北斗：如何從“0”到“40億”

潘晨++蘆垚

從2000年發射第一顆北斗定位衛星，到2003年正式開通第一代衛星導航系統，再到2012年正式提供區域服務，

北斗衛星導航系統從無到有，如今服務已覆蓋全球三分之一的陸地，使亞太地區的40億人口受益

2016年6月12日23時30分，中國在西昌衛星發射中心用長征三號丙運載火箭成功發射了第23顆北斗導航衛星。

這顆衛星入軌并完成在軌測試后，將與其他在軌衛星共同提供服務，進一步增強北斗衛星導航系統的穩健性，強化服務能力，為系統服務從區域向全球拓展奠定堅實基礎。

從2000年發射第一顆北斗定位衛星，到2003年正式開通第一代衛星導航系統，再到2012年正式提供區域服務，北斗衛星導航系統從無到有，如今服務已覆蓋全球三分之一的陸地，使亞太地區的40億人口受益。

2015年7月25日，搭載兩顆新—代北斗導航衛星的“長征三號乙/遠征一號”運載火箭在西昌衛星發射中心點火發射

設想始于上世紀60年代

在提出利用衛星進行導航定位的設想方面，中國是與世界同步的。美國的GPS是在上世紀60年代開始起步的，幾乎在同一時段，中國就開始了自己的衛星導航系統設計，取名為“燈塔”，但是由于國家財力等原因，工程擱淺。

1983年，“兩彈一星”功勛獎章獲得者、中國科學院院士陳芳允提出了雙星定位設計方案，基于此方案，中國開始積極地立項論證。

1994年，經國務院和中央軍委批準，北斗衛星導航系統建設的大幕正式拉開。

當時，世界各大國都認識到自主開發衛星導航系統的重要意義，美國和俄羅斯分別開發了GPS和格洛納斯衛星導航系統，歐盟則致力于建設獨立的伽利略系統，印度、日本也在積極謀求建設獨立自主的衛星導航系統。作為國家安全和社會發展不可或缺的信息基礎設施，衛星導航系統是大國地位和綜合國力的重要標志。要有自主的衛星導航系統，是各大國不約而同的共識。

基于自身實際，中國創造性地提出了北斗衛星導航系統建設發展的總體思路，即“先區域”再“全球”，采取“三步走”的發展戰略。

第一步，建立北斗衛星雙星定位試驗系統，形成區域有源定位與導航服務能力;第二步，完成三種軌道十余顆衛星的發射，建成區域導航系統，形成區域無源服務能力，向亞太地區提供定位、導航、授時以及短報文通信服務;第三步，建成由3顆靜止軌道衛星和30顆非靜止軌道衛星組成的覆蓋全球的北斗全球衛星導航系統，形成全球無源服務能力。

我國首輛海洋應急監測車在遼東灣興城附近海域作業。該監測車配備了具有國際先進水平的海洋監測及配套設備，包括車載X波段雷達、雷達海冰圖像處理系統、北斗衛星通信系統等

能發“短信”的第一代系統

中國航天科技集團空間技術研究院承擔了北斗導航衛星的研制工作，經歷了緊鑼密鼓的研制，2000年10月31日，北斗試驗星發射，11月6日成功定點;2000年12月21日02星發射，12月26日成功定點。兩顆衛星順利完成在軌性能測試，性能參數滿足研制任務要求。

經過近3年的調試、測試和試運行，2003年12月15日，中國第一代衛星導航系統正式開通運行，成為繼美國的GPS和俄羅斯的格洛納斯系統之后，全球第三個建成并投入使用的衛星導航定位系統。

利用兩顆地球靜止軌道衛星實現區域導航定位，屬于世界首創。專家介紹，北斗雙星導航定位試驗系統是一個創新的、成功的、實用的、投資很少的初級起步系統，該系統的建立，解決了中國衛星導航定位系統有無的問題，“快、好、省”地邁出了中國衛星導航系統建設的重要一步，對于推動國防和國民經濟建設起到了重要的作用。

該系統具有三大功能：一是快速確定用戶所在的地理位置，向用戶及主管部門提供導航信息;二是為用戶與用戶、用戶與地面指揮中心之間提供雙向簡短報文通信服務，用戶可以一次傳送120個漢字的短報文信息;三是向用戶定時發播授時信息，為用戶提供時差修正值。

其中，例如雙向簡短報文通信服務是北斗一號系統獨有的一項功能。這項功能問世不久，便得到漁政、水文監測和森林防火部門的青睞，在搶險救災中也發揮了巨大作用。

2008年汶川地震發生后，在基礎設備損壞，通信中斷的情況下，救援部隊緊急配備了1000多臺“北斗一號”終端機，實現了各點位之間、點位與指揮部之間的直線聯絡，為抗震救災發揮了重要作用。

從北斗衛星雙星導航定位試驗系統建設之初起，該系統就被定位為一個驗證技術、積累經驗的試驗性工程。在北斗雙星導航定位系統的建設中，進行了大量新技術的試驗驗證，從而為下一代導航衛星網絡的建設部署進行了技術上的準備。

