北斗之光照亮中國自主導(dǎo)航路

申超波 /文

北京時間6 月23 日上午，國內(nèi)幾乎所有媒體的目光都對準(zhǔn)了四川大涼山腹地的中國西昌衛(wèi)星發(fā)射中心。9 時43 分，萬眾期待，山呼海嘯般騰空而起的長征三號乙運(yùn)載火箭底部噴射出著耀眼的尾焰，托舉著北斗三號最后一顆全球組網(wǎng)衛(wèi)星飛向太空，約30 分鐘后，衛(wèi)星順利進(jìn)入預(yù)定軌道。這是北斗三號全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)第三顆地球同步軌道衛(wèi)星，隨著該衛(wèi)星在北斗三號全球組網(wǎng)“大棋局”的落子定盤，北斗三號30 顆組網(wǎng)衛(wèi)星已全部到位，北斗三號全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)星座部署全面完成。

至此，耗時26 年、先后發(fā)射59 顆衛(wèi)星的自主衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)終于建成，我國實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域關(guān)鍵核心技術(shù)的自主可控，把創(chuàng)新發(fā)展的主動權(quán)牢牢掌握在自己手中，依賴國外導(dǎo)航系統(tǒng)的歷史一去不復(fù)返了！

從1994 年北斗一號系統(tǒng)工程立項(xiàng)到2020 年完成全球衛(wèi)星導(dǎo)航星座部署，中國北斗走過了非凡的26載?；赝?6 年北斗研發(fā)路，有核心設(shè)備被卡脖子的無奈，有藍(lán)圖繪就的豪邁，有險勝頻率之戰(zhàn)的驚險，更有創(chuàng)紀(jì)錄密集發(fā)射的“北斗”速度，幾代北斗人嘔心瀝血、攻堅克難，用北斗之光照亮了中國的自主創(chuàng)新路。

中國衛(wèi)星導(dǎo)航“三步走”

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的誕生，最早源于戰(zhàn)爭需求。20 世紀(jì)90 年代初的海灣戰(zhàn)爭讓中國意識到了GPS 系統(tǒng)的巨大威力。海灣戰(zhàn)爭中多國部隊(duì)對伊拉克各個地區(qū)進(jìn)行了高密度的空襲，GPS 攻擊部隊(duì)提供了極為精確的導(dǎo)航，尤其是為美軍“戰(zhàn)斧”巡航導(dǎo)彈的精確打擊立下了汗馬功勞，讓這一型號的導(dǎo)彈名聲大噪；GPS 也提高了美軍如F-117 隱身戰(zhàn)斗機(jī)、F-16 戰(zhàn)斗機(jī)的攻擊精度，為美軍地面行動清除了不少障礙。

海灣戰(zhàn)爭讓一些有遠(yuǎn)見的科學(xué)家意識到衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的重要性。而此后發(fā)生的“銀河號”事件，則讓中國人意識到自建衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的必要性。

1993 年7 月23 日，中國貨輪“銀河號”行駛在印度洋上，突然導(dǎo)航系統(tǒng)失去信號，船只無法繼續(xù)前行。隨行船員還以為是信號設(shè)備出了故障，結(jié)果怎么維修都無濟(jì)于事。后來才得知，原來是美國懷疑中國向伊朗輸送武器，故意停掉了該船所在海域的導(dǎo)航信號。

這一消息傳回國內(nèi)，讓中國科學(xué)家意識到自主導(dǎo)航的重要性。隨后，中科院院士孫家棟找到時任國防科工委副主任的沈榮駿，稱“發(fā)展衛(wèi)星導(dǎo)航，刻不容緩，勢在必行?！苯Y(jié)果兩人不謀而合，聯(lián)名向國家“上書”，建議啟動中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。

1994 年12 月，北斗導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星系統(tǒng)工程獲得國家批準(zhǔn)。北斗導(dǎo)航工程的大幕正式拉開！

