成就衛星導航領域的泰山北斗

張毓書

我們知道，定位導航的功能在今天擔負著人類生活當中極為重要的角色且不可或缺。古往今來，人們一直都在不斷地探索、開發、創造更有利的條件讓它更好更高效地為人類服務，并幫助滿足人們生活中的各式需求。但若說起定位導航存在的具體概念卻模糊不清，那么其具體工作有哪些？是由怎樣的系統模式所產生？如何演變？未來，又會有哪些進步完善，從而更好地服務新發展呢？隨著中國重器北斗衛星定位導航的崛起，我們靠近它、走近它，來傾聽“它的訴說”……

定位導航授時，人類的基本需求

概括來說定位導航就是以捕捉時空信息為基石的一種工作，是人類的基本需求。

所謂時空，主要包括三個方面的內涵：定位、導航與授時。

定位，就是指能夠提供精確的二維或三維位置和方位的能力；導航，是指通過確定當前位置和目的地位置，并參考地理和環境信息，修正航線、方向和速度，以抵達目的地的能力；授時，就是得到并保持準確和精密時間的能力。

人類在社會生活中的任何工作都離不開定位。

在上古時代，所用的導航方法是通過識別自然現象或人為標記來指引路線。日月星辰、起伏的山巒、疊起的石堆、刻痕的樹木等，便是早期人類出行認路的“參考點”。隨著人類活動范圍的擴大，導航的技術方法、手段和儀器也隨之豐富。早在我國戰國時期，就出現了“司南”這種指示方向的工具，北宋時期又發明了指南針，這些工具很快就被應用到軍事、生產和日常生活等方面。明初，航海家鄭和“七下西洋”，寶船及船隊安全往返，指南針起到了決定性作用。

進入到航海時代，光知道方位是遠遠不夠的了，人們利用星盤、六分儀等儀器，測量恒星或太陽的角度和方位，配合指南針等工具可以確定方向和緯度。18世紀，木匠出身的哈里森父子經過數十年、兩代人的努力，發明制造了精度較高的航海鐘，才確定了相對準確的海上經度。自此，人類才擁有測量方位、緯度和經度的導航技術。這個階段，主要依賴于天文觀測和航海鐘，定位精度比較粗略，大約十幾公里的誤差，觀測時間長，易受天氣影響，但已滿足航海的基本要求。

進入20世紀后，短短的幾十年間，人類經歷了兩次世界大戰，坦克、潛艇、飛機、導彈陸續投入使用，進入海陸空三軍聯合作戰時期。這個時期，對定位、導航乃至授時，提出了更高的要求，要求能夠實現全天候、大范圍、快速、連續、高精度的作戰。也是在這個時期，無線電發明了。電磁波在均勻介質中沿直線傳播、速度恒定，遇到障礙物或介質變化有反射和折射特性。能否利用無線電波進行導航呢？科學家們的探索隨之開始了。1906年，無線電測向儀制造成功，1921年出現無線電信標，1937年雷達開始在艦船上用作導航手段。第二次世界大戰中后期，陸基無線電導航系統得到迅速發展，通過測量無線電導航臺發射的信號，可以確定運動載體相對于導航臺的方位、距離、距離差等幾何參量，從而確定運動載體與導航臺之間的相對位置關系，據此對運動載體進行定位、導航和授時。相比航海時代，這個時期的導航技術已經有了很大程度上的飛躍，定位精度大約為100至200米，覆蓋范圍千余公里。導航技術的應用，也從陸地、海洋走向了天空。至今，仍然有很多無線電導航技術作為主要手段或者作為輔助手段在使用，比如飛機著陸用的儀表著陸系統和羅蘭-C系統。

二戰后“子午儀”的誕生，為后續“全球定位系統”的建設奠定了基礎

二次大戰后，人類進入相對和平的發展時期。但是戰略威懾、軍事應用仍然在推動導航技術的持續發展。美國在1957年開始研制戰略導彈核潛艇，同年前蘇聯向太空發射了第一顆人造地球衛星。這兩個國家研制的不同裝備，看似沒有關聯，但卻有著驚人的耦合。美國的核潛艇要在全球巡邏和作戰，怎么樣能夠實現全球、全天候、連續、準確的定位和導航呢？陸基無線電導航的覆蓋范圍有限，已經不能滿足要求。蘇聯的衛星發射，給了美國人很好的啟示。在觀測這顆衛星信號的過程中，人們發現：在位置精確已知的觀測站，利用測量得到的衛星信號多普勒頻移可以確定衛星軌道；反之，如果衛星軌道已知，通過測量衛星信號的多普勒頻移，就可以確定地球上接收機的位置。基于這個發現和推論，1964年誕生了第一代導航衛星系統——美國海軍導航衛星系統。由于衛星軌道與地球子午圈重疊，又稱為“子午儀”系統。這個系統，將導航臺放置在衛星上，在地球表面任何地方、任何氣候條件下，一小時內均能測定位置，精度與觀測次數有關，精度在1至500米之間。

