北斗三號(hào)順利完成全球組網(wǎng)

魏航

作為我國(guó)迄今為止規(guī)模最大、覆蓋范圍最廣、服務(wù)性能最高、與百姓生活關(guān)聯(lián)最緊密的巨型復(fù)雜航天系統(tǒng)，以及我國(guó)第一個(gè)面向全球提供公共服務(wù)的重大空間基礎(chǔ)設(shè)施，北斗系統(tǒng)歷經(jīng)30多年的實(shí)踐探索，走過了一段艱辛而又偉大的發(fā)展歷程。隨著北斗三號(hào)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)星座部署全面完成，北斗系統(tǒng)全面落地應(yīng)用的意義越發(fā)重大，不但可以為關(guān)乎國(guó)計(jì)民生的各個(gè)領(lǐng)域保駕護(hù)航，還將直接影響到老百姓的日常生活。

30多年“三大步”

早在上世紀(jì)80年代，中國(guó)便開始探索適合國(guó)情的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展道路。1983年，以“兩彈一星”元?jiǎng)?、中?guó)科學(xué)院院士陳芳允為代表的專家學(xué)者提出了利用2顆地球同步軌道衛(wèi)星來測(cè)定地面和空中目標(biāo)的設(shè)想，通過大量理論和技術(shù)上的研究工作，雙星定位系統(tǒng)的概念逐步明晰。

在此基礎(chǔ)上，中國(guó)北斗按照“三步走”戰(zhàn)略 ，先有源后無源，先區(qū)域后全球，走出了一條中國(guó)特色的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)道路。

第一步是建設(shè)北斗一號(hào)系統(tǒng)（又叫北斗衛(wèi)星導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)），目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星導(dǎo)航從無到有。

1994年，北斗一號(hào)系統(tǒng)建設(shè)正式啟動(dòng)。2000年，發(fā)射2顆地球靜止軌道（GEO）衛(wèi)星，北斗一號(hào)系統(tǒng)建成并投入使用。2003年，又發(fā)射了第3顆地球靜止軌道（GEO）衛(wèi)星，進(jìn)一步增強(qiáng)系統(tǒng)性能。

北斗一號(hào)系統(tǒng)的建成，邁出了探索性的第一步，初步滿足了中國(guó)及周邊區(qū)域的定位、導(dǎo)航、授時(shí)需求。當(dāng)時(shí)采用的是有源定位體制，也就是說，用戶需要發(fā)射信號(hào)，系統(tǒng)才能對(duì)其定位，這個(gè)過程要依賴衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器，所以有時(shí)間延遲，且容量有限，滿足不了高動(dòng)態(tài)的需求。但北斗一號(hào)巧妙設(shè)計(jì)了雙向短報(bào)文通信功能，這種通信與導(dǎo)航一體化的設(shè)計(jì)是北斗的獨(dú)創(chuàng)。

北斗一號(hào)的建成，使中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了從無到有的跨越，中國(guó)成為繼美國(guó)、俄羅斯之后第三個(gè)擁有衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的國(guó)家。

第二步是建設(shè)北斗二號(hào)系統(tǒng)，目標(biāo)是從有源定位到無源定位，區(qū)域?qū)Ш椒?wù)亞太。

2004年，北斗二號(hào)系統(tǒng)建設(shè)啟動(dòng)。北斗二號(hào)創(chuàng)新構(gòu)建了中高軌混合星座架構(gòu)，到2012年，完成了14顆衛(wèi)星的發(fā)射組網(wǎng)。這14顆衛(wèi)星中，有5顆地球靜止軌道（GEO）衛(wèi)星、5顆傾斜地球同步軌道（IGSO）衛(wèi)星和4顆中圓地球軌道（MEO）衛(wèi)星。

北斗二號(hào)系統(tǒng)在兼容北斗一號(hào)有源定位體制的基礎(chǔ)上，增加了無源定位體制，也就是說，用戶不用自己發(fā)射信號(hào)，僅靠接收信號(hào)就能定位，解決了用戶容量限制，滿足了高動(dòng)態(tài)需求。北斗二號(hào)系統(tǒng)的建成，不僅服務(wù)中國(guó)，還可為亞太地區(qū)用戶提供定位、測(cè)速、授時(shí)和短報(bào)文通信服務(wù)。

第三步是建設(shè)北斗三號(hào)系統(tǒng)，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)全球組網(wǎng)。

