艱苦卓絕的“北斗”發展歷程

龐之浩 王東（北京神舟航天文化創意傳媒有限責任公司）

經過26年的努力，2020年6月23日，我國第55顆“北斗”導航衛星順利升空，6月30日成功定點于地球靜止軌道（GEO），終于使北斗三號全球衛星導航系統星座在太空落成。它是我國著眼于國家安全和經濟社會發展需要，自主建設、獨立運行的全球衛星導航系統，是為全球用戶提供全天候、全天時、高精度的定位、導航與授時（PNT）服務的國家重要時空基礎設施。

2020年7月31日，北斗三號全球衛星導航系統建成暨開通儀式在北京舉行。習近平總書記鏗鏘有力地宣布：“北斗三號全球衛星導航系統正式開通！”

回首中國“北斗”自主創新的發展歷程，中國空間技術研究院研制團隊作為“北斗”導航衛星研制的“國家隊”，匯聚了各方力量，同舟共濟，攜手拼搏，走出了一條獨特的探索道路。

1 別開生面的“雙星定位”試驗系統

我國早在20世紀60年代末就準備研制導航衛星—“燈塔”，但后來由于多種原因而終止。20世紀80年代初，隨著我國經濟和技術的飛速發展，綜合國力的不斷增強，我國又開始積極探索適合國情的衛星導航定位系統的技術途徑和方法。1983年，中國科學院陳芳允院士創造性地提出采用“雙星定位”的設計方案，即利用2顆GEO軌道衛星實現國內導航定位。

所謂“雙星定位”就是通過采用衛星無線電測定業務（RDSS）方式來確定用戶的位置。它是以2顆衛星的已知坐標為圓心，各自以測定的本星至用戶機距離為半徑，形成2個球面，用戶機必然位于這2個球面交線的圓弧上。電子高程地圖提供一個以地心為球心、以球心至地球表面高度為半徑的非均勻球面，求解圓弧線與地球表面交點即可獲得用戶位置。

要想率先實現這種衛星導航定位是一項有較大風險的創新工程。為此，陳芳允院士、童凱院士等專家對這種“雙星定位”系統方案展開了積極的立項論證。

1989年，我國首次利用通信衛星進行了“雙星定位”演示驗證試驗，實現了地面目標利用2顆衛星快速定位、通信、授時的一體化服務，證明了該技術的正確性和可行性，為我國第一代北斗衛星導航系統—北斗一號啟動實施奠定了基礎。1993年初，中國空間技術研究院提出了衛星總體方案，初步確定了衛星技術狀態和總體技術指標。1994年，我國第一代衛星導航系統北斗一號工程立項。

經過不斷攻關，2000年，我國建成了由2顆北斗一號GEO軌道衛星組成的國內導航衛星試驗系統。2003年和2007年，我國又發射第3顆、第4顆北斗一號GEO軌道衛星，進一步增強了系統的性能。它采用有源定位體制，服務范圍為5°（N）～55°（N）、70°（E）～145°（E）；定位精度為20m；授時精度為100ns；支持用戶每次能發120個字的短信。

由2顆北斗一號導航試驗衛星組成的“雙星定位”系統示意圖

這2顆北斗一號衛星運行在經度相距60°的GEO軌道上，使我國成為世界上第三個擁有衛星導航系統的國家。此外，北斗一號也是世界上第一個有源衛星導航定位系統。所謂有源方式又叫主動式，即用戶進行導航定位時要主動向衛星發送信號。

北斗一號“雙星定位”系統具有周期短、投資少等優點，它不僅可全天候、全天時提供有源導航定位和精密授時，還能進行雙向數字區域短報文（RSMC）通信服務；不僅能使用戶知道自己的所在位置，還可以告訴別人自己所在的位置，特別適用于需要導航與移動數據通信相結合的用戶，是一個十分符合當時中國國情的衛星導航系統。

