中國科技體制下北斗導(dǎo)航的成長與不足

田原 張書雨

摘 要：北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國自主研發(fā)、獨立運行的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，它能夠提供全天候、全天時、高精度、高可靠的定位、導(dǎo)航、授時服務(wù)，并具備獨特的短報文通信功能。20世紀70年代，為了打破美國的GPS在衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域的壟斷地位，確保我國在國防、林業(yè)、漁業(yè)、運輸?shù)阮I(lǐng)域的戰(zhàn)略安全，我國組織開展了衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的論證和研究工作。北斗是由國家主導(dǎo)的大型工程，在每一次重大決策中，集體決策均充分發(fā)揮了作用。自研發(fā)至今，國家組織投入了大量的科研經(jīng)費，并調(diào)用了黨政軍各大部門配合實施工程建設(shè)。經(jīng)過40多年的努力，北斗二號區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)穩(wěn)定的向我國及周邊地區(qū)提供連續(xù)的定位導(dǎo)航授時服務(wù)。然而，伴隨著這些的巨大成就，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在全球監(jiān)測、精度可靠度、用戶機成本、星座穩(wěn)定性等方面，都存在一些可以改進的問題和需要加強的地方。目前全球一共有4個規(guī)模較大、技術(shù)成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，分別是GPS、GLONASS、Galileo和北斗，在未來，北斗必將面臨其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)全面的競爭，它必須在安全性、便捷性、可靠性、精確性等方面發(fā)展處自己獨特的優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：衛(wèi)星導(dǎo)航 科技體制 北斗 成就 發(fā)展

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）05（b）-0021-03

早在1973年4月，美國國防部就提出了研究、創(chuàng)建新一代衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng)的計劃。1991年，美國的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)GPS首次被美國空軍使用于美伊海灣戰(zhàn)爭，并在戰(zhàn)爭中展示了其卓越的性能和非凡的價值。GPS也被譽為人類繼登月計劃和航天飛機后在空間技術(shù)領(lǐng)域的又一大重大成就，是美國軍方繼internet之后為全球做出的另一大貢獻。

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)可以廣泛的應(yīng)用于國防、林業(yè)、漁業(yè)、運輸、通信等關(guān)乎國計民生的重大領(lǐng)域，并帶來極其顯著的經(jīng)濟政治效益。因此，對于一個國家而言，擁有獨立的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，就意味著能夠擺脫美國對GPS的控制，在經(jīng)濟政治軍事上不受美國的制約。不盡如此，正如美國擁有GPS后能對GPS使用者形成制約那樣，擁有獨立的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，便能對導(dǎo)航系統(tǒng)使用者保持某種程度的制約性。所以，盡管研制建設(shè)一個衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)需要巨大的資金和漫長的時間，那些擁有足夠?qū)嵙Φ膰液偷貐^(qū)還是在積極發(fā)展自己的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。

研制建設(shè)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，要求在現(xiàn)代計算機、微處理器、固態(tài)半導(dǎo)體、原子鐘、信號處理、大功率通信、運載火箭等領(lǐng)域擁有先進的技術(shù)，并且擁有強大的政治經(jīng)濟資源。目前，全球能夠滿足這一條件的，目前只有美國、歐盟、俄羅斯和中國。他們無一例外的都先后開始了獨立的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)研制建設(shè)。

北斗的系統(tǒng)研制建設(shè)秉持先解決有無問題，再解決好壞問題，抓住了全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的核心安全問題為突破口，一期工程先解決了我國區(qū)域內(nèi)獨立自主導(dǎo)航的問題，消除了安全隱患。二期工程著手于發(fā)展高精度高質(zhì)量的全球?qū)Ш较到y(tǒng)，開始與GPS競爭。

