中國北斗的前世今生

付毅飛

“北斗系統已成為中國實施改革開放40年來取得的重要成就之一。”習近平主席在聯合國全球衛星導航系統國際委員會第十三屆大會的賀電中如此評價。

回首來路，不論是先驅者“燈塔計劃”的未果而終、雙星定位系統概念的提出，還是北斗一號系統從無到有，北斗二號系統正式提供區域服務，再到北斗三號以昂揚的姿態走向世界……北斗蹚出了一條獨特的發展道路，在導航領域成就了一段波瀾壯闊的東方傳奇。

如今，在浩瀚星空之中，幾十顆中國“星星”閃爍，將“光芒”灑向廣袤大地。經過20余年努力，中國北斗工程完成了“三步走”戰略、發射了44顆衛星，在天疆部署了“大棋局”，特別是北斗三號衛星以一年19星的佳績在太空中刷新了“中國速度”。

“先區域、后全球”的“三步走”戰略

衛星導航系統，是國家安全和經濟社會發展的重要信息基礎設施，也是衡量一個國家綜合科技實力的重要標志，以往只有少數發達國家掌握這門尖端科技。2018年，我國北斗衛星進入密集發射期。如今，北斗衛星正在布局全球組網，爭取到2020年可以為世界各地的人們提供全球定位、導航、授時、短報文等服務。

在我國開始規劃北斗藍圖時，歐美等國家就已經完成了全球系統布局，但以我國當時的國情，不能再走歐美國家的老路，必須另辟蹊徑，走一條多元融合發展的新路。

在北斗工程誕生之前，我國曾在衛星導航領域苦苦摸索，在理論探索和研制實踐方面都開展了卓有成效的工作。

立項于20世紀60年代末的“燈塔計劃”作為先驅者，雖然最終因技術方向轉型、財力有限等原因終止，卻如同黑夜中的一盞明燈，為后期導航系統研制積累了寶貴的經驗。

1983年，以陳芳允院士為代表的專家學者提出了利用兩顆地球同步軌道衛星來測定地面和空中目標的設想，通過大量理論和技術上的研究工作，雙星定位系統的概念逐步明晰。

接下來，北斗是一步跨到全球組網還是分階段走？當時引發了爭議。最終，“先區域、后全球”的思路被確定下來，“三步走”的北斗之路由此鋪開。參與了技術路線討論的北斗一號衛星總設計師范本堯院士后來評價說：“全球組網需要大量的時間和資金。當時用戶還集中在國內、周邊，因此‘先區域、后全球的技術途徑更符合中國國情。”

作為解決“有無”問題的第一步，北斗一號需要花小錢辦大事，驗證系統設計思想的正確性。1993年初，我國提出衛星總體方案，初步確定衛星技術狀態和總體指標，次年研制工作全面展開。北斗一號系統于2003年建成，使我國成為繼美、俄之后第三個擁有自主衛星導航系統的國家。

面對快速增長的應用需求，北斗二號邁開了提升性能的第二步。早在1999年，我國在研制北斗一號的同時，就展開了對第二代衛星導航定位系統的論證。

2004年北斗二號衛星工程正式立項研制，隨后導航系統工程被列入我國16項國家重大專項工程。

2012年12月27日，北斗衛星導航系統正式提供區域服務，成為國際衛星導航系統四大服務商之一。

站在前兩代星座的肩膀上，北斗第三步邁得無比自信。星間鏈路、全球搜救載荷、新一代原子鐘等新“神器”閃耀亮相，整體性能大幅提升……今日之北斗已經夢想在握。

與國際先進衛星導航系統同臺競技

“‘巨人對我們技術封鎖，不讓我們站在肩膀上，唯一的辦法，就是自己成為巨人。”北斗一號衛星總指揮李祖洪說，“北斗的研制，是中國人自己干出來的。”

秉承“探索一代，研發一代，建設一代”的創新思路，中國北斗始終把發展的主動權牢牢掌握在自己手中，以志不改、道不移的堅守拼下累累碩果。

北斗一號系統原創性地提出雙星定位方法，打破國外技術壟斷，建立了國際上首個基于雙星定位原理的區域有源衛星定位系統。該星座的短報文服務在國際導航領域獨一無二，在汶川地震等國家重大事件中發揮了至關重要作用。短報文服務作為北斗的特色，在后續北斗衛星中保留了下來，為許多國家開展導航衛星研制提供了啟發。

北斗二號系統突破了區域混合導航星座構建、高精度時空基準建立的關鍵技術，實現了星載原子鐘國產化，并在國際上首次實現混合星座區域衛星導航系統。該系統建成后，其各項技術指標均與國際先進水平相當。中共中央、國務院、中央軍委對北斗區域衛星導航系統的建成給予了高度評價，稱“該系統建成并投入使用，是國家和軍隊信息化建設的重要里程碑，是對我國經濟社會發展的重要貢獻”。

在北斗三號全球組網建設中，中國航天科技集團五院（下簡稱五院）率先提出國際上首個高中軌道星間鏈路混合型新體制，形成了具有自主知識產權的星間鏈路網絡協議、自主定軌、時間同步等系統方案，填補國內空白;研發國內首個適于直接入軌一箭多星發射的“全桁架式衛星平臺”，實現了衛星自主監測和自主健康管理;實現了星載大功率微波開關、行波管放大器等關鍵國產化元器件和部組件成功應用，打破核心器部件長期依賴進口、受制于人的局面，為全球組批研制快速組網建設鋪平了道路。

作為國家影響力、威懾力的象征，北斗與國際先進衛星導航系統同臺競技，做到了“核心在手”，打破了美國GPS系統壟斷局面，增強了我國在國際導航領域的話語權和主動權。

中國北斗的國際視野和家國情懷

“一枝獨秀不是春”，中國北斗始終具有國際視野和家國情懷。

在國家支持下，該工程牽引帶動了數百家單位、數萬人團結協作，早已形成“全國一盤棋”的大格局。

在航天領域，五院緊密結合中國國情和航天系統研制實踐，創造性地提出了一套突破關鍵技術、形成系統集成、確保衛星產品高質量的項目群管理方法，全面支撐了衛星組批生產和密集發射，已成為宇航產品工程的新路徑、新思路。

在學科發展領域，北斗系統的研發直接帶動了航天器總體設計、航天器動力學、航天器環境試驗技術、空間數據系統、航天器數字化設計等專業快速發展，促進了導航星座時空基準建立與維持、導航信號生成與傳輸、空間微放電機理與抑制、原子物理應用等新興學科的建立。

在北斗系統上使用星座可靠性分析、衛星共位、大規模集成電路空間應用、國產碳纖維等大量新技術，顯著促進了我國結構材料、微處理計算機、微波器件、電子技術等基礎學科和工業的快速發展，提高了相關領域裝備的國產化水平，提升了科技產業對前沿技術發展的引領能力。

作為上游產業，北斗導航衛星系統既牽引了原材料、元器件、制造工藝的發展，又促進了下游基礎產品、導航終端用戶產品和運營服務產業鏈的形成，為建設下一代信息基礎設施、發展現代信息技術產業體系、推動國民經濟又好又快發展作出了貢獻。基于衛星導航定位的位置服務已成為新興產業領域。

推開新時代的大門，中國北斗初心不變，力爭2020年服務范圍覆蓋全球、2035年建設完善“更加泛在、更加融合、更加智能的綜合時空體系”。

（摘自《科學之友》2019年第7期）