北斗衛星導航系統篇

葉峰屹 高曉雷 （北京空間飛行器總體設計部）

1 概述

北斗衛星導航系統（簡稱北斗系統）是中國著眼于國家安全和經濟社會發展需要，自主發展、獨立運行的衛星導航系統，是為全球用戶提供全天候、全天時、高精度的定位、導航和授時服務的國家重要空間基礎設施。系統的建立將促進衛星導航產業鏈形成，在測繪、電信、減災救災等諸多領域產生顯著的經濟效益和社會效益，推動衛星導航在國民經濟社會各行業的廣泛應用。

中國空間技術研究院（簡稱研究院）作為中國空間事業的主力軍，一直把“爭當創新型國家建設排頭兵”作為自己的目標，通過實施“體系引領、集成創新、專業振興、協調共享”的創新發展策略，使創新的腳步不斷加快。研究院抓總研制的國家重大科技專項北斗衛星導航系統，截至目前，已經研制發射了27顆北斗導航衛星。從北斗立項之初，我們就瞄準著世界一流的建設目標，按照北斗衛星導航系統“三步走”的發展戰略，秉承“探索一代，研發一代，建設一代”的創新思路，圍繞“原始創新、集成創新、自主創新”的理念，開展工程整體建設，不僅成為落實我國創新驅動發展戰略的重要成果，又為加快實施這一戰略提供了有益經驗。

2 發展歷程

我國北斗衛星導航系統建設發展的總體思路是“先區域”再“全球”，堅持“三步走”的發展戰略，遵循開放性、自主性、兼容性、漸進性的建設發展特點。

北斗衛星導航系統發展路線

第一步，建設北斗一號系統（也稱北斗衛星導航試驗系統）。1994年，啟動北斗一號系統工程建設；2000年，發射2顆地球靜止軌道衛星，建成系統并投入使用，采用有源定位體制，為中國用戶提供定位、授時、廣域差分和短報文通信服務；2003年，發射第三顆地球靜止軌道衛星，進一步增強系統性能。

研究院面對專項人才、資金短缺，關鍵技術薄弱，基礎工業能力不足等困難，通過科學論證，確定了采用有源定位體制，進行雙星導航定位的總體方案，通過研制成功新一代衛星平臺，攻克三軸穩定等一系列的關鍵技術，使電源、測控、姿態、軌道控制、推進、熱控、結構分系統能滿足導航衛星的“苛刻要求”，建成了北斗導航試驗系統，使我國成為世界上繼美國、俄羅斯之后第三個擁有自主衛星導航系統的國家，打破了國外衛星導航領域的壟斷，填補了我國衛星導航領域的空白。

第二步，建設北斗二號系統（也稱北斗衛星區域導航系統）。2004年，啟動北斗二號系統工程建設；2012年年底，完成14顆衛星（5顆地球靜止軌道衛星、5顆傾斜地球同步軌道衛星和4顆中圓地球軌道衛星）發射組網。北斗二號系統在兼容北斗一號技術體制基礎上，增加無源定位體制，為亞太地區用戶提供定位、測速、授時、廣域差分和短報文通信服務。針對這一階段目標，研究院自主設計了國際上首個以GEO/IGSO衛星為主、有源與無源導航等多功能服務融合的衛星方案，攻克了以高精度星載原子鐘、上行抗干擾為代表的多項關鍵技術，打破了國外技術封鎖和壟斷，建成了國際上首個由地球靜止軌道、傾斜地球同步軌道、中圓地球軌道三種軌道衛星構建的混合星座區域衛星導航系統。2012年系統開通服務，服務區覆蓋亞太，定位精度10m，測速精度0．2m，單向授時精度優于50ns。導航定位性能與GPS系統相當，優于GLONASS系統。

研究院不僅成功建設了北斗區域導航系統，更為重要的是通過航天科技創新，牽引、支撐了我國國防科技工業的創新發展，輻射、帶動起我國國民經濟相關領域、行業的技術變革。

第三步，北斗衛星全球導航系統具有星間鏈路和自主導航功能，系統主要特點為全球、三維、無源導航定位，系統建成后可在全球范圍內提供高精度、全天候、全天時的導航、定位、授時服務，并兼具短報文通信能力。研究院對標國際科技前沿，自主研制新一代北斗導航衛星，并于2015年成功發射3顆衛星，全面驗證了全新的導航信號體制、驗證新型導航衛星平臺，突破了星間鏈路等關鍵技術，穩扎穩打開展全球組網建設。2017年11月5日，研究院抓總研制并成功發射北斗三號第一、二顆組網衛星，開啟了北斗衛星導航系統全球組網的新時代。

北斗 系統的發展特色

北斗系統的建設實踐，實現了在區域快速形成服務能力、逐步擴展為全球服務的發展路徑，豐富了世界衛星導航事業的發展模式。

北斗系統具有以下特點：一是北斗系統空間段采用三種軌道衛星組成的混合星座，與其他衛星導航系統相比高軌衛星更多，抗遮擋能力強，尤其低緯度地區性能特點更為明顯。二是北斗系統提供多個頻點的導航信號，能夠通過多頻信號組合使用等方式提高服務精度。三是北斗系統創新融合了導航與通信能力，具有實時導航、快速定位、精確授時、位置報告和短報文通信服務五大功能。

關鍵 技術

（1）高精度原子鐘

高精度原子鐘是北斗二號衛星的核心產品，其國產化打破了國外壟斷，突破了國外技術封鎖，使我國導航衛星核心部件擺脫了受制于人的困境，其技術指標達到國內領先、國際先進水平，為導航衛星提供連續、穩定、高精度的導航服務提供了時間與頻率基礎。

