中國北斗的前世今生

付毅飛

“北斗系統(tǒng)已成為中國實施改革開放40年來取得的重要成就之一。”習近平主席在聯(lián)合國全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)國際委員會第十三屆大會的賀電中如此評價。

回首來路，不論是先驅者“燈塔計劃”的未果而終、雙星定位系統(tǒng)概念的提出，還是北斗一號系統(tǒng)從無到有，北斗二號系統(tǒng)正式提供區(qū)域服務，再到北斗三號以昂揚的姿態(tài)走向世界……北斗蹚出了一條獨特的發(fā)展道路，在導航領域成就了一段波瀾壯闊的東方傳奇。

如今，在浩瀚星空之中，幾十顆中國“星星”閃爍，將“光芒”灑向廣袤大地。經過20余年努力，中國北斗工程完成了“三步走”戰(zhàn)略、發(fā)射了44顆衛(wèi)星，在天疆部署了“大棋局”，特別是北斗三號衛(wèi)星以一年19星的佳績在太空中刷新了“中國速度”。

“先區(qū)域、后全球”的“三步走”戰(zhàn)略

衛(wèi)星導航系統(tǒng)，是國家安全和經濟社會發(fā)展的重要信息基礎設施，也是衡量一個國家綜合科技實力的重要標志，以往只有少數發(fā)達國家掌握這門尖端科技。2018年，我國北斗衛(wèi)星進入密集發(fā)射期。如今，北斗衛(wèi)星正在布局全球組網，爭取到2020年可以為世界各地的人們提供全球定位、導航、授時、短報文等服務。

在我國開始規(guī)劃北斗藍圖時，歐美等國家就已經完成了全球系統(tǒng)布局，但以我國當時的國情，不能再走歐美國家的老路，必須另辟蹊徑，走一條多元融合發(fā)展的新路。

在北斗工程誕生之前，我國曾在衛(wèi)星導航領域苦苦摸索，在理論探索和研制實踐方面都開展了卓有成效的工作。

立項于20世紀60年代末的“燈塔計劃”作為先驅者，雖然最終因技術方向轉型、財力有限等原因終止，卻如同黑夜中的一盞明燈，為后期導航系統(tǒng)研制積累了寶貴的經驗。

1983年，以陳芳允院士為代表的專家學者提出了利用兩顆地球同步軌道衛(wèi)星來測定地面和空中目標的設想，通過大量理論和技術上的研究工作，雙星定位系統(tǒng)的概念逐步明晰。

接下來，北斗是一步跨到全球組網還是分階段走？當時引發(fā)了爭議。最終，“先區(qū)域、后全球”的思路被確定下來，“三步走”的北斗之路由此鋪開。參與了技術路線討論的北斗一號衛(wèi)星總設計師范本堯院士后來評價說：“全球組網需要大量的時間和資金。當時用戶還集中在國內、周邊，因此‘先區(qū)域、后全球的技術途徑更符合中國國情?！?/p>

作為解決“有無”問題的第一步，北斗一號需要花小錢辦大事，驗證系統(tǒng)設計思想的正確性。1993年初，我國提出衛(wèi)星總體方案，初步確定衛(wèi)星技術狀態(tài)和總體指標，次年研制工作全面展開。北斗一號系統(tǒng)于2003年建成，使我國成為繼美、俄之后第三個擁有自主衛(wèi)星導航系統(tǒng)的國家。

面對快速增長的應用需求，北斗二號邁開了提升性能的第二步。早在1999年，我國在研制北斗一號的同時，就展開了對第二代衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)的論證。

2004年北斗二號衛(wèi)星工程正式立項研制，隨后導航系統(tǒng)工程被列入我國16項國家重大專項工程。

2012年12月27日，北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)正式提供區(qū)域服務，成為國際衛(wèi)星導航系統(tǒng)四大服務商之一。

站在前兩代星座的肩膀上，北斗第三步邁得無比自信。星間鏈路、全球搜救載荷、新一代原子鐘等新“神器”閃耀亮相，整體性能大幅提升……今日之北斗已經夢想在握。

與國際先進衛(wèi)星導航系統(tǒng)同臺競技

“‘巨人對我們技術封鎖，不讓我們站在肩膀上，唯一的辦法，就是自己成為巨人?！北倍芬惶栃l(wèi)星總指揮李祖洪說，“北斗的研制，是中國人自己干出來的?！?/p>