1 北斗一號的成就與問題

一個國家或地區(qū)，要發(fā)展自己的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，需要具備強大的政治經(jīng)濟科技力量。我國早在20世紀70年代就開始了導(dǎo)航衛(wèi)星的論證和研究工作，接著在80至90年代制定并開展了被稱為“北斗一號”的工程建設(shè)。工程的任務(wù)是利用少量地球靜止同步軌道衛(wèi)星來完成衛(wèi)星導(dǎo)航的試驗任務(wù)，并為北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)積累技術(shù)經(jīng)驗和培養(yǎng)人才，并開始研制建設(shè)一些地面應(yīng)用基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備等。

經(jīng)過十幾年的努力，我國在2002年正式開通運行了北斗一號試驗系統(tǒng)，使得我國成為繼美國、俄羅斯之后的第三個擁有自主衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的國家。完整的北斗一號系統(tǒng)包括4顆地球靜止同步軌道衛(wèi)星和若干個地面中心站、監(jiān)測站。北斗一號的用戶在使用時，需要向衛(wèi)星發(fā)送定位請求信號，請求信號經(jīng)過衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)至地面站后，地面站通過數(shù)據(jù)處理，將該用戶請求的結(jié)果再次通過衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)至用戶。用戶通過衛(wèi)星與地面站進行交互，在這種交互中，用戶被允許發(fā)送一些文字信息，這些文字信息可以根據(jù)用戶要求發(fā)送至其他指定用戶。

與GPS系統(tǒng)或GLONASS系統(tǒng)相比，北斗一號試驗系統(tǒng)主要有5個特點，一是包含的衛(wèi)星數(shù)量很少，二是地面監(jiān)測站的分部范圍較小，三是定位服務(wù)覆蓋區(qū)較小，四是用戶定位需要主動發(fā)送請求，五是用戶之間可以進行簡單交流。

北斗一號的論證時期是20世紀70年代，研制建設(shè)運行時期主要是20世紀80至90年代。北斗論證的時代背景是國家剛從十年浩劫中解脫出來，百廢待舉，直到1979年正式改革開放，中國才走上了一條漫長的經(jīng)濟復(fù)興之路。北斗論證時期，中國的GDP總量與美國相比，如圖1、圖2所示，不可同日而語，這制約了北斗試驗系統(tǒng)的規(guī)劃空間和系統(tǒng)規(guī)模。中國不得不采用雙星主動定位模式來進行衛(wèi)星導(dǎo)航試驗和驗證工作。與美俄相比，我國只發(fā)射了4顆衛(wèi)星用于試驗，這種模式迫使地面的用戶機必須具備強大的發(fā)射功率，而目前的電池技術(shù)完全無法支持這種大功耗用戶機長時間工作。更嚴重的是，這種主動定位式導(dǎo)航方式會暴露用戶機位置，不論軍方還是民間，均無法接受這一安全問題。

可以看到，由于初期經(jīng)濟實力的限制，要推進衛(wèi)星導(dǎo)航工程的研制建設(shè)，可以說是步履維艱，不斷需要面對預(yù)算不夠和發(fā)展不足的兩難問題。北斗一代的發(fā)展之路，可以說是非常艱難的。

另一方面，由于我國外交政策中不結(jié)盟的承諾，我國在海外并沒有軍事基地，這使得中國的北斗無法像美國或俄羅斯的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)一樣，獲得來自全球的地面監(jiān)測信息。而恰恰是這些信息，能夠讓一個衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)擁有較高的定位精度，并積累下大量寶貴的數(shù)據(jù)用于后期周邊研發(fā)。

北斗一代的成功運行，使得我國突破了美國GPS的安全枷鎖，擁有了獨立自主導(dǎo)航定位能力。但是，由于綜合國力、發(fā)展經(jīng)驗、國家安全等限制，北斗一代的主要用戶來自軍隊、林業(yè)、漁業(yè)、運輸、探測等重大民生領(lǐng)域，并未能在普通居民的日常生活中發(fā)揮作用。北斗一代的信號由于安全限制，普通接收機無法將其解調(diào)得到有用的信息。而系統(tǒng)的運行管理、研制建設(shè)均由國家主導(dǎo)，集體決策。所以，北斗一代沒有為民所享、為民所有、為民所治。