2 驚險絕倫的北斗二號區域系統

不過，北斗一號系統也存在一些明顯的先天不足，例如，它在定位精度、用戶容量、定位的頻率次數、隱蔽性等方面均受到限制，而且無法測速。為此，我國于2004年立項研制了北斗二號衛星導航系統，其方案是在國際上首次實現采用衛星RDSS業務和衛星無線電導航業務（RNSS）相結合的集成體制方式來為用戶提供PNT等服務。

北斗二號系統由運行在3種軌道的衛星組成，其中，GEO軌道衛星具備衛星無線電導航業務、衛星無線電測定業務功能；傾斜地球同步軌道（IGSO）衛星、中圓地球軌道（MEO）衛星具備衛星無線電導航業務功能。所以，北斗二號系統既能為用戶提供衛星無線電導航服務（低、中、高動態連續服務，用戶自主完成連續定位和測速），又具有位置報告及短報文通信功能，彌補了北斗一號的不足之處。

該系統具體工作過程：用戶被動測量來自至少4顆在衛星時鐘控制下的導航衛星連續發送的無線電導航信號，并根據這些衛星信號的不同傳輸時間來測定用戶到這些衛星的不同距離，然后通過用戶終端的數學運算得到用戶的三維坐標與速度。

然而，北斗一號雖已完成了“雙星定位”，但按照國際電信聯盟（ITU）的標準，它仍是“試驗系統”，與北斗二號衛星播發的導航信號技術體制完全不同，所以使用信號的頻率資源也不同。

2000年4月18日，國際電信聯盟批準了我國申報的導航衛星頻率和軌道，北斗二號衛星導航系統正式取得了合法地位。不過，根據國際規則，應在登記后的7年里（即在2007年4月17日之前）使用該頻率，否則就視為過期。

由于北斗二號是2004年才立項的，所以留給它的研制時間只有3年，而當時研制一顆衛星需要5年，因此時間緊、任務重。為此，“北斗人”不斷拼搏，并且優化流程，攻克了以導航衛星總體技術、高精度星載原子鐘等為代表的多項關鍵技術，終于在2007年4月初，把首顆北斗二號衛星與發射火箭運到了西昌衛星發射中心。

北斗二號區域衛星導航星座

2007年4月14日，我國第一顆北斗二號衛星順利升空。經過3天的在軌測試，北京終于收到了首顆北斗二號衛星發射的信號，并得到了國際電信聯盟的官方認定，使我國正式合法擁有了申報的空間位置和頻率資源。

2012年，我國建成了由14顆北斗二號衛星（5顆GEO衛星＋5顆IGSO衛星＋4顆MEO衛星）組成的區域導航衛星星座。北斗二號系統在兼容北斗一號系統基礎上，采用了混合星座，增加了無源定位體制，為亞太地區用戶提供定位、測速、授時和短報文通信服務。其服務范圍為55°（E）～180°（E），55°（N）～55°（S）；定位精度為10m；測速精度為0.2m/s；授時精度為50ns；短信的字數每次仍為120個字。

3 性能優異的北斗三號全球衛星導航系統

在“北斗”衛星導航系統的發展戰略上，專家們通過對不同發展方式的論證，最終決定采用“先國內有源、再區域無源、最后全球無源”這一“三步走”的“北斗”發展戰略。 作為“三步走”發展戰略的最后一步，我國在2009年正式啟動了北斗三號的建設。建設高性能、高可靠的北斗三號全球衛星導航系統作為我國科技領域中長期發展規劃的16項重大專項之一，可使我國衛星導航系統達到國際先進水平。

3種軌道衛星

從2017年11月5日發射首批北斗三號MEO軌道衛星起，我國正式開始建造“北斗”全球衛星導航系統。2020年6月23日，我國終于建成了由30顆北斗三號衛星（3顆GEO衛星＋3顆IGSO衛星＋24顆MEO衛星）組成的全球衛星導航星座。其中，MEO衛星具備衛星無線電導航業務和星間鏈路功能，IGSO衛星、GEO衛星具備衛星無線電導航業務、衛星無線電測定業務、星間鏈路功能。北斗三號全球衛星導航系統全球范圍定位精度優于10m，根據最新測算，全球實測定位精度均值為2.34m。