2009年，北斗三號(hào)系統(tǒng)建設(shè)啟動(dòng)。到2020年，完成30顆衛(wèi)星發(fā)射組網(wǎng)，全面建成北斗三號(hào)系統(tǒng)。這30顆衛(wèi)星中，有3顆地球靜止軌道（GEO）衛(wèi)星、3顆傾斜地球同步軌道（IGSO）衛(wèi)星，和24顆中圓地球軌道（MEO）衛(wèi)星。這次發(fā)射的衛(wèi)星，是一顆地球靜止軌道（GEO）衛(wèi)星，也是北斗全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)星座部署的收官衛(wèi)星。

北斗三號(hào)系統(tǒng)繼承了有源定位和無源定位兩種技術(shù)體制，通過“星間鏈路”——也就是衛(wèi)星與衛(wèi)星之間的連接“對(duì)話”，解決了全球組網(wǎng)需要全球布站的問題。北斗三號(hào)在北斗二號(hào)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提升性能、擴(kuò)展功能，為全球用戶提供定位導(dǎo)航授時(shí)、全球短報(bào)文通信和國(guó)際搜救等服務(wù)；同時(shí)在中國(guó)及周邊地區(qū)提供星基增強(qiáng)、地基增強(qiáng)、精密單點(diǎn)定位和區(qū)域短報(bào)文通信服務(wù)。

目前，北斗的服務(wù)由北斗二號(hào)系統(tǒng)和北斗三號(hào)系統(tǒng)共同提供，2020年后，將平穩(wěn)過渡到以北斗三號(hào)系統(tǒng)為主提供。下一步的計(jì)劃是到2035年，建設(shè)完善更加泛在、更加融合、更加智能的國(guó)家綜合時(shí)空體系。

關(guān)鍵技術(shù)突破服務(wù)全球

目前，在全世界范圍內(nèi)，能夠被稱為“全球系統(tǒng)”的，只有中國(guó)的北斗、美國(guó)的GPS、俄羅斯的GLONASS以及歐盟的伽利略定位系統(tǒng)?？梢哉f，完善的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是一個(gè)國(guó)家綜合實(shí)力的展示。

相對(duì)于北斗二號(hào)區(qū)域系統(tǒng)，北斗三號(hào)服務(wù)區(qū)域?qū)U(kuò)展至全球，同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了下行導(dǎo)航信號(hào)升級(jí)與改造等關(guān)鍵技術(shù)方面的一系列重大突破，實(shí)現(xiàn)了與北斗二號(hào)下行導(dǎo)航信號(hào)的平穩(wěn)過渡，并在此基礎(chǔ)上增加了新的導(dǎo)航信號(hào)，從而為用戶提供更為優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。

首先是新突破實(shí)現(xiàn)聯(lián)通無極限。我國(guó)北斗系統(tǒng)不能像美國(guó)GPS那樣，在全球建立地面站，為了解決境外衛(wèi)星的數(shù)據(jù)傳輸通道，航天科技集團(tuán)五院北斗三號(hào)研制團(tuán)隊(duì)攻克了星座星間鏈路技術(shù)，采取星間、星地傳輸功能一體化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星與衛(wèi)星、衛(wèi)星與地面站的鏈路互通，這就是說，雖然“看不見”在地球另一面的北斗衛(wèi)星，但用北斗衛(wèi)星的星間鏈路同樣能與它們?nèi)〉寐?lián)系。

用星間鏈路技術(shù)實(shí)現(xiàn)“太空兄弟間手拉手，心相通”，不僅實(shí)現(xiàn)了相互間的通信和數(shù)據(jù)傳輸，還能相互測(cè)距，自動(dòng)“保持隊(duì)形”，可以減輕地面管理維護(hù)壓力。星間鏈路技術(shù)的應(yīng)用中，設(shè)計(jì)了全新的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、管理策略和路由策略，解決了不能全球布站進(jìn)行衛(wèi)星境外監(jiān)測(cè)的難題，是北斗全球?qū)Ш较到y(tǒng)建設(shè)的一大特色。

其次，新技術(shù)實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星長(zhǎng)壽命。“北斗是一個(gè)開放的系統(tǒng)，中國(guó)的北斗，世界的北斗，中國(guó)發(fā)展衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要基礎(chǔ)設(shè)施，也是為全人類提供時(shí)間坐標(biāo)和空間坐標(biāo)的基礎(chǔ)設(shè)施，服務(wù)的連續(xù)性和穩(wěn)定性十分重要”，航天科技集團(tuán)五院北斗三號(hào)衛(wèi)星總指揮遲軍介紹說，就像停水停電影響城市生活一樣，衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù)一旦中斷，國(guó)家和社會(huì)的正常運(yùn)行會(huì)受到很大的影響，因此，對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航的可靠性、連續(xù)性提出了苛刻設(shè)計(jì)的要求。為了提高衛(wèi)星在軌服務(wù)的可靠性，北斗三號(hào)衛(wèi)星采取了多項(xiàng)可靠性措施，使衛(wèi)星的設(shè)計(jì)壽命達(dá)到12年，達(dá)到國(guó)際導(dǎo)航衛(wèi)星的先進(jìn)水平，為北斗系統(tǒng)服務(wù)的連續(xù)、穩(wěn)定提供了基礎(chǔ)保證。