2 北斗二號的成就與問題

北斗二號衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是中國在北斗一號積累的寶貴經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，獨立開發(fā)的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。北斗二號并不是北斗一號的簡單延伸，它克服了北斗一號系統(tǒng)存在的缺點，能夠提供海、陸、空全方位的全球?qū)Ш蕉ㄎ环?wù)，類似于美國的GPS和歐洲的伽利略定位系統(tǒng)。根據(jù)系統(tǒng)研制計劃，中國預(yù)計在2020年建成由30多顆衛(wèi)星組成的，覆蓋全球的北斗二號衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。

北斗二號衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)空間段由5顆靜止軌道衛(wèi)星和30顆非靜止軌道衛(wèi)星組成，目前可以提供被動定位導(dǎo)航、測速、授時和通信服務(wù)，并且在服務(wù)精度、準確度、頻度上，都較北斗一號有了質(zhì)的飛躍。不僅如此，和GPS相比，北斗導(dǎo)航系統(tǒng)還有如下重要特點。一是北斗導(dǎo)航系統(tǒng)由我國自主控制，而GPS系統(tǒng)則是由美國軍方控制。GPS是由美國軍方掌控的系統(tǒng)，其可用度受制于美國的GPS政策，可在需要的時候局部關(guān)閉GPS信號。所以對于我國而言，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)是真正安全可靠，能夠為我國提供全天候、全天時服務(wù)的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。二是北斗導(dǎo)航系統(tǒng)衛(wèi)星高度約為GPS衛(wèi)星的1.8倍，接收機遮蔽角比GPS小，信號不易被接收機附近的高大物體遮蔽，北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)是真正適合于我國的無服務(wù)盲點的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。三是授時體制好、授時精度高，北斗地面控制中心具有多臺原子鐘并與國家授時中心組成北斗守時中心，為北斗系統(tǒng)提供高精度時間基準。北斗授時用戶終端只需接收任意一顆衛(wèi)星的任意一個波束信號，即可獲得授時信息。四是北斗具有雙向通信能力，北斗導(dǎo)航系統(tǒng)具備定位與雙向通信能力可以獨立完成移動目標的定位與調(diào)度功能。而GPS系統(tǒng)本身不具備通信能力需要和其他通訊系統(tǒng)結(jié)合才能實現(xiàn)移動目標的遠程定位。

2012年12月27日，北斗系統(tǒng)空間信號接口控制文件正式版1.0正式公布，北斗導(dǎo)航業(yè)務(wù)正式對亞太地區(qū)提供無源定位、導(dǎo)航、授時服務(wù)。2013年12月27日，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正式提供區(qū)域服務(wù)一周年新聞發(fā)布會在國務(wù)院新聞辦公室新聞發(fā)布廳召開，正式發(fā)布了《北斗系統(tǒng)公開服務(wù)性能規(guī)范（1.0版）》和《北斗系統(tǒng)空間信號接口控制文件（2.0版）》兩個系統(tǒng)文件。2014年11月23日，國際海事組織海上安全委員會審議通過了對北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)認可的航行安全通函，這標志著北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正式成為全球無線電導(dǎo)航系統(tǒng)的組成部分，取得面向海事應(yīng)用的國際合法地位。

北斗二號的研制建設(shè)階段正值我國經(jīng)濟騰飛時期，所以不論在系統(tǒng)規(guī)劃論證上還是在研制規(guī)模上，都可以立足于實際需求和未來發(fā)展來布局。這使得北斗二號能夠提供全球范圍的安全服務(wù)，用戶可以在安全的情況下得到準確的導(dǎo)航信息。