“子午儀”系統的成功應用，在美國海、陸、空三軍中掀起了衛星導航熱。經過詳細的論證，1973年美國啟動GPS計劃，1995年達到完全運行能力，標志著一個革命性的全新導航時代的到來。GPS系統的特點鮮明，它用24顆衛星實現了全球性覆蓋和全天候服務，可實時動態地提供十米級至厘米級的定位、導航和授時一體化服務，充分體現了航天技術的魅力和其它導航方式難以比擬的優越性。

北斗衛星與其他三大全球導航系統競相發展

衛星導航系統包括三個基本組成部分：空間段、地面段和用戶段。空間段就是導航衛星星座，向地面連續地廣播無線電導航信號。地面段包括監測站、主控站和注入站，負責監控導航衛星，計算衛星軌道參數和鐘差，并注入到衛星中。地面段就是用戶接收設備，就是我們經常說的接收機，比如手機、專用終端等。衛星導航的基本原理是：以導航衛星為參照物，通過測量接收機與衛星之間的距離，運用三球交匯原理，解算用戶的三維位置。

衛星導航系統的主要功能是定位、導航、授時、短報文，其中短報文是北斗的獨有功能。衛星導航系統的特點是高精度、高動態、實時性、連續性、全天候、全球性，單機實時定位精度可以達到十米左右，差分后可以達到分米級、厘米級甚至毫米級，定位頻率可從每秒一次到幾十次，可以滿足我們絕大一部分的應用需求，比如，車輛導航、板塊監測、城市測繪、武器制導、精確授時等等。

正是因為衛星導航有這些顯著的優點，使得大家都想擁有這種服務。目前，世界衛星導航的格局，已經從美國GPS一枝獨秀，演變為美國“GPS”、俄羅斯“格洛納斯”（GLONASS）、中國“北斗”（BDS）和歐洲“伽利略”（Galileo）四大全球導航衛星系統競相發展的局面。這四大系統現在或建成后覆蓋全球，因此稱為全球衛星導航系統（GNSS）。區域系統還有日本的準天頂系統（QZSS）和印度的區域衛星導航系統（IRNSS）。

四大全球系統中，美國的GPS建設最早，發展比較順利，1995年后維持全運行能力，是當前技術最為成熟、用戶最多的系統，目前正在開展現代化工作。俄羅斯始于蘇聯時代的GLONASS緊隨其后建設，歐洲在2000年啟動Galileo系統建設。我們的北斗系統，從2000年以來一直保持很好的發展態勢。四大系統，既有競爭，也有合作，相互促進，共同為人們提供更好的導航服務。

2020年是一個很重要的時間節點，GPS完成了現代化，GLONASS完全了復蘇，北斗也建成了全球系統，Galileo按計劃完成建設，到那個時候，將是一個“群星璀璨”的導航時代，圍繞地球，將有140多顆導航衛星，在任何一個戶外地點觀測到幾十顆衛星將是家常便飯。我們的定位、導航的精度、可用性、連續性、完好性都將得到很大的提升。

“三步走”發展戰略鑄就磅礴航天工程

衛星導航系統的建設，是一項磅礴、恢弘的航天工程，天上幾十顆衛星，地上幾十個地面站，還有數十億級的用戶在線使用，要把系統建設、運行、維護、應用好，需要制定嚴密細致的計劃。

在我國由“大起來”邁向“強起來”的歷史進程中，北斗系統按照“三步走”發展戰略，和“先區域、后全球，先有源、后無源”的發展思路進行實施。

中國衛星導航系統管理辦公室主任冉承其在《北斗衛星導航系統建設與發展》的報告中詳細地闡述了北斗系統的現狀和未來發展規劃，并普及、公開了北斗系統的“三步走”發展戰略。

第一步，2003年建成了北斗試驗系統，即北斗一號。全球衛星導航系統一般需要30顆以上的衛星組成星座，要解決十分復雜的工程難題；此外，衛星導航系統投資巨大，一經建成，一定要投入廣泛應用，發揮效益。從2000年到2003年，我們共發射了3顆GEO衛星，其中一顆是備用星。北斗一號的建設，標志著我們國家成為世界上第三個擁有自主衛星導航系統的國家，使我們成功躋身于衛星導航這個行列中。

我們的第一步就是先探路，花很少的錢，建設需要衛星數量很少的試驗系統，驗證系統設計思想的正確性。通過北斗一號的建設和應用實踐，逐漸建立北斗的科研隊伍，包括衛星、火箭，尤其是非常重要的地面段的運行控制、應用推廣，為后續工程的建設打下扎實的基礎。

第二步，2012年前建成北斗區域系統，即北斗二號。北斗一號解決了我國在衛星導航領域“有無”的問題，積累了經驗和技術，也取得了很好的應用。但北斗一號是有源系統，這就導致我們的用戶機個頭大、功耗大、易暴露，在定位、導航的精度、連續性、實時性、覆蓋性上，與我們快速增長的應用需求還存在較大的差距。因此，我們要把區域有源試驗系統發展成區域無源系統，在保留北斗特色的同時，進一步提升北斗的性能。

