題后，基于國家安全和衛星導航產業發展的考量，我國需要建設自己的全球衛星導航系統，即北斗二代系統。

“以當時的國家經濟實力和科技能力，難以短時間內研發和建立自己的全球衛星導航系統。參與歐盟伽利略項目，以期學習技術再謀求發展成為必然選擇。”李耀忠告訴記者。

無奈的是，隨著歐盟政治逐漸整體倒向美國，中國人被踢出了技術核心圈。獨立自主建立北斗二代系統成為必然。

2004年9月，北斗二代衛星導航系統建設被批準實施，總投資預計600億元人民幣。

北斗二代星座，包括軌道高度36000公里的地球靜止軌道（GEO）衛星5顆，和傾斜同步軌道（IGSO）衛星5顆，還有軌道高度21500公里、平均分布在三個傾角為55度的傾斜平面上的中圓軌道（MEO）衛星27顆，一共37顆衛星組成，均以國內可靠性最高的東方紅三號衛星作為平臺。

2012年12月27日，國務院新聞辦公室宣布北斗二代系統正式運行，并發布北斗衛星導航系統空間信號接口控制文件B1（ICD）正式版。截至當年底，北斗二代已經發射16顆星，除2009年的一顆因軌道漂移失效外，其他15顆星均處于正常工作狀態（G6在調試中），形成了5顆GEO+5顆IGSO+4顆MEO的部署狀態。

據李耀忠介紹，北斗二代實行“兩步走”戰略，2012年先建成區域系統，再于2020年建成全球系統，解決了較少資金、技術不成熟的條件下，在較短時間實現區域定位的問題。

“GEO+IGSO+MEO”

為保證導航衛星系統走得穩、走得更可靠，同時最重要的是對千百萬用戶服務，保證導航衛星系統的性能、指標以及服務的完好性非常關鍵而必要。

“在技術設計上，北斗二代采用中國人首創的‘GEO+IGSO+MEO’星座模式，提高星座測控率，使得北斗二代整體的精度控制大大提升，最大限度降低了中國缺少全球布站和高精度原子鐘對高精度軌道測量的影響。”李耀忠介紹。

不論美國GPS，還是俄羅斯“格洛納斯”和歐洲“伽利略”，均單純采用MEO（中圓軌道）星，為何北斗二代提出加入GEO（地球同步軌道）和IGSO（傾斜同步軌道）星？

李耀忠解釋，美、歐、俄的地面站皆為全球部署，對于MEO星的軌道測控覆蓋率達到80-100%，即基本上是全弧段測控。“中國沒有海外殖民地，其他國家不接受中國海外布站，因此，中國國內站點對MEO星只能跟蹤40%。”

根據天文學理論，如果知道天體軌道上三個點的數據，則可以推測出其運行軌道。可測量的點越多，并且越是不同弧度上的點，軌道數據計算就越準確。

“如果北斗二代全用MEO星，那么其他60%弧段的衛星軌道數據就只能根據理論外推，再加上我們的星載原子鐘精確度低于歐美，衛星軌道測量精度不足，定位精度將會受影響。”李耀忠說。

沒有足夠的海外站，沒有高精度原子鐘，又要設計全球高精度定位系統，怎么辦？

首先，北斗二代系統采用GEO星，且5顆星全密布在東經58.5度到東經140度這一段中國領土上空，實現100%測控，且同時能當作短信數據的通信衛星使用。

其次，系統采用5顆IGSO星，軌道最北到北緯55度，形成8字形南北運行軌道，保證了接近80%的軌道測控率。

GEO+IGSO的高測控率，使得北斗二代整體的精度控制大大提升。

李耀忠透露，2014年底，我國將發射5顆MEO試驗衛星，主要針對北斗二代第一步已有技術機制的修改和升級進行驗證，以及轉移到MEO衛星上的北斗一代功能的技術可行性、可用性進行確認，以便大范圍部署MEO衛星，為36顆衛星覆蓋全球的目標探路，以期在2020年前實現北斗全球定位。

定位精度方面，據了解，北斗二代系統已實現亞太覆蓋，區域范圍內精度已可媲美GPS。大眾民用的單點定位精度達到8米-10米，接近GPS水平；在高精度的差分及組合定位時則優于原有GPS+GLONASS系統的定位精度。

