北斗的“世界領先”是如何煉成的？

告別受制于人！

1993年，我國“銀河號”貨輪從天津港出發前往伊朗，行至印度洋公海海域時突遇美國攔截，稱該貨輪涉嫌運輸化學武器，要求上船檢查。就在中方考慮如何回應時，美方直接切斷了貨輪的GPS信號。一時間，“銀河號”在海上失去方向，寸步難行。

時任外交部國際司副司長沙祖康回顧這段歷史時，連用了好幾個“窩囊”：“拒絕，窩囊，我們要背黑鍋;讓他們去查，某種程度上我們受到了侮辱，也窩囊”。

看人臉色的滋味不好受。次年，中國自主建設、獨立運行的衛星導航系統啟動建設——北斗正式起航。

27年后，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舉行，中國成為世界第三個獨立擁有全球衛星導航系統的國家。

三代中國北斗人，用27年的青春和血淚，為全人類提供了“中國方案”。

目前，國產北斗基礎產品已出口120余個國家和地區，基于北斗的土地確權、精準農業、數字施工、智慧港口等應用，已在東盟、南亞、東歐、西亞、非洲等地區成功落地。

時至今日，北斗系統像水和電一樣，成為人民日常生活中不可缺少的必需品，無處不在、觸手可及。國內衛星導航與位置服務領域企事業單位數量在14000家左右，從業人員數量超過50萬，形成珠三角、京津冀、長三角、鄂豫湘、川陜渝五大產業區。

根據中國衛星導航系統管理辦公室預測，到2020年，北斗導航產值將突破4000億元。

“天上建好，地上用好”，是北斗系統的口號。隨著北斗三號全球系統星座部署全面完成，“天上建好”的目標已宣告實現，未來北斗產業的發展重心將轉移到“地上怎么用好”。隨著底層應用場景趨于豐富并真正服務于社會，“北斗+”將延伸出更多商業路徑，北斗相關的產業規模勢必發生天翻地覆的變化。

“其實你已經用上了北斗，只是不知道，還管它叫GPS”

在北斗三號全球衛星導航系統正式開通后，《中國經濟周刊》記者獨家專訪了北斗三號系統衛星總設計師、中科院微小衛星創新研究院副院長林寶軍。采訪開始，這位人送外號“北斗狂人”的總設計師，就率先為北斗“安利”了一把。

林寶軍介紹，現在國內70%智能手機的芯片已經同時支持GPS和北斗。很多人感知不到北斗系統，是因為手機廠商、地圖軟件的制造商往往用“GPS”來代替所有衛星導航系統，大家也習慣說“打開GPS導航”。

現在世界上有四大衛星導航系統，分別為美國的全球定位系統（GPS）、俄羅斯的格洛納斯定位系統（GLONASS）、歐洲的伽利略衛星定位系統（Galileo）和中國的北斗衛星導航系統（BDS）。

就像水和空氣一樣，現代人的生活已經離不開導航，林寶軍道出依賴背后的奧秘：“我們80%的生活都和位置和時間有關，所以北斗三號組成的網是和百姓生活最密切的一張網。”

北斗三號組網星模型。《中國經濟周刊》記者賈璇I攝

北斗三號的非常“1+6”

北斗三號到底是一張什么網？

中國衛星導航系統管理辦公室主任、北斗衛星導航系統新聞發言人冉承其說，“北斗三號是功能強大的全球衛星導航系統，功能性能指標達到世界一流。”

世界一流的定位背后是過硬的實力。林寶軍介紹稱，“除具備其他三大導航系統都有的定位功能外，北斗三號還提供‘1+6的特色服務，即全球短報文、區域短報文、星基增強、地基增強、搜救服務和精密單點定位”，性能方面也是“人無我有、人有我優”。