萬事開頭難，北斗工程剛剛上馬，不得不正視與美國的巨大差距：彼時，美國已在GPS 工程上投入了超過200 億美元，且每年維護(hù)費(fèi)用高達(dá)5 億美元；但當(dāng)時中國的經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)仍十分薄弱，研發(fā)包括航天在內(nèi)7 大領(lǐng)域技術(shù)的“863”計劃預(yù)算也才只有100億人民幣。

開弓沒有回頭箭！中國不會被困難嚇倒，中國人從不缺少智慧：既然不能一口吃個胖子，那就分三口吃。

于是，我國將導(dǎo)航衛(wèi)星的建設(shè)分為三步：第一步僅覆蓋國內(nèi)區(qū)域，第二步逐漸覆蓋亞太區(qū)域，第三步再覆蓋全球。這也是59 顆北斗衛(wèi)星分屬北斗一號、北斗二號、北斗三號的由來——北斗一號為試驗(yàn)階段，共發(fā)射了4 顆實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，覆蓋國內(nèi)區(qū)域；北斗二號有14 顆組網(wǎng)衛(wèi)星（實(shí)際上共發(fā)射了23 顆），實(shí)現(xiàn)亞太地區(qū)的覆蓋；北斗三號則包含30 顆組網(wǎng)衛(wèi)星（實(shí)際發(fā)射32 顆），實(shí)現(xiàn)全球覆蓋。

“從國內(nèi)到亞太再到全球，北斗系統(tǒng)建設(shè)發(fā)展的三步走方案，充分結(jié)合了中國國情，極具中國特色，彰顯了中國智慧、中國速度和中國精度，為世界衛(wèi)星導(dǎo)航的發(fā)展貢獻(xiàn)了中國方案?！北倍房傇O(shè)計師楊長風(fēng)說。

經(jīng)過六年的艱苦攻關(guān)，新千年來臨，2000 年10月31 日和12 月21 日，在不到兩個月的時間內(nèi)，我國相繼發(fā)射兩顆北斗導(dǎo)航試驗(yàn)衛(wèi)星，北斗一號系統(tǒng)建成。憑借這兩顆衛(wèi)星，中國成為繼美國、俄羅斯之后世界上第三個擁有自主衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的國家。

雖然，北斗一號與GPS 依然差距明顯，北斗一號的定位精度為20 米，授時精度為單向100 納秒。相比之下，此時GPS 不僅已覆蓋全球，且民用定位精度和授時精度分別達(dá)到10 米和10 納秒級別；軍用定位甚至已經(jīng)精確到1 米。但是，中國人在自主研制導(dǎo)航定位系統(tǒng)的征程上終于邁出了堅實(shí)而自信的第一步。

在2008 年的汶川地震抗震救災(zāi)中，北斗一號系統(tǒng)就發(fā)揮了重要的作用。地震發(fā)生后，指揮中心為救援部隊(duì)緊急配備了1000 多臺“北斗一號”終端機(jī)，實(shí)現(xiàn)了各點(diǎn)位之間、點(diǎn)位與北京之間的直線聯(lián)絡(luò)。在災(zāi)區(qū)通信沒有完全修復(fù)，信息傳送不暢的情況下，各救援部隊(duì)利用北斗一號及時準(zhǔn)確地將各種信息發(fā)回，為指揮部指揮抗震救災(zāi)提供了重要的信息支援。北斗一號系統(tǒng)的優(yōu)秀表現(xiàn)堅定了我國發(fā)展更先進(jìn)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的決心。

北斗二號險勝頻率保衛(wèi)戰(zhàn)

挑戰(zhàn)接踵而來！

中國作為導(dǎo)航系統(tǒng)戰(zhàn)場的后來者，面臨著一個現(xiàn)實(shí)挑戰(zhàn)——缺頻率。國際電信聯(lián)盟（ITU）分配給衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的頻率資源是有限的，這是世界上想要發(fā)展自己的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的國家必爭的寶貴資源，而取得合法的軌位，需要先向ITU 申報。