然而，和北斗一號相似的是，北斗二號依然存在地面監(jiān)測站數(shù)量不夠的情況。北斗系統(tǒng)在境外依舊沒有監(jiān)測站，這影響了北斗衛(wèi)星的及時控制，也降低了衛(wèi)星監(jiān)測數(shù)據(jù)的質(zhì)量。

北斗二代在北斗一代完全不同，它的導(dǎo)航信號體制規(guī)范文件已經(jīng)發(fā)布，能夠支持大范圍內(nèi)的高精度無源導(dǎo)航，普通居民完全可以在日常生活中隨意使用導(dǎo)航信號。不但如此，由于導(dǎo)航信號的體制文件的公布，任意接收機在接收到信號后都可以進行解調(diào)，得到自己需要的信息。可以說，北斗二代真正做到了為民所享和為民所有。但由于北斗二代是我國重要的戰(zhàn)略設(shè)備，其運行維護一直由軍方負責(zé)。同樣，世界上任何一個國家的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)均由軍方負責(zé)。由于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的特殊性，為民所治永遠不會發(fā)生。

北斗導(dǎo)航由一代到二代的巨大發(fā)展，需要大量的實質(zhì)性創(chuàng)新成果及成功應(yīng)用。北斗導(dǎo)航的創(chuàng)新模式并不是單一的某類創(chuàng)新。在北斗的研制建設(shè)中，我國采取的自主創(chuàng)新、模仿創(chuàng)新和合作創(chuàng)新三種模式都產(chǎn)生了明顯成果。由于發(fā)達國家對我國的技術(shù)封鎖，在關(guān)鍵的技術(shù)領(lǐng)域我國一沒有工業(yè)基礎(chǔ)，二沒有科研經(jīng)驗，北斗的科研團隊積極采取自主創(chuàng)新的工作模式，解決了大量難題，取得了成果；美國的GPS和俄羅斯的GLONASS都是成熟的全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，科研團隊根據(jù)我國具體情況，充分研究借鑒了另外兩個衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的成功之處。目前歐盟也在組織開發(fā)Galieo系統(tǒng)，我國也抓住機會，與歐盟合作，產(chǎn)生了科研成果?？梢哉f，在北斗的研制建設(shè)中，我國根據(jù)具體問題的特點，靈活的采用了不同創(chuàng)新模式，順利解決了一系列技術(shù)難題，這是北斗二代能夠成功運行服務(wù)的一個重要保障。

3 北斗未來的發(fā)展方向

北斗目前的用戶使用量還不如GPS多，還有巨大的經(jīng)濟效益沒有發(fā)揮出來，北斗導(dǎo)航系統(tǒng)未來的發(fā)展，我認為有兩個需要關(guān)注的方向。一是一定要解決全球建立監(jiān)測站的問題；擁有全球范圍的監(jiān)測站，就能夠為導(dǎo)航衛(wèi)星進行及時高效的維護和修正，使得衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)一直工作在一個良好的狀態(tài)中。這些都是一個衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)得到全球用戶認可的必要條件。二是需要進一步提高衛(wèi)星系統(tǒng)的智能程度；GPS已經(jīng)開始發(fā)展衛(wèi)星智能運行，衛(wèi)星可以在地面不干預(yù)的情況下根據(jù)預(yù)設(shè)信息依然正常運行一段時間。這種智能運行模式不但極大降低了衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的運行成本，也提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定程度和精確程度。

而在北斗未來的研制建設(shè)和發(fā)展中，科研創(chuàng)新體系也存在一系列問題。北斗的快速發(fā)展，是建立在眾多國家部委和眾多軍隊機關(guān)的配合上的。但這種多部門協(xié)作的方式也會帶來三類問題。在眾多平級部門之間、軍方地方之間，資源的分配不均和利用率不高，創(chuàng)新主體定位不清，政策執(zhí)行力度不夠始終是一個令人遺憾的問題。

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