北斗二代系統保留了上一代的短報文和用戶管理功能，獨特的星座設計使其減少了定位盲區，可用性大幅增加，高精度組合定位精度更高、速度更快、作用距離更長。基于以上優勢，在高精度定位的專業測量和行業應用中，北斗高精度終端性能大幅度提升，其可用性和效率大大提高，為自主知識產權的北斗高精度的產業化提供了堅實的基礎保障。

“北斗二代系統的高精度呈現除了歸功于其采用獨特的星座MEO+GEO+IGSO模式外，還因為它特殊的碼組合技術。”李耀忠表示，北斗二代直接采用B1、B2、B3碼，相比較而言，GPS系統在目前只能用L1、L2，其與B3對應的L5碼要到2020年前后經過GPS第三代的現代化改造才能得到全面應用。

讓市場主導北斗產業

“過去幾十年里，大部分終端產品都是基于GPS開發的，但不管是從經濟角度還是從國家信息安全角度，我們現在都應該盡量推動使用北斗的信號。”這是近年來，孫家棟在公開場合說的最多的話。

2011年12月27日，北斗衛星導航辦公室正式宣布向用戶提供試運行，自此，北斗衛星導航系統建設轉入與應用推廣并舉的新階段，并逐步展開交通運輸、氣象、測繪等應用領域試運營。

“北斗正在加快建設發展，未來要占領市場，其發展不能‘空心化’。”中國衛星導航系統管理辦公室主任冉承其提出。

事實上，早在北斗開始提供服務時，中國已對外公開接口文件。國外一些大公司很快生產出兼容北斗信號的芯片，并以低價格出售回中國。

“假如到2020年，北斗產值四五千億，若其中三千億是買國外零部件回來組裝的，中國的附加值就只有千億左右。”孫家棟不止一次算著這筆賬，由數據分析可見，終端設備國產化非常重要。

在孫家棟看來，衛星導航的應用模式變化超出了產品形態變化，應用價值訴求超出了產值訴求，市場更善于時空信息的創新和利用，社會更注重位置服務的效益和效果同時，科學、技術、產品、資本以及全新的產業生態系統，為衛星導航領域提供了越來越成熟的供給能力，技術進步與市場機制，使得原來成本極高的社會位置信息輕易可得。

隨著產品技術的成熟應用更加廣泛，產品基于北斗系統優勢提供了很多超出價值外的利益，從而使北斗得到更多發展。但是，“國內企業如果不抓緊研究北斗產業化服務應用，那我們提供的這個產業平臺，就不會帶動自己的產品和企業。”孫家棟表示。

北斗系統若要實現后發趕超，既要依靠市場化運營，把北斗相關產品的生產規模提上去，形成較有競爭力的價格優勢，還要在技術上實現更多的創新和突破。

李耀忠提出，“北斗系統未來應著手于提升衛星壽命，提高衛星軌道精度，提高原子鐘精度，碼技術需要更加成熟完善，并考慮將北斗一代功能轉移到MEO上。應用方面，包括芯片板卡、終端、系統解決方案在內的核心技術提升，實現完全市場化競爭的能力，多個行業相對成熟的北斗系統應用解決方案推出及成功應用，為北斗系統實現全球服務后北斗產業及應用推廣到全球奠定堅實基礎。”

然而，相比市場推動，李耀忠認為，國家政策性的引導和支持會使北斗系統的創新和利用在短時間內更快占據主導地位。“現代社會不會盲目使用一些新產品或技術，往往都是在產品技術更為成熟時使用。核心技術如芯片、板卡、終端的成熟，技術解決方案的成熟及越來越多技術團隊的加入使北斗產業具有更強的能力，推動技術進步的同時，市場會逐步淘汰落后技術及團隊，從而使整個市場機制健康發展，推動社會導航發展方向。其間，在政府及相關部門統一規劃下，北斗發展在一定時間內會更加良性發展。”

“未來衛星導航產業融合，首先必然是融合了多系統的各種導航定位應用成為主流；其次是依托北斗系統獨特的優勢，形成自主知識產權的北斗產業集群，有能力在世界范圍內進行有益的良性競爭。”李耀忠提出自己的期待。