第三個(gè)是新“神器”讓服務(wù)“零誤差”。為了提高服務(wù)的精度，北斗三號(hào)配置了新一代原子鐘，通過提升原子鐘指標(biāo)，提升衛(wèi)星性能、改善用戶體驗(yàn)。原子鐘是利用原子躍遷頻率穩(wěn)定的特性保證產(chǎn)生時(shí)間的精準(zhǔn)性，目前國(guó)際上主要有銣原子鐘、氫原子鐘、銫原子鐘等。我國(guó)北斗衛(wèi)星采用銣原子鐘，同時(shí)還配置了性能更高的新研國(guó)產(chǎn)氫原子鐘。氫原子鐘雖然質(zhì)量和功耗比銣原子鐘大，但穩(wěn)定性和漂移率等指標(biāo)更優(yōu)。盡管2015年我國(guó)研制的氫原子鐘才首次在軌應(yīng)用驗(yàn)證，為北斗全球?qū)Ш较到y(tǒng)進(jìn)行了技術(shù)探索，但至今功能、性能都十分穩(wěn)定。由于銣原子鐘和氫原子鐘的精度極高，使得北斗的“最強(qiáng)心臟”可以達(dá)到每300萬年到1000萬年才偏差1秒。

如今的北斗系統(tǒng)，星座中的每一顆“星”都獨(dú)具特色，都有自己的功用。北斗三號(hào)全球星座由地球靜止軌道（GEO）、傾斜地球同步軌道（IGSO）、中圓地球軌道（MEO）三種軌道衛(wèi)星組成，北斗人稱這三種衛(wèi)星為“北斗三兄弟”。根據(jù)三種軌道衛(wèi)星名稱英文首字母的發(fā)音，又被親昵地稱作“吉星”、“愛星”和“萌星”。3顆“吉星”，3顆“愛星”，以及24顆“萌星”，共同構(gòu)成了北斗三號(hào)星座大家族。每顆衛(wèi)星根據(jù)各自運(yùn)行軌道特點(diǎn)和承載功能，既各司其職，又優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，共同為全球用戶提供高質(zhì)量的定位導(dǎo)航授時(shí)服務(wù)。

“北斗應(yīng)用只受制于想象力”

北斗系統(tǒng)第一次被人記住是在2008年汶川地震的時(shí)候。當(dāng)時(shí)位于震中的映秀鎮(zhèn)由于地面通信信號(hào)盲區(qū)或其他通信手段全部失效，導(dǎo)致20多小時(shí)音訊全無，突破死亡線趕到的部隊(duì)官兵通過北斗系統(tǒng)第一時(shí)間發(fā)出100余字短報(bào)文，成為緊急時(shí)刻拯救生命的最后“保險(xiǎn)索”。至今，北斗依舊是唯一可以進(jìn)行短報(bào)文通信的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。

今年7月以來，受連日強(qiáng)降雨影響，全國(guó)多地出現(xiàn)洪澇災(zāi)害。7月6日，湖南石門縣潘坪村雷家山地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)突發(fā)山體滑坡，災(zāi)情發(fā)生前，石門縣就已接到北斗衛(wèi)星監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)布的橙色預(yù)警，14戶33人均已提前撤離。北斗系統(tǒng)在抗洪救災(zāi)中又立下大功一件！

目前，北斗系統(tǒng)在全球范圍內(nèi)實(shí)測(cè)定位精度優(yōu)于5米，還可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)米級(jí)、分米級(jí)、厘米級(jí)導(dǎo)航定位增強(qiáng)服務(wù)。除定位導(dǎo)航授時(shí)基本服務(wù)外，北斗系統(tǒng)還可提供包括星基增強(qiáng)、地基增強(qiáng)、短報(bào)文通信、國(guó)際搜救、精密單點(diǎn)定位等多元特色服務(wù)。

