北斗導航系統的發展歷程及應用研究

高貝貝 魯同所 廖偲含

摘 要：北斗導航系統（BDS）是我國自主研發、獨立設計，秉承著開放自主、兼容漸進建設原則的一項高新技術成果。本文主要介紹了它的構成，立項建設背景、研發歷程、特征性能、優勢和應用以及發展前景。BDS成功組網打破了GPS在我國市場應用的壟斷地位，提升了我國在國際相關領域的話語權和影響力。BDS全面投入使用將不僅能夠推動我國信息技術方面的革新，而且還可以提高國內各種資源的整體利用率和成果轉化率。

關鍵詞：BDS;北斗三號;衛星;航天;定位

中圖分類號：V19 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1673-260X（2021）04-0037-07

0 引言

有人說中國“北斗”距全面趕超美國“GPS”只差一顆衛星，2020年6月23日9時43分我們在西昌衛星發射中心實現了這個目標;換而言之，伴隨這一時刻的到來，已經擁有55顆組網衛星的北斗系統在亞太地區的精準度將達到前所未有的10cm，遠非精準度為30cm的美國GPS可比。在這個重要的歷史時刻，我們終于可以自豪地挺直中國航天的腰板。這意味著BDS（其軌道示意圖見圖1）完美完成發射任務并且成功組網。其實早在20世紀70年代我國便提出了有關北斗的構想，因為“銀河號”事件的發生，直到1993年才正式提出了規劃，1994年北斗一號正式立項，由此開始了長達30年的研發歷程。在這30年里，面對GPS的快速發展和風靡全球，我國全力攻克每一道難題，盡力修復系統缺陷，終于在2020年6月23日9時43分取得了巨大的突破。我們的在軌衛星數量遠超他國，定位精度優于其他系統，最重要的是，我們擁有其他國家不曾具備的優勢——短報文通信[1]，可以在國際搜救、救災行動中發揮重要作用。

1 什么是北斗導航系統

中國是繼美國、俄羅斯之后第三個自主研發出成熟的全球衛星導航系統的國家，現已成為聯合國衛星委員會欽定的四大供應商之一[1]。

“北斗”一詞來源于《尚書緯》，象征著希望和前進的方向[2]。BDS的標志（如圖2）是一個正圓形圖案，遠看象一對點綴著北斗七星的太極陰陽魚，下方散布著網格化地球，周圍環繞著中英文名稱;圓形圖案寓意為中國傳統文化中的“圓滿”;藍色代表著航天事業。早在遠古時期，人們便用北斗七星來辨識方位，我國古代發明的司南[3]（如圖3）是世界上最早的導航裝置，這兩種方位識別方法的應用彰顯了我國古人的智慧;網格化地球和中英文文字代表了BDS開放兼容的態度以及服務全球的愿景。

我國自主研發的BDS不僅是我國重要的空間基礎設施，還可以為全球用戶提供無間斷的定位、導航和計時服務。具體可分為開放服務和授權服務。BDS的徽章（如圖4）主要由三個部分組成：地球、司南和北斗七星。網格的下半部分代表相交的緯度和經度即我們生活的地球，表明BDS正在構建一個全球性的定位導航系統，寓意對未來的承諾和期望。網格上部波浪狀的圖案是指在戰國時期古中國所采用的導航裝置-司南。司南是由天然磁鐵礦制成的杓形物體，放置在標有方向的光滑的銅板上，利用磁鐵指南的作用，可以識別方向。它是世界上最早的指南針。BDS徽章中包含司南元素一方面是為了突出中國導航的悠久歷史，另一方面也代表了BDS的基本職責即定位導航，指示人們前進的方向。

頂部印刷的是每個人都熟悉的星體組合——北斗七星（如圖5）。北斗七星在古代是指引人夜間行進的重要標志，用在此處一則可以展示BDS作為人們的向導，二則也反映了濃烈的民族色彩及自豪感。

