北斗廿年艱辛與榮耀并肩

“一個國家只有擁有自主知識產(chǎn)權(quán)、獨立自主控制的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，才能保障國家安全?！北倍穼?dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)總設(shè)計師孫家棟說。

1994年，“北斗導(dǎo)航試驗衛(wèi)星”系統(tǒng)研制、建設(shè)全面啟動。從無到有，以孫家棟為總設(shè)計師的中國頂尖科學(xué)家們，在烏云翻滾、電閃雷鳴間隙發(fā)射北斗衛(wèi)星，在茫茫太空尋找丟失的衛(wèi)星，驚心動魄中創(chuàng)造奇跡。

迄今，北斗廿年。從“天上放衛(wèi)星”，到“地上用衛(wèi)星”，從曾經(jīng)的“最高機密”，到今日向民用市場推廣使用，中國人的“北斗夢”逐漸豐滿壯大。

僅以2014年為例，隨著北斗海外位置服務(wù)項目成功落戶巴基斯坦，北斗海事國際標準獲得認可，國內(nèi)自主研發(fā)北斗芯片僅一季度累計出貨200萬片有余，具備北斗定位功能手機4000余萬部投放市場……北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)和應(yīng)用如火如荼。

國家安全不能受制于人

41年前，美國軍方率先開始被稱作“全球定位系統(tǒng)”（GPS）的研制。

“GPS最初在國內(nèi)的應(yīng)用是從上世紀90年代初開始的，主要在地殼監(jiān)測、氣象監(jiān)測和專業(yè)測量等方面有應(yīng)用，到本世紀初方逐漸應(yīng)用到車載導(dǎo)航和高精度專業(yè)領(lǐng)域，并逐漸占領(lǐng)中國衛(wèi)星導(dǎo)航定位市場近95%的超高份額。”南方測繪集團技術(shù)管理中心總監(jiān)李耀忠說。

然而，1985年華盛頓“GPS全球定位系統(tǒng)國際運用研討會”上，美國軍方也曾明確表示，特殊情況下，為保證國家安全，美軍方將考慮采取降低對方導(dǎo)航精度、隨時變換GPS編碼及進行區(qū)域性管理等三種措施應(yīng)對緊急狀況。

一種想象不免令人時常不安。假如在關(guān)鍵時刻美國人關(guān)掉GPS，或者“動點手腳”，中國的戰(zhàn)略武器怎么辦？飛機怎么辦？路癡們怎么辦？事實上，這已經(jīng)不只是想象和擔(dān)心，早已有先例可循。

1991年1月17日至2月28日，以美國為首的多國聯(lián)盟在聯(lián)合國安理會授權(quán)下，為恢復(fù)科威特領(lǐng)土完整，對伊拉克發(fā)起局部戰(zhàn)爭。依托于GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的高科技武器重新定義現(xiàn)代化高科技戰(zhàn)爭，其所發(fā)揮出的高效率，為戰(zhàn)爭帶來前所未有之壓倒性優(yōu)勢的同時，更為世人帶來極大震撼。

1996年臺海危機，一次大規(guī)模中國軍演中，二炮曾向臺灣近海發(fā)射彈道導(dǎo)彈，第一枚就打出了精度較好的成績，越島命中目標?！暗?，第二枚導(dǎo)彈發(fā)射時，美國實施GPS信號中斷干擾，導(dǎo)彈發(fā)射結(jié)果竟然差了2.6公里?！?/p>

“真正使我們下定決心研制自己的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)源于1999年美國轟炸我國駐南聯(lián)盟大使館事件?！崩钜要q記得，當(dāng)時美國使用了多種與GPS相關(guān)的先進武器，包括巡航導(dǎo)彈、GPS炸彈、激光制導(dǎo)炸彈等?！拔覀兏惺艿矫绹说臑樗麨閹Ыo中國人的恥辱，更感受到前所未有的巨大軍事差距所帶來透不過氣的壓力，發(fā)展自己的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)迫在眉睫。”

“一個國家只有擁有自主知識產(chǎn)權(quán)、獨立自主控制的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，才能保障國家安全?！北倍穼?dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)總設(shè)計師孫家棟說。