2000 年4 月17 日，中國向ITU 正式提出了頻率申請。

根據(jù)ITU 的規(guī)則，頻率資源要“先用先得”和“逾期作廢”，有效期以申請日期開始計算，只有7年。這意味著，中國必須在2007 年4 月18 日零點(diǎn)之前成功發(fā)射導(dǎo)航衛(wèi)星有成功播發(fā)信號。而且中國不僅要和時間競賽，還和一個不容小覷的對手競爭，那就是歐洲的伽利略系統(tǒng)。這是因?yàn)橹袣W雙方雖然分別向ITU 申請了頻段，但是雙方導(dǎo)航系統(tǒng)的頻率在1164MHz～1215MHz 段內(nèi)高度重合。按照IUT 的“先用先得”原則，雙方需要競爭頻率。

這就給北斗帶來了第二道時間門檻——必須比伽利略更快。

2004 年，北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的第二步——北斗二號啟動。此時，北斗二號在進(jìn)度上已比歐洲的伽利略系統(tǒng)晚了2年。眼看北斗進(jìn)展直追伽利略計劃，因種種原因，沒占到頻率的歐洲又使出了另外一招——用核心設(shè)備限制中國。原本歐洲已經(jīng)同意向中國出售導(dǎo)航衛(wèi)星的核心設(shè)備——原子鐘，但在臨簽署合同時突然反悔?！皩?shí)際上它（歐洲）是禁運(yùn)，要控制這種高精尖的東西，不賣給我們?！北倍沸l(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)總設(shè)計師楊長風(fēng)在回憶這一風(fēng)波時說。

那么，原子鐘在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)里到底是起什么作用呢？簡單說，原子鐘就是導(dǎo)航系統(tǒng)的心臟，就如同一塊手表，是一種精確測量時間的時鐘，它以原子共振頻率標(biāo)準(zhǔn)來計算及保持時間的準(zhǔn)確，這是世界上已知最準(zhǔn)確的時間測量和頻率標(biāo)準(zhǔn)。它直接決定著衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的精度。沒有原子鐘，就沒有校準(zhǔn)的時間，導(dǎo)航衛(wèi)星基本上就沒用了。

數(shù)次被“卡脖子”的北斗研發(fā)人員，終于鐵了心要攻克這一關(guān)。哪怕技術(shù)弱一點(diǎn)，也要把主動權(quán)牢牢攥在自己手里。按楊長風(fēng)制定的目標(biāo)，中國自己研發(fā)的原子鐘誤差要達(dá)到10 的-12 次方，即原子鐘每十萬年只出現(xiàn)一秒的誤差。

為了趕工期，北斗匯聚了中科院、航天科技、航天科工三支隊(duì)伍，同時攻關(guān)，并在基礎(chǔ)理論、材料、工程等領(lǐng)域同步進(jìn)行推進(jìn)。最終兩年之后，國產(chǎn)星載原子鐘被成功研制出來。

讓人欣喜的是，這款中國自主研發(fā)的原子鐘，性能指標(biāo)比當(dāng)初想買的歐洲原子鐘還要好。消息傳到歐洲人那里，此時歐洲又同意賣給中國原子鐘，而且價格還比原來降了一半。但中國仍堅持用自己的原子鐘。“我們造出了核心關(guān)鍵器部件，國產(chǎn)化的信心也增強(qiáng)了。”楊長風(fēng)說。

2007 年4 月上旬，趕在頻率失效前的最后幾天，衛(wèi)星被運(yùn)到發(fā)射基地，搭上發(fā)射塔架。數(shù)年緊繃神經(jīng)的北斗人，眼看就可以松一口氣了。衛(wèi)星最后的發(fā)射日期定在4 月14 日。這個日期已經(jīng)很緊張了，如果一切順利的話，該星升空并回傳信號，北斗就能趕在4 月18日頻率失效前完成頻率占用。