BDS采用點位測量技術，利用3顆人造衛星即可實現精準的導航、定位、授時等功能[3，4]，目前全球各國的衛星導航系統均采用三球交匯定位原理[5，6]（如圖6），具體流程如下：

（1）地球上的北斗用戶接收機可以同時測量到3顆衛星的距離。

（2）各衛星的位置通過導航電文播發給用戶。

（3）以衛星為球心，接收機到衛星的距離為半徑畫球面。

（4）3個球面相交得兩個點，根據地理常識排除一個不合理點即得用戶位置。

值得注意的是，因為誤差的存在，3顆衛星的定位并不是特別準確，這就需要3顆以上的衛星來實現高精度的定位。

毫無疑問，BDS系統也采用了三球交匯原理進行建造設計，通過地面的控制中心進行數據解算，隨后向用戶提供坐標數據。整個系統由三大部分組成：空間部分（人造衛星）、地面部分（地面監控站）與設備部分（衛星信號接收設備）;空間段包括5顆靜止軌道衛星和30顆非靜止軌道衛星，地面段包括主控站等許多個地面站，用戶段包括北斗與其他衛星導航系統兼容的終端[7]。

2 北斗導航系統的提出背景

2.1 國外催化

GPS（如圖7）是美國為監控快速發展的蘇聯而聯系多位科學家研發的。為收回成本，各國必須高價購買才能得到使用權。GPS最早應用在軍事領域，為防止提供方隨意更改編碼及錯亂定位，我國決心建立屬于自己的導航系統——BDS（如圖8）。

2.2 國內需求

衛星導航系統不僅能夠為全球的用戶提供24小時不間斷的高精度的導航、定位和授時服務，還可以拓展人類活動、促進社會發展，創造很高的經濟效益。作為獨立自主的大國，建立專屬于本國的衛星導航系統勢必能顯示其綜合國力，還能在世界上爭取更多話語權。

首先，從國家安全方面考慮，如果我們引進GPS，不僅要付出巨大代價接受美國的低版本服務，還得提防美國惡意操縱系統（延遲信息、虛假信息、關閉系統等）;建立自己的衛星導航系統，可以擺脫依賴，在未來戰爭中發揮主導作用，否則我們將會受制于人。具體事例如下：（1）1991年海灣戰爭時期美國充分利用GPS的精確制導圖像服務，僅用2顆導彈輕松的摧毀了伊拉克水電站。（2）在1993年“銀河號”事件中，美國為牽制我國，擅自關閉了我國的導航服務，致使“銀河號”迷失方向，被迫停留在海灣地區33天，使我國蒙受巨大損失[8]。（3）1999年印巴卡吉爾戰爭時期美國擅自關閉了印度在戰區的武器定位服務，使得印度的軍事武器失去作用。雖然印度最終取得了戰爭的勝利，但也遭受了較大傷亡。為避免這類事件再次上演，我國踏上了自制導航系統的道路。

其次，出于經濟因素考慮，擁有專屬于本國的定位系統，不僅能夠優先低價服務國人，讓我國相關行業應用這種先進設備，發揮更大作用、創造更多的社會價值和物質財富。此外，還可以將BDS遠銷國外，投入國際市場，參與國際競爭，賺取外匯，百利而無一害。

最后在技術層面上，科學技術的發展永不停息，各國都在爭做先驅。一旦我們發展了自己的衛星導航系統，我們就有了相應的技術儲備，這便意味著我們國家的科學技術水平領先于世界其他國家，在即將到來的科技大潮中可以搶占先機。

2.3 國際大勢

當今世界主要有美國的GPS、中國的BDS、歐盟的GALILEO和俄羅斯的GLONASS四大系統。實際上其它國家也有獨立的、區域性的衛星導航系統，比如日本、印度等國家[9]。其中美國的GPS1973年啟動，1995年全面應用，比其他導航系統發展迅速且全面。20世紀90年代，GPS走進手機，開始普羅大眾。各國也在利用GPS創造更多的價值，隨著應用范圍的擴展，GPS衍生產品已經成功打入全球無線通信終端，并成為一項重要的產品，直接推動了GPS產品市場的快速發展。