于是，1986年提出并開始預(yù)研、1994年獲得國務(wù)院立項的北斗一代“雙星定位”系統(tǒng)加快了研發(fā)步伐。

2000年10月31日，北斗一號01星發(fā)射升空；

2000年12月21日，北斗一號02星發(fā)射；

2003年5月25日備份星03星發(fā)射，用于系統(tǒng)備份和差分定位優(yōu)化；

2003年12月15日，中國第一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)——北斗一代系統(tǒng)正式開通運行。服務(wù)性能包括四個方面，授權(quán)服務(wù)、公開服務(wù)、廣域差分和短報文服務(wù)。

“北斗一代系統(tǒng)解決了有和沒有的問題，系統(tǒng)的優(yōu)缺點都很明顯?！崩钜抑赋?，北斗一代系統(tǒng)優(yōu)勢在于可對定位用戶和定位行為進行管理，具有雙向數(shù)字報文通信能力，在汶川地震救災(zāi)行動中發(fā)揮出重大作用。

可是，上世紀90年代的中國，經(jīng)濟基礎(chǔ)仍然薄弱，太空夢想微小而低調(diào)。這個被命名為“北斗”的計劃，誕生之初并未著眼于全球。北斗一代系統(tǒng)只覆蓋亞太區(qū)域，定位精度低，過于依賴地面站參與定位，用戶數(shù)目有限，定位終端重量大、信號強、耗電多的“硬傷”也導(dǎo)致系統(tǒng)適裝性差并容易暴露

。為了使步子更穩(wěn)健，同時也根據(jù)國家建設(shè)與急需，北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的研發(fā)之初并沒有考慮全球化規(guī)劃。而解決有無問題后，基于國家安全和衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)發(fā)展的考量，我國需要建設(shè)自己的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，即北斗二代系統(tǒng)。

“以當(dāng)時的國家經(jīng)濟實力和科技能力，難以短時間內(nèi)研發(fā)和建立自己的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。參與歐盟伽利略項目，以期學(xué)習(xí)技術(shù)再謀求發(fā)展成為必然選擇。”李耀忠告訴記者。

無奈的是，隨著歐盟政治逐漸整體倒向美國，中國人被踢出了技術(shù)核心圈。獨立自主建立北斗二代系統(tǒng)成為必然。

2004年9月，北斗二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)被批準實施，總投資預(yù)計600億元人民幣。

北斗二代星座，包括軌道高度36000公里的地球靜止軌道（GEO）衛(wèi)星5顆，和傾斜同步軌道（IGSO）衛(wèi)星5顆，還有軌道高度21500公里、平均分布在三個傾角為55度的傾斜平面上的中圓軌道（MEO）衛(wèi)星27顆，一共37顆衛(wèi)星組成，均以國內(nèi)可靠性最高的東方紅三號衛(wèi)星作為平臺。

2012年12月27日，國務(wù)院新聞辦公室宣布北斗二代系統(tǒng)正式運行，并發(fā)布北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)空間信號接口控制文件B1（ICD）正式版。截至當(dāng)年底，北斗二代已經(jīng)發(fā)射16顆星，除2009年的一顆因軌道漂移失效外，其他15顆星均處于正常工作狀態(tài)（G6在調(diào)試中），形成了5顆GEO+5顆IGSO+4顆MEO的部署狀態(tài)。

據(jù)李耀忠介紹，北斗二代實行“兩步走”戰(zhàn)略，2012年先建成區(qū)域系統(tǒng)，再于2020年建成全球系統(tǒng)，解決了較少資金、技術(shù)不成熟的條件下，在較短時間實現(xiàn)區(qū)域定位的問題。

“GEO+IGSO+MEO”

為保證導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)走得穩(wěn)、走得更可靠，同時最重要的是對千百萬用戶服務(wù)，保證導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)的性能、指標以及服務(wù)的完好性非常關(guān)鍵而必要。

“在技術(shù)設(shè)計上，北斗二代采用中國人首創(chuàng)的‘GEO+IGSO+MEO’星座模式，提高星座測控率，使得北斗二代整體的精度控制大大提升，最大限度降低了中國缺少全球布站和高精度原子鐘對高精度軌道測量的影響?！崩钜医榻B。