2020年6月23日發射的最后一顆北斗三號衛星是GEO衛星，它與前2顆北斗三號GEO衛星分別定點在80°（E）、110.5°（E）和140°（E），具備無線電導航、無線電測定、星基增強、精密單點定位、功率增強、站間時間同步和定位六大本領。

北斗三號GEO衛星與IGSO衛星都采用東方紅三號B平臺。該衛星平臺能集成多種載荷，成為天基數據傳輸網絡的中心節點；具備位置調整能力；在軌工作壽命12年。衛星有效載荷包含導航、天線和轉發3個分系統，平臺包含綜合電子、控制、推進、測控、電源、總體電路、自主運行、熱控、結構和監視測量分系統。

北斗三號全球衛星導航星座

性能明顯提高

與北斗二號系統相比，北斗三號系統除了把服務區域由區域擴大到全球覆蓋外，在定位精度和授時精度明顯提高，短信字數、衛星壽命大大增加。例如，衛星壽命由8年提高到10～12年，區域短報文提升至1000個漢字。北斗三號系統還按照國際標準，增加了全球搜救、全球位置報告和星基增強等拓展服務。由于有星基增強服務功能，所以可為應急通信、飛機起降提升熱點服務能力，滿足特殊用戶的需求。北斗三號系統的服務能力較北斗二號拓展了10倍，在通信、電力、金融、測繪交通、漁業、農業、林業等領域，更多的人可以享受到北斗三號系統的普惠服務。

北斗三號系統有不少重大技術創新或改進，突破了新型導航信號生成、星間鏈路、衛星自主健康管理、全桁架式衛星平臺、導航衛星高精度光壓建模、導航星座健康評估及預測等關鍵技術，實現了導航大型星座高效管理和我國導航衛星能力的提升和跨越。

其最大特色就是星座首次采用了星間鏈路技術，實現了星間數據傳輸和精密測量，可快速建立與中軌衛星、高軌衛星、地面之間的信息鏈路，滿足衛星一站式測控需要，從而大幅提高衛星測定軌精度，提升電文注入頻度，并解決了境外監測衛星的難題，大大減少了對地面站的依賴，提高了衛星自主導航的能力。掌握星間鏈路技術是“北斗”衛星系統實現自主導航的關鍵，用它不僅實現了北斗衛星相互間的通信和數據傳輸，還能相互測距，自動“保持隊形”，從而減輕了地面管理維護壓力，有效降低了系統的運行管理成本。

星載原子鐘被稱為導航衛星的“心臟”。北斗三號衛星上的原子鐘精度由北斗二號衛星的每30萬年誤差1s，提高到每300萬年誤差1s，綜合指標達到國際領先水平，這對提高定位和授時精度至關重要。

4 技高一籌的幾大特點

3種軌道衛星組成混合星座

美俄全球導航衛星星座都運行在MEO軌道，這樣可以很好地覆蓋全球。而北斗三號系統采用獨特的3種軌道衛星組成混合星座，且高軌衛星更多，這樣既能用MEO軌道衛星實現全球覆蓋、全球服務，又可用高軌道衛星抗遮擋能力強的優點，尤其在低緯度地區性能特點更為明顯，為亞太大部分地區用戶提供更高性能的PNT服務，首次實現導航定位、短報文通信、差分增強3種服務融為一體。

全球首個三頻信號服務的衛星導航系統

另外，美國“全球定位系統”（GPS）使用的是雙頻信號，它可以減弱電離層延遲的影響。而北斗三號系統是全球首個提供三頻信號服務的衛星導航系統，這是北斗衛星系統的后發優勢。使用三頻信號可以構建更復雜模型消除電離層延遲的高階誤差，并且能提高載波相位模糊度的解算效率，理論上還可以提高載波收斂速度。所以，通過多頻信號組合使用等方式，有效地提高了服務精度。

