中國北斗，東方傳奇

劉朝暉

“孤月滄浪河漢清，北斗錯落長庚明”，中國古代詩人對北斗七星有著無限遐思，如今，中國的北斗衛星導航系統，將詩句變為了人間現實。

在僅用一周的時間排除了火箭的技術故障后，北斗衛星導航系統的最后一顆組網衛星于6月23日9時43分，在西昌衛星發射中心用長征三號乙火箭成功發射，至此，北斗三號全球衛星導航系統星座部署全面完成。

當今世界共有四大全球衛星導航系統，分別是美國的GPS、俄羅斯的格洛納斯、歐盟伽利略和中國的北斗，正是因為有了北斗，中國才在衛星導航領域驕傲地占有了一席之地。習近平總書記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評價道：“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。”

從先驅者的“燈塔計劃”，到雙星定位系統概念的提出；從北斗一號系統從無到有，到北斗三號的服務全球，中國人用自己的智慧，自力更生，自主創新，自我超越，趟出了一條獨特的探索道路，讓北斗系統成為了真正的東方傳奇。

“三步走”明確發展戰略

中國開展衛星導航與定位研究最早可以追溯到上世紀六七十年代，立項于上世紀60年代末的“燈塔計劃”可以稱得上是中國衛星導航計劃的先驅者，但由于當時的技術條件和時代背景制約，這項計劃不得不終止。不過，初期的研究，為我國日后實施衛星導航計劃積累了寶貴的工程經驗。

1983年，我國“兩彈一星”元勛、衛星測量技術的奠基人之一陳芳允院士，提出了研制雙星快速導航系統，即利用兩顆地球靜止軌道通信衛星，實現區域快速導航定位的設想。通過大量理論和技術上的研究，雙星定位系統的概念逐步明晰。這也是當時大家公認的最優方案，但因經濟條件等種種原因又擱置了十年。

1991年的海灣戰爭，美軍利用GPS衛星導航，在戰場上摧枯拉朽，讓全世界都看到了衛星導航系統的巨大作用與價值。與此同時，時任航空航天工業部副部長的孫家棟與當時的國防科工委副主任沈榮駿中將敏銳地發現，擁有自主知識產權的衛星導航定位系統，對國家安全和軍隊保障至關重要。隨后，二人聯名致信當時的中央軍委委員、總裝備部部長曹剛川，闡明了他們對國家發展衛星導航系統重要意義的分析以及實現方法的建議。

在多方力量的積極推動下，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。1994年，中國的衛星導航工程獲批立項，研制工作全面展開，并以炎黃子孫的祖先們用于識別方向的北斗星命名。孫家棟被任命為工程的總設計師。自此，中國開始了第一代衛星導航系統的研制建設。

北斗衛星導航系統起步了，但是該一步跨到全球組網還是分階段走？這在當時引發了爭議。最終，“先區域、后全球”的思路確定了下來。按照“三步走”的計劃，2000年年底，建成北斗一號系統，向中國提供服務；2012年年底，建成北斗二號系統，向亞太地區提供服務；在2020年前后，建成北斗全球系統，向全球提供服務。2035年前還將建設完善更加廣泛存在且無所不在、更加融合、更加智能的綜合時空體系。

上世紀90年代初期，中國經濟情況剛剛有所好轉。在衛星導航系統建設上，中國的經驗也非常淺，處于嘗試和探索的初期，所以格外小心謹慎。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。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。”

2000年10月31日零時02分，我國長征三號甲運載火箭在西昌衛星發射中心托舉著我國首顆北斗導航試驗衛星升入茫茫夜空，27分鐘后星箭分離，衛星進入預定軌道。

這是中國衛星導航系統發展史上一個值得銘記的日子。“北斗衛星導航系統是全天候、全天時提供衛星導航信息的區域導航系統，該系統主要為公路交通、鐵路運輸、海上作業等領域提供導航服務。北斗導航系統首發星的成功發射，解決了我國自主衛星導航系統從無到有的問題，將對我國國民經濟建設起到積極的推動作用。”《中國航天報》當時刊登了這樣一段話，概括了那顆衛星的重要意義。

就在第一顆北斗導航試驗衛星成功入軌僅50天后，當年歲末，長三甲火箭又將第二顆北斗導航試驗衛星送入地球同步軌道。2003年5月25日，第三顆北斗導航試驗衛星成功升空，作為備份星與前兩顆工作星組成中國完整的第一代衛星導航系統——北斗一號。這標志著我國成為繼美、俄之后第3個擁有自主衛星導航系統的國家。

無論是從軍事還是民用角度來講，呱呱墜地的北斗導航，作為我國自主建設、獨立運行的衛星導航系統，打破了美國GPS系統壟斷的局面，增強了我國在國際衛星導航領域的話語權和主動權。