不論美國GPS，還是俄羅斯“格洛納斯”和歐洲“伽利略”，均單純采用MEO（中圓軌道）星，為何北斗二代提出加入GEO（地球同步軌道）和IGSO（傾斜同步軌道）星？

李耀忠解釋，美、歐、俄的地面站皆為全球部署，對于MEO星的軌道測控覆蓋率達到80-100%，即基本上是全弧段測控。“中國沒有海外殖民地，其他國家不接受中國海外布站，因此，中國國內(nèi)站點對MEO星只能跟蹤40%?！?/p>

根據(jù)天文學(xué)理論，如果知道天體軌道上三個點的數(shù)據(jù)，則可以推測出其運行軌道?？蓽y量的點越多，并且越是不同弧度上的點，軌道數(shù)據(jù)計算就越準確。

“如果北斗二代全用MEO星，那么其他60%弧段的衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)就只能根據(jù)理論外推，再加上我們的星載原子鐘精確度低于歐美，衛(wèi)星軌道測量精度不足，定位精度將會受影響?！崩钜艺f。

沒有足夠的海外站，沒有高精度原子鐘，又要設(shè)計全球高精度定位系統(tǒng)，怎么辦？

首先，北斗二代系統(tǒng)采用GEO星，且5顆星全密布在東經(jīng)58.5度到東經(jīng)140度這一段中國領(lǐng)土上空，實現(xiàn)100%測控，且同時能當(dāng)作短信數(shù)據(jù)的通信衛(wèi)星使用。

其次，系統(tǒng)采用5顆IGSO星，軌道最北到北緯55度，形成8字形南北運行軌道，保證了接近80%的軌道測控率。

GEO+IGSO的高測控率，使得北斗二代整體的精度控制大大提升。

李耀忠透露，2014年底，我國將發(fā)射5顆MEO試驗衛(wèi)星，主要針對北斗二代第一步已有技術(shù)機制的修改和升級進行驗證，以及轉(zhuǎn)移到MEO衛(wèi)星上的北斗一代功能的技術(shù)可行性、可用性進行確認，以便大范圍部署MEO衛(wèi)星，為36顆衛(wèi)星覆蓋全球的目標探路，以期在2020年前實現(xiàn)北斗全球定位。

定位精度方面，據(jù)了解，北斗二代系統(tǒng)已實現(xiàn)亞太覆蓋，區(qū)域范圍內(nèi)精度已可媲美GPS。大眾民用的單點定位精度達到8米-10米，接近GPS水平；在高精度的差分及組合定位時則優(yōu)于原有GPS+GLONASS系統(tǒng)的定位精度。

北斗二代系統(tǒng)保留了上一代的短報文和用戶管理功能，獨特的星座設(shè)計使其減少了定位盲區(qū)，可用性大幅增加，高精度組合定位精度更高、速度更快、作用距離更長。基于以上優(yōu)勢，在高精度定位的專業(yè)測量和行業(yè)應(yīng)用中，北斗高精度終端性能大幅度提升，其可用性和效率大大提高，為自主知識產(chǎn)權(quán)的北斗高精度的產(chǎn)業(yè)化提供了堅實的基礎(chǔ)保障。

“北斗二代系統(tǒng)的高精度呈現(xiàn)除了歸功于其采用獨特的星座MEO+GEO+IGSO模式外，還因為它特殊的碼組合技術(shù)?！崩钜冶硎?，北斗二代直接采用B1、B2、B3碼，相比較而言，GPS系統(tǒng)在目前只能用L1、L2，其與B3對應(yīng)的L5碼要到2020年前后經(jīng)過GPS第三代的現(xiàn)代化改造才能得到全面應(yīng)用。

讓市場主導(dǎo)北斗產(chǎn)業(yè)

“過去幾十年里，大部分終端產(chǎn)品都是基于GPS開發(fā)的，但不管是從經(jīng)濟角度還是從國家信息安全角度，我們現(xiàn)在都應(yīng)該盡量推動使用北斗的信號?！边@是近年來，孫家棟在公開場合說的最多的話。

2011年12月27日，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航辦公室正式宣布向用戶提供試運行，自此，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)轉(zhuǎn)入與應(yīng)用推廣并舉的新階段，并逐步展開交通運輸、氣象、測繪等應(yīng)用領(lǐng)域試運營。