國外衛星領域的蓬勃發展以及國內迫切的市場需求，引起了政府的高度重視，最終決定研制屬于自己的導航系統，故此我國踏上了北斗之旅[10]。

3 北斗系統衛星發射、研制歷程

其實早在20世紀70年代我國就提出BDS論證方案——“燈塔”計劃，與美國、蘇聯同期擁有構想，后因為國內外嚴峻的形勢，被迫暫停計劃。后又因為1993年“銀河號”事件的發生，我國決定重啟“燈塔”計劃（如圖9）。

1994年，中科院院士孫家棟與時任國防科工委副主任的沈榮駿聯名向國家提議此事，由此北斗一號工程正式立項，我國開始了漫長的研制工作[11]。俗話說萬事開頭難——1994年，改革開放不到20年，中國的經濟基礎十分薄弱，資金有限、人才匱乏、技術經驗不足，還面臨著美國和歐盟的技術禁運。顯然我們不可能一下子就建成整個系統，這注定會是一個漫長的探索過程。于是整個北斗計劃被調整為我們現在所看到的“三步走”[11，12]（如圖10）。

實際上從1994年至2007年，我國只發射了4顆試驗衛星，僅覆蓋國內，進行區域測試服務，目前三顆已停用，另一顆無法正常進行工作。其中2000年發射的兩顆靜止衛星，實現了亞太區域性衛星導航服務;2003年和2007年各發射的一顆備份衛星，進一步增強了系統性能，至此實現覆蓋國內區域性定位服務。2007年北斗一號正式完工，這表明我國在軍事領域（戰術武器等）方面一定程度上已經擺脫了對GPS的依賴。

由于自建衛星導航系統所需資金巨大，按照原計劃，我國只需研發出北斗一號應用于亞太地區即可。在全球性應用方面寄希望于與歐盟共同推出GALILEO系統，相比于GPS而言，GALILEO是一個優先發展民用的系統，并不會與軍方有太多牽扯，面臨的軍事威脅大大降低，同時參與“GALILEO計劃”還可以讓我國學到更為先進的技術。2000年GALILEO立項;2003年我國率先加入該項目，投資超2億歐元，并迅速成立了中歐衛星導航技術培訓合作中心。然而，造價僅僅相當于一個歐洲中型機場的GALILEO系統進展很不順利，歐盟麾下各國明爭暗斗，導致這個項目被不斷推遲。雖然中國是投資方卻被不斷排擠，歐盟很多核心技術的研究都把中國排除在外。因此中國果斷決定：自己干！

于是北斗二號開始了緊鑼密鼓的研發，中國正式踏上建設第二代北斗衛星導航系統（北斗二號）的征途[13]。在攻克了原子鐘的核心技術難題之后，中國又在與歐盟GALILEO的頻率之爭中拔得頭籌——當時國際電信聯盟分配給衛星導航系統的頻率資源是有限的，其分配原則是先發先得，在GPS與GLONASS先后占據最優頻率后，北斗與GALILEO同擂競爭次優頻率。在攻克了種種難關之后，我們最終先于GALILEO將衛星發射升空，保住了這來之不易的寶貴頻率。到了2012年，我們已經成功發射了16顆衛星，對亞太地區實施了全覆蓋。尤其是在2012年4月30日4時50分，我國突破了技術的限制，首次以“一箭雙星”的方式發射了兩顆衛星。相較于北斗一號，北斗二號不僅囊括了北斗一號原有的系統技術，還增加了許多性能，比如無源定位體制。在北斗二號的建設與運行過程中，我們積累了大量的技術和經驗，于是有了更大的想法，即把北斗送出國門，送出亞太，投向世界。

2009年在北斗二號第二顆衛星發射的同時，北斗三號正式啟動建設。2017年11月5日北斗三號進行了首次發射，標志著BDS系統開始步入全球組網時代[14]。2018年12月27日，北斗三號系統基本建設完成，預備開始提供全球服務。2020年6月23日9時43分發射的最后一顆北斗組網衛星，是北斗三號第32顆衛星，同時也是第55顆北斗全球組網衛星。至此，整個北斗系列共發射了59顆衛星（如圖11），它們分別分布在地球靜止軌道（GEO）、傾斜地球同步軌道（IGSO）和中圓地球軌道（MEO）[15]。