北斗二號首創了三種衛星的混合星座——用5顆GEO衛星、5顆IGSO衛星和4顆MEO衛星組成我們的北斗星座，不但保留了北斗一號的技術能力，還可以優先服務我國及周邊，最終走向服務全球。

冉承其如是告訴大家，北斗二號于2012年12月27日正式提供服務，運行已有5年半，系統總體運行穩定可靠，服務性能滿足承諾指標要求，從未發生服務中斷，定位精度由10米提升至6米。建設北斗地基增強系統，形成全國“一張網”，可提供實時厘米級高精度服務。建成全球連續監測評估系統，具備對北斗、GPS、格洛納斯、伽利略四大系統的監測評估能力。為保證北斗二號系統持續平穩運行，未來兩年內再發射2顆北斗二號備份衛星，確保服務性能穩中有升。

第三步，2020年建成北斗全球系統，即北斗三號。2017年11月，2018年1月、2月、3月，半年內成功發射四組八顆北斗三號衛星，北斗全球系統組網建設進入快車道。目前正在進行組網衛星的在軌測試、系統集成與性能評估，初步結果表明衛星在軌狀態良好，性能滿足指標要求。北斗三號增加了星間鏈路、全球搜索救援等新功能，播發更優的導航信號，采用了新一代銣原子鐘和被動型氫原子鐘結合的方式，天穩定度達到E-15量級，整體性能大幅提升。經過在軌測試，空間信號用戶測距誤差預計達到0.5米，系統定位精度將達到2.5米至5米。北斗特色RDSS服務容量提高10倍，用戶發射功率降低至1/10，支持手機應用。

今后，還將持續推進以北斗系統為核心的綜合PNT體系建設，爭取到2035年，構建空天地海無縫覆蓋、高精度安全可靠、萬物互聯萬物智能的國家綜合定位導航授時體系，更顯著地提升時空信息服務能力，滿足國民經濟和國家安全需求，為全球用戶提供更為優質的服務。

冉承其表示，目前我國雖已進入全球組網建設階段，不過提供導航服務的目前還只有北斗二號。他說，“在2018年11月前，都將由北斗二號系統負責提供導航服務，此后到2020年10月之間，將由北斗二號和北斗三號系統共同提供服務，2020年10月之后，將以北斗三號系統為主提供服務。”同時他透露，“與此同時，面向未來，北斗三號也將在技術體制上全面兼容北斗二號”，他說，“在北斗二號向北斗三號過渡過程中，力爭確保老用戶無感知，新用戶提性能，最終實現技術的新老更替。”

北斗衛星里的中國智慧之深度融合，應用觸手可及

現在，我國已形成自主可控的北斗完整產業鏈，北斗也在國家安全和重點領域標配化使用，在大眾消費領域規模化應用，同時正在催生“北斗+”融合應用新模式。2017年，中國國內衛星導航產業產值為2550億元，其中北斗對產業核心產值的貢獻率為80%。預計至2020年，我國衛星導航產業的規模將超過4000億元，北斗將拉動2400-3200億元規模的市場份額。

基礎產品方面，北斗芯片實現規模化應用，工藝跨入28納米新時代，最低單片價格不到人民幣6元，總體性能達到甚至優于國際同類產品，實現了基礎產品向高端產業的躍升升級。截至2017年4月底，北斗導航型芯片模塊銷量已突破6500萬片，高精度板卡和天線銷量已占據國內30%和90%的市場份額，并輸出到80余個國家和地區。

行業區域應用方面，北斗已在公安、交通、漁業、電力、林業、減災等行業得到廣泛使用，正服務于智慧城市建設和社會治理。500多萬輛營運車輛上線，建成全球最大的北斗車聯網平臺，相比2012年，道路運輸重大事故率和人員傷亡率均下降50%以上。公安出警時間縮短近20%，突發重大災情上報時間縮短至1小時內，應急救援響應效率提升2倍。全國4萬余艘漁船安裝北斗，累計救助漁民超過1萬人，已成為漁民的海上保護神。基于北斗的高精度服務，已用于精準農業、危房監測、無人駕駛等領域。

大眾應用方面，北斗已走進百姓生活。世界主流手機芯片大都支持北斗，國內銷售的智能手機，北斗正成為標配。共享單車配裝北斗實現精細管理。支持北斗的手表、手環、學生卡，更加方便和保護了人們的日常生活。以北京為例，33500輛出租車、21000輛公交車安裝北斗，實現北斗定位全覆蓋；1500輛物流貨車及19000名配送員，使用北斗終端和手環接入物流云平臺，實現實時調度。

北斗為我國各行業/領域提供了重要的位置導航時頻信息，極大地促進了社會創新和經濟發展，是萬物互聯、萬物感知、萬物智能的紐帶。在新時代背景下，北斗將加強與通信、遙感、互聯網、物聯網、大數據、云計算等新興技術的融合發展，開展理論創新、技術創新、應用創新，創造衍生更多新技術、新產業、新業態、新模式，更好地助力國民經濟和社會持續健康發展。

（有關報告系中國衛星導航系統管理辦公室提供本刊）