“北斗正在加快建設(shè)發(fā)展，未來要占領(lǐng)市場，其發(fā)展不能‘空心化’?！敝袊l(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)管理辦公室主任冉承其提出。

事實上，早在北斗開始提供服務(wù)時，中國已對外公開接口文件。國外一些大公司很快生產(chǎn)出兼容北斗信號的芯片，并以低價格出售回中國。

“假如到2020年，北斗產(chǎn)值四五千億，若其中三千億是買國外零部件回來組裝的，中國的附加值就只有千億左右?！睂O家棟不止一次算著這筆賬，由數(shù)據(jù)分析可見，終端設(shè)備國產(chǎn)化非常重要。

在孫家棟看來，衛(wèi)星導(dǎo)航的應(yīng)用模式變化超出了產(chǎn)品形態(tài)變化，應(yīng)用價值訴求超出了產(chǎn)值訴求，市場更善于時空信息的創(chuàng)新和利用，社會更注重位置服務(wù)的效益和效果同時，科學(xué)、技術(shù)、產(chǎn)品、資本以及全新的產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)，為衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域提供了越來越成熟的供給能力，技術(shù)進步與市場機制，使得原來成本極高的社會位置信息輕易可得。

隨著產(chǎn)品技術(shù)的成熟應(yīng)用更加廣泛，產(chǎn)品基于北斗系統(tǒng)優(yōu)勢提供了很多超出價值外的利益，從而使北斗得到更多發(fā)展。但是，“國內(nèi)企業(yè)如果不抓緊研究北斗產(chǎn)業(yè)化服務(wù)應(yīng)用，那我們提供的這個產(chǎn)業(yè)平臺，就不會帶動自己的產(chǎn)品和企業(yè)?！睂O家棟表示。

北斗系統(tǒng)若要實現(xiàn)后發(fā)趕超，既要依靠市場化運營，把北斗相關(guān)產(chǎn)品的生產(chǎn)規(guī)模提上去，形成較有競爭力的價格優(yōu)勢，還要在技術(shù)上實現(xiàn)更多的創(chuàng)新和突破。

李耀忠提出，“北斗系統(tǒng)未來應(yīng)著手于提升衛(wèi)星壽命，提高衛(wèi)星軌道精度，提高原子鐘精度，碼技術(shù)需要更加成熟完善，并考慮將北斗一代功能轉(zhuǎn)移到MEO上。應(yīng)用方面，包括芯片板卡、終端、系統(tǒng)解決方案在內(nèi)的核心技術(shù)提升，實現(xiàn)完全市場化競爭的能力，多個行業(yè)相對成熟的北斗系統(tǒng)應(yīng)用解決方案推出及成功應(yīng)用，為北斗系統(tǒng)實現(xiàn)全球服務(wù)后北斗產(chǎn)業(yè)及應(yīng)用推廣到全球奠定堅實基礎(chǔ)?！?/p>

然而，相比市場推動，李耀忠認為，國家政策性的引導(dǎo)和支持會使北斗系統(tǒng)的創(chuàng)新和利用在短時間內(nèi)更快占據(jù)主導(dǎo)地位?！艾F(xiàn)代社會不會盲目使用一些新產(chǎn)品或技術(shù)，往往都是在產(chǎn)品技術(shù)更為成熟時使用。核心技術(shù)如芯片、板卡、終端的成熟，技術(shù)解決方案的成熟及越來越多技術(shù)團隊的加入使北斗產(chǎn)業(yè)具有更強的能力，推動技術(shù)進步的同時，市場會逐步淘汰落后技術(shù)及團隊，從而使整個市場機制健康發(fā)展，推動社會導(dǎo)航發(fā)展方向。其間，在政府及相關(guān)部門統(tǒng)一規(guī)劃下，北斗發(fā)展在一定時間內(nèi)會更加良性發(fā)展?！?/p>

“未來衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)融合，首先必然是融合了多系統(tǒng)的各種導(dǎo)航定位應(yīng)用成為主流；其次是依托北斗系統(tǒng)獨特的優(yōu)勢，形成自主知識產(chǎn)權(quán)的北斗產(chǎn)業(yè)集群，有能力在世界范圍內(nèi)進行有益的良性競爭?！崩钜姨岢鲎约旱钠诖?/p>