“三步走”北斗系統的具體情況與對比如表1。

4 北斗系統的特點優勢

BDS不僅具備其他系統都有的功能，還擁有自己鮮明的特征（如圖12）即它由三種軌道組成[15]。通過三種軌道上的衛星相互配合，BDS就像是太空中的一張大網，它不僅能夠覆蓋全球，還提供了高精度的定位和導航服務。近年來我國及周邊地區相繼增加了IGSO衛星，這不僅可以使局部區域導航功率信號增強，還能進一步提高我國周邊及亞太地區的導航精度。三種不同軌道的衛星各司其職、優勢互補，形成具有國家特色的衛星導航系統。

由于種種原因，我國不可能像美國GPS那樣，在全球建立地面站。為解決境外衛星的數據傳輸通道問題，BDS又最先采用了一個獨特的新設計——星間鏈路[14]，它不僅解決了在全球建地面站的難題，還將其精度提升了兩倍。

5 其他導航系統及性能參數對比

目前全球有四大衛星導航系統（如圖2，圖13），其中美國的GPS一經問世便以其高精度、全天候、全球覆蓋、方便靈活的特質吸引眾多用戶，其綜合定位精度可達厘米毫米級別，在全球范圍內覆蓋;而歐洲的GALILEO是從1978年開始制定計劃，是世界上第一個優先考慮民用的全球衛星導航系統，有“歐洲GPS”之稱，但其系統性能一般，曾在2019年下半年因系統故障，被迫中止服務一個多月;俄羅斯的GLONASS可追溯至蘇聯時期，后因蘇聯解體，該計劃由俄羅斯接手，原定2007年年底投入使用、2009年年底拓展至全球，但終因資金不足等因素，GLONASS計劃至今仍在研制階段，它們與BDS之間的性質參數對比如下（見表2）。

6 應用領域

衛星導航定位系統廣泛應用于各行各業（如圖14），早些年GPS一家獨大，占市場比重過大，近些年隨著BDS、GALILEO及GLONASS的逐步發展完善，GPS的市場份額逐步降低，BDS的比重也在穩步增加，應用領域也在拓寬。

北斗產業也應用于其它方面，依據不同的定位精度（1mm-100m）劃分出了大眾消費市場和高精度專業應用市場（如圖15）;主要劃分為三個層次：國防應用、行業應用以及大眾消費應用。其中國防應用涉及到對船舶、汽車、飛機、潛艇等運動物體進行定位導航[16]以及水上排雷定位等;行業應用涉及經濟安全等方面，比如農業監控、森林調查、土地測量、車輛導航、城市智能交通等相關領域，北斗產業成熟后將在專業應用中具有巨大發展空間（見表3）。

而在大眾消費應用市場方面，主要包括個人導航服務、道路智能導航應用、應急救援、危險品（貴重物品）運輸以及精細化應用等板塊。

7 研究意義及發展前景

我國衛星導航產業正迎來大規模爆發性發展契機，目前我國相關領域企業數高達1.4萬家，從業人數超50萬;截至2019年年底，專利申請量累計已達到74897件，高居全球第一位;2019年我國衛星導航與位置服務產業總體產值達3450億元，較2018年增長14.4%（見圖15）[17]。據發改委規劃，2020年市場規模將達4000億元[17]，截至2020年8月27日北極北斗產業規模已超500億元[22]。

如果說，冷戰時期的大國地位是靠原子彈決定的，那么21世紀初的大國地位很可能是靠原子鐘來決定的[18]。幸運的是，中國已經成為世界上第三個在太空部署原子鐘的國家，它不僅將是無處不在的向導，更將意味著標準、影響力以及制定游戲規則的權利[19]。普天之下，北斗照耀。

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