“新北斗”開啟全球組網大幕

▲我國成功發射新一代北斗導航衛星

3月31日凌晨，我國第17顆北斗導航衛星，同時也是我國首顆新一代北斗導航衛星在長征三號丙運載火箭、遠征一號上面級的接力護送下，準確進入距地面3.6萬公里的傾斜地球同步軌道，標志著我國北斗衛星導航系統建設邁出了區域運行到全球覆蓋的第一步。

這次衛星發射與以往有何不同？新一代北斗導航衛星實現了哪些技術突破？北斗衛星導航系統實現全球組網后，將發揮什么作用？

新技術助“新北斗”邁向全球覆蓋

我國首顆新一代北斗導航衛星由中國科學院、上海市政府合作共建的上海微小衛星工程中心研制。上海微小衛星工程中心主任、北斗系統全球組網首發星總指揮相里斌介紹，研究人員用不到4年的時間完成該衛星的全部研制工作，是中國科學院承擔的首顆長壽命、高可靠業務星，設計工作壽命為10年。衛星副總設計師沈學民表示，該星采用全新導航衛星專用平臺，集多項新技術于一身，將開展新型導航信號體制、星間鏈路等試驗驗證工作，為北斗衛星導航系統全球組網建設提供依據。

首次實現上面級直接入軌技術

此次新一代北斗導航衛星的發射，首次在運載火箭上增加了一級獨立飛行器，即遠征一號上面級。這個被形象地稱為“太空擺渡車”的獨立飛行器，可在太空將一個或多個航天器直接送入不同軌道。這標志著我國首次實現上面級直接入軌技術發射中高軌衛星，意味著我國真正意義上的“太空擺渡車”開始太空之旅。

“以往采用轉移軌道發射，比如探月工程采用直接地月轉移軌道，讓衛星經過幾次變軌再進入工作軌道。這次有了遠征一號上面級，可以直接把衛星送入高軌道的工作軌道。”航天科技集團中國運載火箭技術研究院院長、三甲系列運載火箭總設計師姜杰介紹，此舉讓衛星快速進入空間，“經過6個小時左右飛行，達到高度為36000公里的地球靜止軌道。以往達到相應的高度需要數天。”

按照我國對上面級的發展規劃，未來“太空擺渡車”還將在探月、探火等深空探測任務中，在軌道轉移、空間碎片清理等軌道服務方面，在新材料、新技術驗證等空間試驗領域大顯身手。

新信號體制帶來更高精度

“導航衛星的主要工作是把空間位置信號和時間基準信號發到地面供用戶使用。”沈學民說，“這兩種信號都是通過無線電傳輸，不同體制的無線電信號，能對時間和位置的精度產生影響。”

他介紹，美國的GPS、俄羅斯的格洛納斯、歐洲的伽利略導航系統信號體制各不相同，并都在不斷改進。隨著北斗導航系統的發展，信號體制也在不斷改進完善。

在未來一段時期，新老北斗導航衛星將在太空中共同運行。沈學民說，針對這一過渡時期，研究人員在對信號體制進行更新的同時，重點考慮了不同版本的兼容性。新的信號體制既能兼容過去的版本，又能帶來更高的性能。“隨著新信號體制、星間鏈路等技術的應用，北斗導航衛星的定位精度將進一步提升，憑借高性能銣鐘等技術，其時間精度也將達到更高水平。”

中國衛星導航系統管理辦公室主任冉承其表示，新一代北斗導航衛星的定位精度將由此前的10米提升至2.5米左右。

星間鏈路實現“北斗”自主

“前期的導航衛星之間沒有導航通信鏈路，從這顆衛星開始，北斗導航衛星都將具備星間鏈路。”北斗衛星導航系統總設計師楊長風介紹，通過星間鏈路，將實現北斗衛星全球系統自主導航。

通過星間鏈路可以將多顆衛星互聯在一起，實現衛星之間的信息傳輸和交換。

沈學民表示，目前各導航系統均依賴于地面站支持，如果在自然災害、戰爭等情況下地面站被損毀，導航系統就會癱瘓。未來的北斗導航衛星將通過星間鏈路實現組網，可在一定程度上擺脫對地面的依賴。在失去地面支持的極端條件下，導航衛星能生存相當一段時間，用互相測距的方法進行定位。在常規狀態下，星間鏈路還有助于提高定位精度，使北斗系統的精度水平達到與GPS相當。