值得一提的是，近年來，短報文通信可謂頻立戰功，可以把它簡單理解為“用衛星信號發送短信”。

2008年5月12日14點28分，汶川發生了里氏8.0級地震，由于震中受災極其嚴重，通信、電力、交通全部被破壞殆盡，抗震救災指揮部完全無法與震中取得聯系。

次日12時，指揮部總站值班監控屏幕上，一個信號紅點突然出現，“災區有人用北斗了！”空降兵勇士攜帶“北斗”終端深入重災區，打開了災區與外界的通信通道。

美國GPS之父帕金森教授對北斗的這一功能贊不絕口：既能夠知道你在哪里，也能夠知道我在哪里，是多么美妙的體驗。

“漁民出海遇險時，就可以通過北斗來求救，他不僅能把自己的位置和情況發出去，還能收到回復，漁民知道已經有人來救他了，心里多踏實。”林寶軍說。

北斗三號組網成功后，系統整體的短報文通信服務完成升級拓展，區域通信能力達到每次14000比特（1000漢字），既能傳輸文字，還可傳輸語音和圖片，并支持每次560比特（40個漢字）的全球通信能力。

不過，據林寶軍介紹，目前全球短報文容量有限，想要真正用“衛星發短信”還需等待一段時日。“到時候，需要開通授權服務的話，就像去營業廳申請手機號一樣簡單，不過如果申請的人太多了，可能會像北京和上海的車牌一樣搖號或限號”。

現在大部分手機上發揮作用的就是北斗

與其他衛星導航系統相比，北斗三號還有一大特點，即空間段采用三種軌道衛星組成混合星座。“形象來說，我們的衛星‘站得高看得遠。”林寶軍向《中國經濟周刊》介紹。

從星座構成來講，GPS、格洛納斯和伽利略均采用中軌道地球衛星，衛星軌道距離地球表面約20000千米;北斗系統則采用低中高軌道結合的組網方式，除有24顆中軌道地球衛星外，還有6顆距離地表約36000千米的高軌道地球衛星。“高軌道衛星的參與，讓中國及周邊地區北斗系統的可見星數更多，定位更快、精度更高，尤其在低緯度地區性能優勢更為明顯”。

林寶軍打開隨身手機，屏幕顯示研究院所處的上海張江地區上空，有15顆北斗衛星、9顆GPS衛星和10顆伽利略衛星。

北斗衛星定位系統工作的基本原理是測量出已知位置的衛星到用戶接收機之間的距離，然后綜合多顆衛星的數據就可知道接收機的具體位置，可見衛星數量的多少對于導航系統定位的精準度至關重要，同時也決定著系統整體性能。

“現在大部分手機上都是北斗和GPS共同作用，但咱北斗的可見星多，所以發揮主要作用的就是北斗。”林寶軍說。

目前，全球已有120余個國家和地區使用北斗系統，全球服務可用性優于99%，這意味著在一年365天中，用戶可在超過99%的時間內，享受到由北斗提供的服務。

給“瘦身”的衛星搞批發

據俄羅斯媒體報道，中國北斗在建設完成之后，還一口氣拿下了3個“世界第一”，即衛星數量世界第一、專利申請數量世界第一以及衛星組網速度世界第一。

目前，北斗三號共發射35顆衛星（含5顆試驗星），美國GPS系統為31顆，俄羅斯格洛納斯系統為24顆，歐洲伽利略系統為22顆。

“為了快速實現‘一箭多星，衛星的個頭兒就得變小，性能還不能減，壽命還得長，還得穩定，這個太難了。”林寶軍說。

據他介紹，北斗三號衛星中最小的衛星僅重847.6公斤，比一輛家用小轎車還要輕不少。此前，一顆衛星動輒就是三四噸的體重。據林寶軍介紹，北斗組網星體積也“迷你”，主艙體僅長1米，寬1米，高在2.5米左右。

小身材帶來高效率。“現在我們的小衛星，在工廠組裝好后，直接用車拉走就行了。從上海的工廠拉走，運到西昌發射場調試好具備發射條件，只需要33天，原來至少要3到4個月。”林寶軍說。