秉承“探索一代，研發(fā)一代，建設一代”的創(chuàng)新思路，中國北斗始終把發(fā)展的主動權牢牢掌握在自己手中，以志不改、道不移的堅守拼下累累碩果。

北斗一號系統(tǒng)原創(chuàng)性地提出雙星定位方法，打破國外技術壟斷，建立了國際上首個基于雙星定位原理的區(qū)域有源衛(wèi)星定位系統(tǒng)。該星座的短報文服務在國際導航領域獨一無二，在汶川地震等國家重大事件中發(fā)揮了至關重要作用。短報文服務作為北斗的特色，在后續(xù)北斗衛(wèi)星中保留了下來，為許多國家開展導航衛(wèi)星研制提供了啟發(fā)。

北斗二號系統(tǒng)突破了區(qū)域混合導航星座構建、高精度時空基準建立的關鍵技術，實現(xiàn)了星載原子鐘國產化，并在國際上首次實現(xiàn)混合星座區(qū)域衛(wèi)星導航系統(tǒng)。該系統(tǒng)建成后，其各項技術指標均與國際先進水平相當。中共中央、國務院、中央軍委對北斗區(qū)域衛(wèi)星導航系統(tǒng)的建成給予了高度評價，稱“該系統(tǒng)建成并投入使用，是國家和軍隊信息化建設的重要里程碑，是對我國經濟社會發(fā)展的重要貢獻”。

在北斗三號全球組網建設中，中國航天科技集團五院（下簡稱五院）率先提出國際上首個高中軌道星間鏈路混合型新體制，形成了具有自主知識產權的星間鏈路網絡協(xié)議、自主定軌、時間同步等系統(tǒng)方案，填補國內空白;研發(fā)國內首個適于直接入軌一箭多星發(fā)射的“全桁架式衛(wèi)星平臺”，實現(xiàn)了衛(wèi)星自主監(jiān)測和自主健康管理;實現(xiàn)了星載大功率微波開關、行波管放大器等關鍵國產化元器件和部組件成功應用，打破核心器部件長期依賴進口、受制于人的局面，為全球組批研制快速組網建設鋪平了道路。

作為國家影響力、威懾力的象征，北斗與國際先進衛(wèi)星導航系統(tǒng)同臺競技，做到了“核心在手”，打破了美國GPS系統(tǒng)壟斷局面，增強了我國在國際導航領域的話語權和主動權。

中國北斗的國際視野和家國情懷

“一枝獨秀不是春”，中國北斗始終具有國際視野和家國情懷。

在國家支持下，該工程牽引帶動了數百家單位、數萬人團結協(xié)作，早已形成“全國一盤棋”的大格局。

在航天領域，五院緊密結合中國國情和航天系統(tǒng)研制實踐，創(chuàng)造性地提出了一套突破關鍵技術、形成系統(tǒng)集成、確保衛(wèi)星產品高質量的項目群管理方法，全面支撐了衛(wèi)星組批生產和密集發(fā)射，已成為宇航產品工程的新路徑、新思路。

在學科發(fā)展領域，北斗系統(tǒng)的研發(fā)直接帶動了航天器總體設計、航天器動力學、航天器環(huán)境試驗技術、空間數據系統(tǒng)、航天器數字化設計等專業(yè)快速發(fā)展，促進了導航星座時空基準建立與維持、導航信號生成與傳輸、空間微放電機理與抑制、原子物理應用等新興學科的建立。

在北斗系統(tǒng)上使用星座可靠性分析、衛(wèi)星共位、大規(guī)模集成電路空間應用、國產碳纖維等大量新技術，顯著促進了我國結構材料、微處理計算機、微波器件、電子技術等基礎學科和工業(yè)的快速發(fā)展，提高了相關領域裝備的國產化水平，提升了科技產業(yè)對前沿技術發(fā)展的引領能力。

作為上游產業(yè)，北斗導航衛(wèi)星系統(tǒng)既牽引了原材料、元器件、制造工藝的發(fā)展，又促進了下游基礎產品、導航終端用戶產品和運營服務產業(yè)鏈的形成，為建設下一代信息基礎設施、發(fā)展現(xiàn)代信息技術產業(yè)體系、推動國民經濟又好又快發(fā)展作出了貢獻?；谛l(wèi)星導航定位的位置服務已成為新興產業(yè)領域。

推開新時代的大門，中國北斗初心不變，力爭2020年服務范圍覆蓋全球、2035年建設完善“更加泛在、更加融合、更加智能的綜合時空體系”。

（摘自《科學之友》2019年第7期）