北斗為何在復雜地形更好用

不過，雙星定位也有不少缺陷，比如，只能為終端用戶提供經度和緯度，無法提供高度數據;覆蓋范圍有限;無法在高速移動的平臺上使用;用戶數量受到一定限制，等等。

因此，建設由多顆衛星組成，具備無源定位、測速和授時功能，同時實現兼顧北斗衛星試驗系統的雙向簡短數字報文通信、位置報告功能的北斗衛星區域導航系統迫在眉睫。

2004年，建設北斗衛星導航區域系統的工程正式立項，開始了全面啟動工作。這意味著，北斗衛星導航系統，開始進入“三步走”的第二個階段。

2007年4月14日，中國北斗衛星區域導航系統的第一顆衛星，也是首顆中圓軌道衛星發射成功，拉開了北斗區域導航系統建設的序幕。

兩年后的2009年4月15日，首次采用中國東方紅三號改進型平臺技術的北斗衛星區域導航系統第二顆衛星，也是首顆地球靜止軌道衛星發射成功，標志著繼北斗導航定位試驗系統之后，北斗衛星區域導航系統正式進入部署實施階段。

2010年，第三顆到第七顆衛星的連續密集發射，為北斗衛星區域導航系統增加了5個“新成員”。當2011年4月第八顆北斗導航衛星在太空“安家”后，北斗衛星導航系統構成了“3+3”的星座構型（包括3顆同步靜止軌道衛星和3顆傾斜同步軌道衛星），這標志著北斗區域衛星導航系統的基本系統建設完成，具備了向中國大部分地區提供初始服務的能力。

隨著2011年7月27日和12月2日，第九顆和第十顆北斗導航衛星“落戶”傾斜同步軌道，有效提高了系統的可靠性和穩定性。

2011年12月27日上午，國務院新聞辦正式發布，北斗衛星區域導航系統開始試運行，向中國及周邊地區提供連續的、免費的導航定位和授時服務。

2012年，北斗衛星區域導航系統再次迎來從第十一顆到十五顆5星密集發射期，其中，第十二、十三顆衛星以及第十四、十五顆衛星均為一箭雙星發射。2012年10月25日，第十六顆北斗導航衛星成功發射，北斗衛星區域導航系統完成了所有衛星發射任務。至此，北斗衛星區域導航系統空間段由分布在不同軌道的14顆衛星組成星座，即5顆地球靜止軌道衛星、5顆傾斜地球同步軌道衛星和4顆中軌道衛星。中國全面完成區域導航系統建設，形成覆蓋亞太大部分地區的服務能力。

與第一代雙星系統相比，除了依然具有的雙向簡短報文通信功能之外，隨著系統的逐步發展，北斗衛星導航系統開始呈現出更多特點和優勢。

例如，從星座部署上來看，因為北斗系統采用的是混合星座構型，與其他導航系統的星座結構有明顯區別。美國GPS、俄羅斯GLONASS和歐盟GALILEO系統均采用中圓軌道（MEO）對稱星座，衛星均勻分布在6個或3個軌道面上。北斗系統除MEO衛星以外，還采用了傾斜地球同步軌道衛星（IGSO）和地球靜止軌道衛星（GEO），在低緯度地區具備高仰角，相較于其他系統，對城市峽谷、稀疏遮擋地形具有更多的可見衛星，服務性能更好。而正是得益于系統的星座構型，北斗可基于相對較少的衛星數量實現區域服務能力，系統部署的周期更短，星座建設速度更快。

從亞太到全球

在國際化應用領域，亞太地區是北斗先期覆蓋的服務區，尤其是東盟各國在海洋漁業、應急救援、防災減災、交通運輸等方面對衛星導航應用有著切實需求。

例如在海洋漁業方面，多數東盟國家均臨海，北斗系統能為海洋漁業和海上作業提供全天候、全天時的位置服務;在減災應用方面，亞太許多國家處于自然災害多發區，北斗系統可在地震、洪澇等突發自然災害情況下，為搶險救災提供有力支持。

而較為公眾熟知的是，2012年1月，中國商船“盛泰11號”在湄公河金三角水域遭到了襲擊。當時，遇險船只第一時間通過北斗系統發出了求救信號，中國海事、公安部門根據系統提供的位置和遇險情況，及時解救了遇險船只。

此外，值得提及的是，亞太地區作為全球經濟最有活力、發展最快的地區，人口占全球的大約六成，因此，衛星導航和相關服務的市場容量巨大。

自2012年12月面向亞太區域提供正式運行服務以來，北斗衛星導航系統保持了連續穩定運行。目前，北斗衛星導航系統正逐步進入國際民航（ICAO）、國際海事（IMO）、移動通訊（3GPP）等國際組織，已被國際海事組織接納認可為全球第三個衛星導航系統。

為推動北斗衛星導航系統應用，2014年中國啟動了北斗地基增強系統建設。該系統建成后，北斗衛星導航系統將為中國境內用戶提供分米級定位服務，部分地區定位服務最高可達厘米級。

而在“第二步”戰略完成后不久，北斗開始啟動“第三步”戰略。

2015年3月底，首顆新一代北斗導航衛星成功發射，標志著北斗衛星導航系統已由區域運行向全球拓展。從這顆衛星開始，2015年3月30日至2016年2月1日，五顆新一代北斗導航衛星密集發射。

新一代北斗導航衛星瞄準北斗衛星導航系統全球組網需求，承擔了新型導航信號體制、星間鏈路等新技術試驗驗證任務，在功能、性能上較以前發射的北斗導航衛星有較大提升。根據建設計劃，北斗衛星導航系統將于2020年形成全球運行服務能力，為全球用戶提供更高精度的服務。

根據計劃，北斗衛星導航系統2018年可為“一帶一路”沿線國家提供基本服務，2020年將形成全球服務能力。

（潘晨系中國航天科技集團空間技術研究院總體部工作人員）