星載銣鐘采用非自激型光軸運汽泡式銣頻標方案，基本原理是：利用87Rb原子基態超精細能級0-0躍遷具有極窄的譜線和極穩定的中心頻率的特性，通過銣原子光抽運系統和電路的作用，將量子躍遷頻率的高穩定性和準確度傳遞給晶振，從而獲得高穩定的晶振輸出頻率，為時頻系統提供頻率基準源。

星載銣原子鐘提出并設計了高精度微波功率自動控制技術（ALC），有效地解決了微波功率波動造成頻移的難題；采用熱輻射控制和多層隔熱墊技術，實現了對產品熱阻的精確調整；采用多層磁屏蔽控制技術，解決了衛星環境中存在強磁力源及磁力場變化對銣鐘性能影響的難題；首次采用球形銣燈結構和低溫指形吸收泡，提高了銣光譜燈的穩定性；首次采用基于直接數字頻率合成技術的銣鐘掃描捕獲輔助鎖定方法，實現了快速捕獲鎖定。

（2）星間鏈路

全球衛星導航系統增加了星上自主運行功能，采用星間鏈路技術，設計合理的網絡協議和任務規劃，實現導航星座的自主運行管理，并保證導航星座星間鏈路長壽命、高可靠、高精度測量。

（3）導航衛星專用平臺

研發了適用于導航衛星的專用平臺，采用綜合電子技術實現對整星的信息綜合和功能控制；提出我國第一個主承力結構桁架式衛星平臺方案，使衛星能夠適應多種運載的一箭多星發射，確保了星座快速組網，實現了我國導航衛星平臺能力的提升和跨越。該平臺經與國外導航衛星對標，在載荷平臺質量比、平臺功率質量比及結構承載效率上均具有明顯優勢，達到了國際一流的水平。

（4）快速組網要求的衛星系統設計與集成技術

為保障北斗導航衛星研制、發射組網，借助多種信息化手段，完成了衛星組批研制生產的管理體系和技術體系建設，縮短了研制周期，提高了設計質量。

北斗二號衛星系統研制過程中構建了全新的組批生產與測試模式，提高了衛星研制效率，三年內完成了14顆衛星組批生產、密集發射的任務，較單星生產模式縮短研制周期近三分之一，降低研制成本近20%，實現了我國衛星研制模式由單星生產向組批生產的轉型。

北斗二號組批生產面對多星并行、狀態耦合、組織復雜等難題，創造性利用信息網絡，實現信息共享，狀態受控；首次采用一顆初樣星完成GEO/MEO/IGSO三種軌道衛星的熱平衡、力學試驗等環境試驗，縮短了研制周期，節省了研制經費。

系統 應用

隨著北斗系統建設和服務能力的發展，相關產品已廣泛應用于交通運輸、海洋漁業、水文監測、氣象預報、測繪地理信息、森林防火、通信時統、電力調度、救災減災、應急搜救等領域，逐步滲透到人類社會生產和人們生活的方方面面，為全球經濟和社會發展注入新的活力。

北斗團隊成員探討技術細節

目前，正在運行的北斗二號系統發播B1I和B2I公開服務信號，免費向亞太地區提供公開服務。服務區為55°(S）～55°(N)、55°(E）～180°(E）區域，定位精度優于10m，測速精度優于0．2m／s，授時精度優于50ns。

國內 外對標

與GPS相比，北斗系統的優勢如下：

首先是兼容互操作。這將會給用戶帶來很多好處，因為用戶在同一時間可以收到更多導航衛星的信息，解算自己的位置、速度、時間就更加方便，同時精度也更高。北斗系統做到與其他系統兼容后，你可以在北斗信號強的時候使用北斗，用GPS來幫助你修正，輔助提高導航服務精度。

其次，GPS現在所提供的服務是無源定位，也就是說用戶不需要發射任何信號，就可以免費接收衛星的信號，實現對自己位置的定位。北斗系統提供的是兩種服務，一種就是跟GPS相當，可以讓用戶免費直接接收衛星信號；另一種是有源定位，用戶可以把自己的位置報告給其他的網絡或指揮控制中心，最終實現定位。北斗導航系統的目標之一就是在2020年建成有源導航定位、短報文功能，這是目前GPS，GLONASS等沒有的功能。短報文功能，是衛星定位終端和北斗衛星或北斗地面服務站之間能夠直接通過衛星信號進行雙向的信息傳遞，GPS只能單向傳遞（終端從衛星接收位置信號），短報文功能最典型的例子就是在汶川地震過后，通訊基站遭到破壞，北斗終端通過短報文進行緊急通訊，對于抗震救災起到了關鍵作用。有源定位在調度系統及指揮系統上應用非常廣泛，它能實現地面快速定位。這個優勢在農牧業領域中有廣泛應用，比如，為了防止羊走丟，可在羊身上安裝北斗系統的芯片，實時監控。

第三，用自主研發的系統更安全。任何一個系統設計，就包括現在網絡都有后門，用別人的系統后門鑰匙在別人手里掌握，自主研發的系統更安全放心。現在，我們衛星上的一些大的部件都是我國自主研發的。

3 未來展望

根據北斗衛星導航系統建設“三步走”的發展戰略，在2020年前后，計劃建成北斗全球系統，向全球提供服務。目前，研究院著手論證《2030-2050年導航衛星領域發展戰略研究報告》，為今后40年我國衛星導航系統發展謀篇布局。未來，衛星導航系統正朝著高精度、高可靠性、強抗干擾能力、綜合型、多元化的方向發展。在北斗全球導航衛星任務的能力基礎上，研究院正對深空導航、自主導航、脈沖星導航等一大批前沿課題進行探索和研究。