據公開資料顯示，美國GPS衛星導航系統部署最快時，完成“一年6星”任務，北斗人卻完成了“一年10箭18星”的壯舉。林寶軍驕傲地稱，“這速度在世界衛星導航系統歷史上可謂是奇跡了。”

除了給衛星“瘦身”，設計師還搞起了“批發”。

林寶軍介紹，“原來一顆衛星從園區設計完畢到打上天至少需要一年時間。現在我們是一次狀態確認，六星并行投產，兩星并行測試。在這種狀態下，我們不到100個人的團隊一年完成了8顆衛星的測試發射任務。”

據悉，北斗三號系統單星研制周期縮短1/4，運載火箭總裝周期縮短1/3，衛星入網周期縮短3/4。

此外，北斗系統是全球第一個提供三頻信號服務的衛星導航系統。這是北斗的后發優勢，GPS還在使用傳統的雙頻信號。

在使用三頻信號的情況下，如果一個頻率信號出現問題，可使用傳統方法利用另外兩個頻率進行定位，提高了定位的可靠性和抗干擾能力。據悉，GPS系統也在擴展成三頻信號系統。

夾縫里生存的后來者，此前不敢想象能超越美國人

“不再看人臉色過日子”，是北斗系統開通全球服務最重要的意義。除了給中國和世界更多選擇外，北斗系統本身的自主可控也至關重要。

“GPS都發展幾十年了，特別是好的頻率資源、軌道都被它占了，更重要的是相關專利都給它占了，按我的話，我們要在夾縫里生存，這是后來者的難度。這堆技術中國人都沒做過，當時難死我們了。”林寶軍說。

衛星定位采用的是無線電測距方式，即距離=光速×傳播時延。由于光速太快，為了精確地測出距離就必須精確地測出傳播時延。這樣就使時間精度成為導航的核心。

人們平時所用的鐘表，精度高的大約每年會有1分鐘的誤差，這對日常生活是沒有影響的，但衛星定位則需要世界上更準確的計時工具——原子鐘。它利用原子吸收或釋放能量時發出的穩定的電磁波來計時。

作為北斗衛星的“心臟”，原子鐘的每一次跳動都直接決定著北斗衛星定位、測速和授時功能的精度，用林寶軍的話來說，原子鐘的性能直接決定了用戶體驗。

“原子鐘的關鍵在于高穩定，北斗三號采用的中高軌道衛星，面臨的空間環境更加惡劣，衛星在天上受到的輻射比低軌衛星高了10倍。加上太陽風、宇宙射線等高能粒子，打到衛星的計算機上，更易出錯。”

但原子鐘的研發過程不僅要面對簡陋的條件、技術的封鎖，甚至連科研設備也少之又少。

絕處逢生，2006年我國第一臺星載銣鐘產品一飛沖天，搭載驗證取得成功。2012年，在北斗二號后期發射的衛星中，改變了以往的國產銣鐘為主鐘、進口銣鐘為備份的模式，國產銣鐘正式全面取代進口銣鐘。

經過綜合估算，北斗二號系統的精度大致是10米級，北斗三號使用新型原子鐘后，頻率穩定度提升了10倍，相應的北斗系統定位精度也從10米級跨向米級。

據林寶軍介紹，北斗三號組網衛星采用的是“一星兩鐘”，同時配置兩個氫鐘和兩個銣鐘，保證北斗的精度比世界其他三大導航系統高約10倍，每300萬年才會差一秒。

為了追上北斗衛星的高密度發射，曾經難倒人的星載銣鐘，批產能力已經達到了每年50臺左右。

除攻克原子鐘之外，中國航天400多家單位、30余萬北斗人集智攻關，相繼攻克含星間鏈路在內的160余項關鍵核心技術，突破500余種器部件國產化研制，實現北斗三號衛星核心器部件國產化率100%。

“在這之前，超過美國人這事兒，我們連想都不敢想。”林寶軍說。