合作波折堅定自主決心

中國北斗一號的出現，也吸引了世界目光。當時，正在研發歐洲伽利略全球衛星導航系統的法、德、意等歐盟國家邀請中方加入“伽利略計劃”。

雖然有了北斗一號，但是如果能夠在合作中學習到西方國家的先進技術與經驗，對中國衛星導航技術的發展，無疑有極大的幫助。本著對高科技的渴求，中國以極大的誠意與歐方在2003年草簽合作協議，成為第一個加入“伽利略計劃”的非歐盟國家，并且將擁有這一系統的部分所有權和全部使用權。與此同時，中國承諾投入2.3億歐元的巨額資金用以研發工作。

然而好景不長，進入2005年，歐洲政治開始轉向，在美國用技術支持的誘惑下，突然親美的歐盟對中國進行了排擠，連“伽利略計劃”的決策機構都不對中國開放，更不用說參與到研發工作中了。中國和歐盟的這次合作可以說是無疾而終，中國投入的 2.3億歐元也打了水漂，連個響都沒聽到。

死了張屠夫，也不吃帶毛豬，有骨氣的中國人經過這次波折，明白了一個道理，這種尖端的技術，花錢是買不來的，由此也更堅定了獨立自主發展北斗系統的決心。

2005年，6位院士就發展我國獨立自主的衛星導航系統提出建議，起草了《關于促進北斗導航系統應用的建議》。該建議于2005年2月2日送呈國務院后，僅兩天后就得到國務院批示。國家發展和改革委員會有關司、局積極落實國務院批示，不僅將北斗導航系統建設列為國家基礎設施規劃，還解決了資金問題，為北斗衛星導航系統應用的自主創新創造了十分有利的條件。

按照“三步走”的發展戰略，全力建設北斗二號衛星系統、快速形成區域導航服務能力成為當務之急。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。與此同時，作為北斗衛星導航系統的抓總研制單位，航天科技集團首次開始批量研制生產衛星和運載火箭。從2004年項目啟動開始，北斗系統進入了為期4年的初樣研制階段。

研制道路上最大的“攔路虎”是高精度時間基準技術，這項核心技術直接決定著定位精度，決定著整個工程的成敗。研制團隊咬緊牙關，全力啃下了這塊“硬骨頭”，使國產星載銣鐘從無到有，從粗到細，性能指標不斷提高，成功突破了國外的技術封鎖。同時，研制團隊突破了國際上其他衛星導航系統均由中圓軌道衛星構建的慣例，創造性提出了國際上首個多軌道混合導航星座方案，可以用較少的衛星數量實現較高的性能指標，用較低的投入實現亞太大部分地區的導航覆蓋，既滿足國家戰略需求，又為國際衛星導航系統建設提供了新的技術路線。

這一時期，衛星系統共完成了4顆初樣星和1顆飛行試驗星的研制任務，攻克了星載原子鐘、高精度星地時間比對、監測接收機和用戶終端等多項關鍵技術，為北斗建設和可持續發展奠定了基礎。經過十幾年的工程實踐，大量的工程管理和技術人員得到了鍛煉，一批系統應用方面的人才被培養出來了，為系統的未來發展提供了保障。

值得一提的是，在衛星導航系統建設的初始階段頻率資源相對比較充沛，而到了北斗系統和伽利略系統建立的時候，頻率爭奪戰就非常明顯了。當時伽利略系統已經提前申請了頻率資源，但是后來伽利略系統資金鏈斷了。根據國際電聯“先到先得”的規定，哪一個國家能夠先把這顆衛星發射上去，并且由這顆衛星發射了這個頻率的信號，以后這個頻率資源就屬于哪個國家。

中國也向國際電信聯盟申請了用于組建北斗衛星網絡的公共頻率資源。2007年4月17日是北斗衛星所申報的頻率資源生效的最后期限，必須提前發射衛星，這在我國航天史上是非常罕見的。4月14日的凌晨，第一顆北斗導航應用衛星發射成功，在頻率資源失效前幾個小時由衛星發送了信號，成功地把至關重要的頻率資源牢牢抓在了自己手中。

“‘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。”

北斗性能走在國際前列

古有司南定八方，今有北斗觀天下。

作為國之重器，自主創新是北斗的必由之路。堅持自主創新，使北斗之路越走越自信。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。

2012年10月25日，第16顆北斗導航衛星與先期發射的15顆衛星實現組網，并于2012年年底向亞太地區提供服務，標志著我國北斗區域衛星導航系統建設完成。2017年11月5日19時45分，我國在西昌衛星發射中心用長征三號乙運載火箭，成功發射兩顆北斗三號全球組網衛星。這是北斗三號衛星的首次發射，標志著中國北斗衛星導航系統步入全球組網新時代。2018年一年之內發射了10顆衛星，這也創下了全球衛星導航系統組網最快紀錄。在此之前，世界四大衛星導航系統中，美國GPS系統最快紀錄為一年6星，蘇聯/俄羅斯格洛納斯（GLONASS）系統為一年9星，歐洲伽利略GALILEO系統為一年6星。2018年12月27日，北斗三號基本系統完成建設，開始提供全球服務，這標志著北斗系統服務范圍由區域擴展為全球，北斗系統正式邁入全球時代，成為了繼GPS、GLONASS之后第三個成熟的衛星導航系統，是聯合國衛星導航委員會已認定的供應商。