可是，好事總是多磨。

在發(fā)射前三天的第三次總檢查時，工作人員突然發(fā)現(xiàn)衛(wèi)星上的應(yīng)答機(jī)異常。這個應(yīng)答機(jī)，相當(dāng)于人們用的手機(jī)，它讓天上的衛(wèi)星和地面接收站形成互聯(lián)互通。應(yīng)答機(jī)壞了，衛(wèi)星就不能發(fā)射無線電信號，那就拿不到合法的頻率資源。這一消息就像一盆冷水，潑在正沉浸于喜悅中的北斗人頭上。“最關(guān)鍵的時候，出了這個問題，我們非常揪心。”北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)總設(shè)計師楊長風(fēng)說。

由于這顆衛(wèi)星帶著占領(lǐng)頻率資源的“使命”，只能背水一戰(zhàn)。北斗科研人員只有3 天的時間來解決這個問題。為了確保衛(wèi)星萬無一失，研發(fā)人員在細(xì)細(xì)研究后決定對衛(wèi)星“開膛破肚”。工作人員先爬上塔架打開火箭、撥開衛(wèi)星，然后進(jìn)去拿出有問題的應(yīng)答機(jī)設(shè)備，這過程不能有絲毫的不當(dāng)操作，否則其他系統(tǒng)受到損害麻煩將更大。

最后，應(yīng)答機(jī)拿出來了，另外一個問題也來了：應(yīng)答機(jī)的科研單位在上海，發(fā)射地所在的西昌彼時還沒有高速公路和機(jī)場，想在3 天內(nèi)往返于西昌和上海并修復(fù)應(yīng)答機(jī)，絕無可能。

在各方協(xié)調(diào)之下，北斗指揮人員決定在成都一家科研單位修復(fù)應(yīng)答機(jī)。“顛簸了四五個小時，都是懷里抱著的，防止車的震動損壞應(yīng)答機(jī)，像個孩子一樣保護(hù)著?！睏铋L風(fēng)說。

工作人員終于趕在發(fā)射前將應(yīng)答機(jī)裝回衛(wèi)星。2007 年4 月14 日4 時11 分，這顆肩負(fù)著保頻率使命的北斗衛(wèi)星成功發(fā)射。接下來的三天，十多家北斗衛(wèi)星研制廠家集中在一個大操場上，把衛(wèi)星信號接收機(jī)擺成一線，等待著信號的傳回。工作人員不分白天黑夜地調(diào)試地面設(shè)備，接收信號。但直到4 月17 日白天，地面站仍未收到衛(wèi)星信號。

這三天，對年近50 歲的楊長風(fēng)而言度日如年?！熬S修的那三天說句實(shí)在話，心情緊張、沉重、壓力也很大，72 小時基本上沒合眼。”他說。

17 日晚，眼看著ITU 的“七年之限”即將到期，地面信號接收機(jī)仍毫無動靜。到了晚上八點(diǎn)，十幾個用戶接收機(jī)界面突然跳動，北斗衛(wèi)星終于下發(fā)了第一組信號?？吹竭@一幕，“我們整個操場歡呼跳躍，同志們互相擁抱，來祝賀這個勝利?！睏铋L風(fēng)回憶稱。

懸著的心終于落下了。

北斗二號首顆衛(wèi)星圓滿完成使命，不僅成功入軌，還占到了頻率。等待了7 年的北斗衛(wèi)星，最后在離ITU 的“7 年之限”不到4 個小時的時候迎來合法化。

“一說起這個場景，我就要流淚。這是一種壓力的釋放，更是完成任務(wù)的一種喜悅。這項(xiàng)工作關(guān)系到整個北斗系統(tǒng)，關(guān)系到它未來的發(fā)展。接收不到信號，就沒有現(xiàn)在的北斗系統(tǒng)?！倍嗄旰笤诮邮苊襟w采訪時，楊長風(fēng)回憶當(dāng)時的場景仍激動不已。