在實(shí)際的應(yīng)用上，北斗系統(tǒng)目前已經(jīng)在交通運(yùn)輸、公共安全、農(nóng)林漁業(yè)、水文監(jiān)測(cè)、氣象預(yù)報(bào)、通信時(shí)統(tǒng)、電力調(diào)度、救災(zāi)減災(zāi)等領(lǐng)域，產(chǎn)生了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。資料顯示，2019年中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航與位置服務(wù)產(chǎn)業(yè)總體產(chǎn)值達(dá)3450億元人民幣，其中北斗系統(tǒng)貢獻(xiàn)率超八成。

近年來，北斗系統(tǒng)不斷融入自動(dòng)駕駛、民用航空、智能手機(jī)、電子商務(wù)及物流配送以及智慧農(nóng)業(yè)、地理測(cè)繪等等多個(gè)方面的應(yīng)用，此次北斗三號(hào)的組網(wǎng)完成，對(duì)于以上這些方面將產(chǎn)生積極的推動(dòng)作用。

在北斗的高精度技術(shù)成熟后，將其運(yùn)用至智能駕駛產(chǎn)業(yè)，可以加速推動(dòng) L3、L4 級(jí)別自動(dòng)駕駛快速落地，廣義上也能推進(jìn)L5級(jí)全自動(dòng)駕駛破局和落地。同時(shí)，在導(dǎo)航定位終端方面，北斗也將為車主提供LBS、道路救援、導(dǎo)航、定位等服務(wù)，必然給汽車導(dǎo)航帶來前所未有的機(jī)遇。

在通航領(lǐng)域，全國(guó)目前共有300架通航飛機(jī)安裝和使用了北斗終端，實(shí)現(xiàn)了通用航空飛行動(dòng)態(tài)信息實(shí)時(shí)監(jiān)視，為通航飛行任務(wù)審批、安全監(jiān)管和應(yīng)急救援等工作提供了技術(shù)支撐。

在電子商務(wù)領(lǐng)域，物流貨車、配送員已普及應(yīng)用北斗車載終端、手環(huán)，實(shí)現(xiàn)了車、人、貨信息的實(shí)時(shí)調(diào)度和業(yè)態(tài)優(yōu)化。

作為衛(wèi)星導(dǎo)航最大的大眾消費(fèi)領(lǐng)域，在智能手機(jī)方面國(guó)內(nèi)外主流芯片廠商均選擇推出了兼容北斗的通導(dǎo)一體化芯片。

目前，北斗系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)各領(lǐng)域，從播種到田間管理再到采收，北斗在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)全過程大顯身手。

此外，北斗定位與短報(bào)文通信功能，廣泛應(yīng)用于防火、天然林保護(hù)、森林資源調(diào)查、病蟲害防治，氣象測(cè)報(bào)型北斗終端提升了高空氣象探空系統(tǒng)的觀測(cè)精度、自動(dòng)化水平和應(yīng)急觀測(cè)能力，多山地域水文測(cè)報(bào)信息實(shí)時(shí)傳輸提高了災(zāi)情預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性，為防洪調(diào)度提供重要支持。

北斗三號(hào)全球組網(wǎng)還將有力促進(jìn)測(cè)繪和地理信息技術(shù)的發(fā)展和變革，高效助力國(guó)家坐標(biāo)框架維護(hù)、快速更新。今年，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)就全方位應(yīng)用于珠峰高程測(cè)量。得益于北斗數(shù)據(jù)，登頂?shù)膰?guó)產(chǎn)GNSS接收機(jī)測(cè)量精度大幅提高。

除此以外，北斗系統(tǒng)還已經(jīng)在全球超過一半的國(guó)家和地區(qū)得到應(yīng)用，基于北斗系統(tǒng)的土地確權(quán)、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、智慧施工、機(jī)場(chǎng)授時(shí)、車輛船舶監(jiān)管、智慧港口等解決方案，已在東盟、南亞、東歐、西亞、非洲等得到成功應(yīng)用。

業(yè)內(nèi)人士指出，從本質(zhì)上看，北斗是未來萬物聯(lián)網(wǎng)的重要傳感器之一。而一旦北斗衛(wèi)星與5G、物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等“新基建”技術(shù)方向互聯(lián)融合，將徹底變革國(guó)內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)施形態(tài)，并且為人工智能、數(shù)據(jù)中心、智算中心等新基建提供精準(zhǔn)的時(shí)空信息。這種技術(shù)上的深度融合，也將為大眾消費(fèi)領(lǐng)域帶來大規(guī)模的商業(yè)創(chuàng)新。

對(duì)此，北斗人自信滿滿：“衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的應(yīng)用只受制于想象力！”