北斗系統從無到有，從有源定位到無源定位，從服務中國到服務亞太，再到全球組網，雖然建設起步比美國的GPS晚了20年，但設計方案和技術指標卻走在了世界前列。

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。該系統的短報文服務在國際導航領域獨一無二，在汶川地震的搜救中，短報文功能就發揮了重大的作用。短報文系統，簡而言之是通過衛星實現天地雙向通信。其他三大系統都不存在接收機和衛星之間的雙向通信，只是單向接收。作為北斗的特色，短報文服務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”。

到了北斗三號，性能提升更為顯著，進一步增進服務拓展，提供短報文服務、星基增強服務和國際搜索救援服務。其中短報文服務在全面兼容北斗二號短報文服務基礎上，容量提升10倍，用戶機發射功率大大降低，能力大幅提升。研發團隊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。

“從國內走向國際、從區域走向全球，北斗衛星導航系統是中國自主建設、獨立運行，與世界其他衛星導航系統兼容共用的全球衛星導航系統，系統總體性能在國際上處于領先水平。”全國政協委員、北斗衛星導航系統工程總設計師楊長風說。他介紹，自2018年底北斗三號工程建成基本系統、開通全球服務以來，北斗系統運行平穩，經全球范圍測試評估，在全球區域定位精度10米，在亞太區域定位精度5米，滿足指標要求。

服務應用惠及全球

北斗的最后這顆衛星原定于6月16日發射，但是在負12小時射前功能檢查時，技術人員突然發現一個技術問題。身處發射現場的長征三號甲系列火箭副總設計師李聃解釋：“這個問題導致壓力數據低于設計指標要求，隨即發射隊進行了問題排查工作，并且在短時間內就找到了故障點。”雖然經過技術排故，指標已經恢復正常，但是在發射前航天人有一個最基本的原則，就是“不帶疑點加注”“不帶隱患上天”，因此，北斗工程指揮部針對這個技術問題，進行了慎重研究，經過討論決定推遲此次發射。

有驚無險。也正是中國航天人的嚴謹，保證了最后這顆衛星在6月23日順利發射入軌，實現了北斗全球系統組網的完美收官。北斗所有衛星的發射任務也實現了100%的成功率。

目前北斗一號4顆試驗衛星已全部退役，從北斗二號首顆星起算，我國已發射55顆北斗導航衛星。最后發射的這顆衛星屬地球靜止軌道衛星，經過一系列在軌測試入網后，我國將進行北斗全系統聯調聯試，在確保系統運行穩定可靠、性能指標優異基礎上，擇機面向用戶提供全天時、全天候、高精度全球定位導航授時服務，以及星基增強、短報文通信、精密單點定位等特色服務。到2035年，我國將建成以北斗系統為核心的，更加泛在、更加融合、更加智能的國家綜合定位導航授時（PNT）體系。

目前，北斗系統已經被廣泛應用于社會生活中，與每個人的生活都息息相關。在包括市政管理、交通服務、防災減災、應急救援、安保安防等在內的諸多民生領域，北斗規模化應用發展趨勢明顯。比如港珠澳大橋采用北斗高精度形變監測系統，保障安全運行；國內銷售的智能手機大部分支持北斗。據楊長風介紹，全國已有600多萬輛道路營運車輛、近4萬輛郵政和快遞車輛、8萬輛公交車、3000多座內河導航設施、近3000座海上導航設施使用北斗。

隨著北斗衛星導航系統的更加完善，北斗的高精度定位、高精度授時、短報文發送功能將與互聯網、大數據、云計算等技術相互融合，將惠及更多的行業和個人，正如業內專家所說，“在中國，高精度位置服務正成為像水、電一樣的公共服務”。

孫家棟指出，全球衛星導航系統已成為經濟社會不可或缺的空間信息基礎設施，它將惠及人類生活和經濟發展。服務50多個國家、30多億人口的中國北斗，已成為我國對外交往的重要合作項目，顯著提升了我國的國際地位與影響力。

“自主、開放、兼容、漸進”是北斗建設的原則，因此，我國始終秉持“中國的北斗，世界的北斗”的發展理念，服務“一帶一路”建設發展，積極推進北斗系統國際合作。目前已經成立了中俄衛星導航合作項委會，中美、中歐衛星導航合作工作組；開通中俄衛星導航聯合監測平臺，與美、俄分別簽署系統兼容與互操作聯合聲明。通過雙方系統兼容與互操作合作，實現了雙贏。

目前，國際上已經有半數國家在應用北斗系統，在“一帶一路”建設中，中國北斗更是成為中國又一張閃亮名片。從印度尼西亞的土地確權，到科威特的建筑施工；從烏干達的國土測試，到緬甸的精準農業；從馬爾代夫的海上打樁，到泰國的倉儲物流；從巴基斯坦的機場授時，到俄羅斯的電力巡檢。在不同國度的不同領域，都有中國北斗的身影。

北斗提供全球服務，是北斗建設的一大步，也是北斗發展的新起點。正如孫家棟所說，“北斗一定要走向國際，因為衛星本身就是全球化的”。

（摘自《新民周刊》2020年第23期。作者為該刊記者）