在整個北斗工程中，這顆星充當(dāng)著承上啟下的作用：既是前13 年努力的結(jié)晶，也為接下來13 年的建設(shè)作好鋪墊。

北斗三號沖刺全球組網(wǎng)

2012 年10 月25 日，第十六顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)射升空并進(jìn)入預(yù)定軌道，標(biāo)志著北斗二號系統(tǒng)星座部署完成。2012 年12 月27 日，北斗二號系統(tǒng)正式向亞太地區(qū)提供區(qū)域服務(wù)。北斗二號系統(tǒng)作為北斗系統(tǒng)“三步走”戰(zhàn)略的中的第二步，實(shí)現(xiàn)了承前啟后的關(guān)鍵一步。

在第二顆北斗二號衛(wèi)星發(fā)射的2009 年，北斗三號也啟動了。8 年后的2017 年11 月5 日，我國成功以“一箭雙星”的方式發(fā)射2顆北斗三號中圓軌道衛(wèi)星。這是北斗三號衛(wèi)星的首次發(fā)射，標(biāo)志著中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)步入全球組網(wǎng)時代。

接下來的一年，北斗三號進(jìn)入衛(wèi)星高密度發(fā)射期。2018 一整年，北斗三號共發(fā)射了18 顆衛(wèi)星，這在世界導(dǎo)航衛(wèi)星史上破了先例，締造了“北斗速度”。這年的12 月27 日，中國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)管理辦公室主任、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)新聞發(fā)言人冉承其正式對外宣布，北斗三號基本系統(tǒng)完成建設(shè)，開始提供全球服務(wù)。

而北斗系統(tǒng)依然勢頭不減，2019 年又接連發(fā)射了10 顆衛(wèi)星。此次發(fā)射的最后一顆北斗組網(wǎng)衛(wèi)星，是第32 顆北斗三號衛(wèi)星，同時也是第55 顆北斗全球組網(wǎng)衛(wèi)星。至此，整個北斗系列共發(fā)射了59 顆衛(wèi)星，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）。在最后用以支撐北斗系統(tǒng)全球覆蓋的30 顆北斗三號組網(wǎng)衛(wèi)星中，3 顆是GEO 衛(wèi)星，3 顆是IGSO 衛(wèi)星，24 顆是MEO 衛(wèi)星。三類衛(wèi)星相互配合——3 顆GEO 衛(wèi)星可基本實(shí)現(xiàn)對中國區(qū)域的三重增強(qiáng)覆蓋，可降低整個星座的衛(wèi)星數(shù)量，以控制成本，且GEO 衛(wèi)星還具備短報文通信功能，一星多用；3 顆IGSO 衛(wèi)星則可彌補(bǔ)GEO 衛(wèi)星在高緯度地區(qū)仰角過低的問題，可對高緯度地區(qū)進(jìn)行有效的信號增強(qiáng)；24 顆MEO 衛(wèi)星則構(gòu)成了北斗全球組網(wǎng)的核心星座，GPS、格洛納斯和伽利略導(dǎo)航系統(tǒng)的衛(wèi)星均部署在該軌道上。

北斗三號系統(tǒng)建成后，將形成滿足我國國民生產(chǎn)建設(shè)需要的導(dǎo)航、定位、授時的系統(tǒng)設(shè)施。隨著應(yīng)用的發(fā)展，北斗系統(tǒng)必將面對更多、更新、更高的需求。2035 年，我國還將建成以北斗系統(tǒng)為核心的綜合定位導(dǎo)航授時體系，屆時中國北斗將以再次升級閃耀全球。

楊長風(fēng)說，我國衛(wèi)星導(dǎo)航從無到有，從有到優(yōu)，從弱到強(qiáng)，目前，北斗已向包括“一帶一路”沿線國家和地區(qū)的全球用戶提供連續(xù)、穩(wěn)定、可靠的定位、導(dǎo)航和授時服務(wù)。中國的北斗已成為世界的北斗、一流的北斗，服務(wù)全球用戶。