▲國內北斗衛星導航在手機導航、車載導航等諸多領域已產生廣泛的經濟和社會效益

星間鏈路是未來導航衛星發展中的重點研究領域。沈學民說，我國在該領域的研究并不晚于發達國家。此次發射的北斗導航衛星，相比GPS甚至略為超前。他表示，當前我國將用新頻段、新方法開展星間鏈路試驗，從地面進行驗證，隨著后續北斗導航衛星的發射，還將驗證其互聯、組網等。

全新平臺架構讓“北斗”減重一半

“此次發射的北斗導航衛星首次采用中科院研發的導航衛星專用平臺。”沈學民表示，未來我國北斗導航衛星的發射將采取一箭雙星甚至一箭多星方式，這對衛星的小型化、輕量化均提出了要求。為此新一代北斗導航衛星更換了全新平臺，采用了框架面板式輕量化構型設計。沈學民表示，“過去的北斗導航衛星重約1.6噸，而這顆衛星的重量只有其一半左右。”

同時，該衛星還首次使用了多項技術。

沈學民說，在過去的衛星上，能源、姿控、測控等系統分別由不同計算機管理。此次發射的衛星使用了高功能密度綜合電子體系架構，可用一臺計算機實現對所有電子系統的集中控制管理，不僅讓衛星更輕更小，可靠性也得到了提升。該衛星還使用長壽命的星敏感器，實現了與以往不同的定姿方式。

此外，該衛星大量采用國產化部件，最具特點的是中科院計算所自主研發的通用中央處理器（CPU）“龍芯”和國產化銣原子鐘，整星國產化率達到95%，后續星的國產化率將達100%。

▲預計到2020年，我國北斗全球衛星導航系統將實現全球區域覆蓋

產業應用向國際拓展

我國北斗衛星導航系統于2000年底開始向中國及周邊地區提供服務，2012年底正式向亞太大部分地區提供運行服務。

經過近幾年發展，國內北斗衛星導航在交通運輸、海洋漁業、水文監測、氣象預報、大地測量、智能駕考、救災減災、手機導航、車載導航等諸多領域，已產生廣泛的經濟和社會效益，產業已初具規模，形成基礎產品、應用終端、系統應用和運營服務等較完整的產業體系。國產北斗核心芯片、模塊等關鍵技術全面突破，性能指標與國際同類產品基本相當，自主芯片銷量超500萬片，應用范圍已由行業和區域應用擴展到智能手機等大眾電子消費領域。“如芯片的產能、價格與國外已在同一檔次，原來幾百元一片的芯片，現在降到20元一片。”楊長風認為，北斗要進一步產業化，一方面需要國家政策牽引、推動，另一方面還需要通過市場手段降低成本，形成規模效益，這是未來北斗系統能和GPS導航產品競爭的關鍵。

楊長風說，目前國家有關部門及地方正在聯合建設北斗地基增強系統，為我國提供廣域米級/分米級實時導航定位服務以及區域厘米級實時定位服務，打造北斗系統特色化、區域優勢服務。

北斗導航系統的國際應用也在不斷開拓。目前北斗導航系統通過兩種途徑參與國際合作。一方面是積極推動北斗系統進入國際民航、國際海事、移動通信等國際組織；另一方面是積極推動北斗系統服務國際社會，比如以“東盟行”、“亞太行”的方式幫助東南亞地區一些國家進行衛星導航應用的方案設計，在當地推廣普及北斗產品、建設地基增強系統。

伴隨北斗全球組網衛星發射，北斗導航系統國際化進程也在提速。在“東盟行”活動中，北斗國際演示系統發揮了重大作用，使東盟用戶直觀地感受到北斗的高精度應用效果。該系統由北京合眾思壯科技股份有限公司搭建，可演示北斗高精度應用、北斗監控應用、北斗授時應用和北斗星圖，并設計了迷宮游戲進行直觀演示。

該系統已于2014年6月交付泰國GISTDA（科技部測繪部門）并指導GISTDA人員使用，目前部署在泰國SKP產業園，用于北斗衛星的演示、教育、推廣等活動。據了解，我國將在泰國、馬來西亞等國建立更多演示中心以推廣北斗高精度定位服務。

北斗衛星導航系統正按照“三步走”的發展戰略穩步推進，預計到2020年，我國將建成由5顆地球靜止軌道和30顆地球非靜止軌道衛星組網而成的北斗全球衛星導航系統，實現全球區域覆蓋。而根據《國家衛星導航產業中長期發展規劃》，到2020年，我國衛星導航產業規模將超過4000億元，北斗貢獻率將達到60%。（本刊綜合）