擁有美俄導航衛星各自的優點

“北斗”衛星導航系統與美國GPS系統一樣用碼分多址方式傳輸信息，而不像俄羅斯“格洛納斯”（GLONASS）系統采用頻分多址方式傳輸信息，目的是大大降低用戶接收機的成本，以便地面應用；在MEO軌道衛星入軌方式和星座優化設計上，“北斗”衛星導航系統不像GPS系統那樣把衛星布置在6個軌道面上，而是與GLONASS系統一樣，采用3個軌道面均勻分布的對稱星座設計，這樣有利于“一箭多星”發射，從而降低發射成本。

世界上首個集定位、授時和報文通信為一體的全球衛星導航系統

免費發送短報文是其獨有的一種重要功能，很多時候是“救命”的法寶。把導航與通信緊密結合起來，很適用于交通運輸、調度指揮、搜索營救、地理信息實時查詢等需要把導航與移動數據通信相結合的用戶。其定位與位置報告最短完成時間為1s，定位與指揮調度集于一體，事件內容與發生的地點、時間在一封短信中完成，擺脫了“先定位再報告”的弊病。由于北斗三號全球衛星導航系統創新融合了導航與通信能力，所以具有實時導航、快速定位、精確授時、位置報告和短報文通信服務五大功能，兼具星基增強、國際搜救等多種服務能力。

兼容與互操作性

“北斗”衛星導航系統與其他衛星導航系統之間具有兼容與互操作。衛星導航系統有其脆弱性，單一導航系統易被干擾、遮蔽，采用GPS＋“北斗”的雙衛星導航系統，可以提高系統的可用性和定位精度。

全面實施了自主可控原則

“北斗”衛星導航系統建設全面實施了自主可控原則，衛星上的全部單機產品及元器件實現了100%國產化，徹底擺脫了原子鐘、行波管放大器等衛星產品長期依賴進口受制于人的局面，為我國導航衛星批產研制奠定了基礎。

采用新型導航信號調制體制，具備下行導航信號體制重構能力

其實，北斗三號衛星還有許多“絕活”。例如，北斗三號衛星采用了以信號頻譜分離、導頻與數據正交為主要特征的新型導航信號調制體制，這能顯著提高衛星導航信號的抗干擾能力和測距精度，為信號擴容提供了基礎。另外，該衛星系統具備下行導航信號體制重構能力，可根據未來發展和技術進步需要進一步升級改進。此舉進一步改善了北斗導航衛星信號的性能，提高了信號利用效率和兼容性、互操作性。

首次實現衛星在軌自主完好性監測功能

北斗三號衛星還在世界上首次實現了衛星在軌自主完好性監測功能，這一功能對民航、自動駕駛等生命安全領域用戶來說，具有極強的實用價值。它能增加性能更優的互操作信號，即與世界其他衛星導航系統兼容性更好的B1C和B2a信號。其全新的導航信號體制和強大的在軌重構功能，也極大地提升了用戶體驗，因為通過兼容互操作技術，可為用戶在終端上接收多個信號奠定基礎，給用戶提供多種選擇方案。

5 結語

“北斗”衛星導航系統的建設實踐，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。北斗三號系統的建成，形成了滿足我國國民生產建設需要的PNT系統設施。隨著“北斗”衛星導航系統應用的發展，其必將面對更多、更新、更高的需求。

2035年前，我國將建成以北斗衛星導航系統為核心的天地一體（包括太空、地面、水下、室內）、覆蓋無縫、安全可信、高效便捷的國家綜合PNT體系，顯著提升國家時空信息服務能力，滿足國家安全和國民經濟需求，以更強的功能、更優的性能服務全球，造福人類。