北斗導航：安全 穩定 高精度

陳忠貴

2020年6月23日9時43分，北斗三號第三十顆衛星乘著長征三號乙運載火箭從西昌發射場發射升空。經過1541秒的飛行，衛星與火箭分秒不差地準時分離。從火箭監視相機傳回的圖像顯示在大屏幕上：衛星收攏的太陽翼徐徐展開，金光閃耀，如鯤鵬展翅，翱翔在距地面200多公里的太空中，睥睨蒼茫大海，掠過悠悠白云，飛向距地面3.6萬公里的天空。這個炫麗的畫面通過電視直播清晰地呈現在全世界觀眾面前。

火箭發射成功，星箭順利分離，衛星太陽翼展開到位，這些僅是衛星邁入空間的第一步。這顆地球同步軌道（GEO）衛星，將通過自身發動機把近地點推高至3.6萬公里，并將與赤道面的傾角從28.5度壓到0度，并最終停留在東經110.5度的赤道上空，保持從地球看上去固定不動。這顆衛星受到如此矚目，因其是組成北斗三號衛星星座全部30顆衛星的收官之星，也是其中3顆地球同步軌道衛星的收官之星。它的發射成功使北斗三號星座組網任務畫上圓滿句號。

2020年7月31日，習近平總書記在人民大會堂鄭重宣布：“北斗三號全球衛星導航系統正式開通！”這次開通儀式具有重大里程碑意義。

推進自主研發實現多項技術創新突破

在此之前，2019年11月完成了北斗三號3顆傾斜地球同步軌道（IGSO）衛星的收官發射，星下點軌跡始終走在以東經118度為中心的一個大8字上，為亞太地區服務奔走南北;12月完成北斗三號24顆中圓地球軌道（MEO）衛星的收官發射，星下點軌跡似遍歷南北55度范圍的波浪線，為全球服務東奔西忙。

由三種不同軌道組成星座是北斗的獨特設計，是繼承與發展相結合、區域服務與全球服務重點不同的設計體現，也是中國衛星導航自主創新、一路披荊斬棘發展歷程的結晶。上世紀70年代，我們就夢想建立自己的“燈塔”衛星導航系統。結合當時國內經濟技術條件，我國科學家創新性地提出雙星定位的構想。1994年，啟動實施北斗一號工程，服務我國及周邊地區，并于2000年12月完成系統建設，使我國成為繼美國、俄羅斯外，第三個擁有獨立衛星導航系統的國家。隨后，北斗二號于2004年啟動建設，2012年全面建成5GEO+5IGSO+4MEO、服務亞太地區的區域導航系統，為亞太地區提供導航授時服務。

2009年，啟動北斗三號的研制歷程，目標是實現全球導航服務。當時主要面臨幾大困難和挑戰。首先，北斗三號要與北斗二號平穩銜接，在使用上需兼顧老用戶，因此北斗三號在設計上保留了部分北斗二號的信號。其次，北斗三號的服務將從區域邁向全球，這就需要我們在全球布設監測和注入站。美國、俄羅斯和歐洲等國走的就是全球布站這條路。北斗如果也選用這種方案，不僅存在技術和經濟問題，還有其他不確定的風險。因此，在系統頂層設計中，采用星間鏈路進行星間測距、授時和數據傳輸，并采用最為先進的Ka頻段相控陣天線技術，在提高傳輸速率的同時，確保測距精度優于1厘米，使衛星和衛星之間、衛星和地面站之間成為互相連通的網絡，實現一星通全網通——這是目前世界上在軌衛星系統最先進的星間鏈路技術。

同時，要服務全球，就要和其它衛星導航系統同臺競技，我們必須在性能和服務水平上做到世界一流。因此，我們在信號體制上進行創新性設計，同時對影響信號質量性能的設備進行攻關，攻克了衛星使用的高精度銣鐘、氫鐘、銫鐘等時頻技術，信號生成和播發設備性能已達到國際同類產品的先進水平，增加星鐘自主平穩切換和信號完好性監測等功能，保證信號連續性，極大地提高了導航服務可靠性，在局部上處于領先水平。此外，為確保我國衛星上使用的產品都是自主可控的，通過發動國內元器件、單機產品研制單位攻堅克難，使衛星上產品全部由中國制造。

具備六大功能提供高品質全球導航服務

經過北斗科研團隊的艱苦努力，北斗三號系統經過十年的攻關、試驗和研制，終于攜六大服務功能展示在世人面前。

一是全球導航定位授時服務。這是衛星導航系統的核心功能，實測定位精度達到3米左右，授時精度達億分之一秒，居世界各衛星導航系統前列;二是全球短報文通信服務，每次可發送560比特的信息，可包含40個漢字的內容，每小時可提供30萬次服務;三是搭載國際搜救載荷，與其他系統聯合提供國際搜救服務;四是區域定位授時與報文通信服務，在即刻開機后快速定位，每次可發送1.4萬比特信息，可包含1000個漢字的內容，每小時可提供1000萬次以上服務;五是區域星基增強服務（SBAS），定位精度達到1米左右，完好可用告警時間小于6秒;六是區域精密單點定位（PPP）服務，將定位精度提高到實時分米級，事后達到厘米級甚至毫米級的精度。

可以說，這每一項功能服務都飽含北斗的特色和中國的情懷。如今，高精度的全球定位和授時已廣泛應用在陸海空天和各行各業，我國的飛機、船舶等在全球都有北斗衛星的陪伴，我們在世界各個角落都有北斗信號導航。北斗衛星導航系統與國際上其他衛星導航系統兼容共用，為全世界用戶貢獻一份中國力量。短報文通信功能可用于報文、圖片、語音等數據傳輸服務，可作為海上和荒漠等移動信號難以覆蓋地區的通信和應急救援手段。比如我們的漁船可通過北斗定位與報文通信獲知海洋和氣象狀況、向家人報位置報平安，有危急狀況可及時發出求救信息。如今，報文通信服務走向全球，可對全球航空航海等專門用戶提供運行監控和應急通信服務，我國大飛機等都在設計中加入了北斗短報文等應用，空管可隨時了解飛機位置和飛機狀況。星基增強服務也已在飛機航行和著陸中加以應用。精密單點定位服務，則應用于地質地貌和水文監測，可提前預報災情以保障人民生命和財產安全。此外，還應用于精密測繪、自動駕駛、建筑物變形監測等，充分彰顯中國精度。

建設衛星導航系統，為國防建設提供安全、可靠的應用保障，確保涉及國計民生的電力、金融、通信等基礎設施的導航信號安全。目前，北斗衛星導航系統已在國家安全和社會經濟領域得到廣泛應用，推動了我國導航產業的發展。同時，北斗衛星導航系統作為我國一張亮麗的名片，已成為聯合國全球衛星導航系統核心供應商，為越來越多的國際組織所認可，服務全球100多個國家。

北斗三號全球衛星導航系統已全面建成，將向全球提供安全可靠、連續穩定的高精度導航定位與授時服務。未來，導航定位技術的國際競爭會更加激烈。北斗人將繼續發揚“自主創新、開放融合、萬眾一心、追求卓越”的新時代北斗精神，進一步提高系統的性能水平，不斷擴展服務范圍，向深空、水下、室內延伸，進一步將導航和通信等融合，建設更加泛在、更加融合、更加智能的綜合導航定位授時體系，更好地服務全球，造福人類。