北斗導(dǎo)航：安全 穩(wěn)定 高精度

陳忠貴

2020年6月23日9時(shí)43分，北斗三號第三十顆衛(wèi)星乘著長征三號乙運(yùn)載火箭從西昌發(fā)射場發(fā)射升空。經(jīng)過1541秒的飛行，衛(wèi)星與火箭分秒不差地準(zhǔn)時(shí)分離。從火箭監(jiān)視相機(jī)傳回的圖像顯示在大屏幕上：衛(wèi)星收攏的太陽翼徐徐展開，金光閃耀，如鯤鵬展翅，翱翔在距地面200多公里的太空中，睥睨蒼茫大海，掠過悠悠白云，飛向距地面3.6萬公里的天空。這個(gè)炫麗的畫面通過電視直播清晰地呈現(xiàn)在全世界觀眾面前。

火箭發(fā)射成功，星箭順利分離，衛(wèi)星太陽翼展開到位，這些僅是衛(wèi)星邁入空間的第一步。這顆地球同步軌道（GEO）衛(wèi)星，將通過自身發(fā)動(dòng)機(jī)把近地點(diǎn)推高至3.6萬公里，并將與赤道面的傾角從28.5度壓到0度，并最終停留在東經(jīng)110.5度的赤道上空，保持從地球看上去固定不動(dòng)。這顆衛(wèi)星受到如此矚目，因其是組成北斗三號衛(wèi)星星座全部30顆衛(wèi)星的收官之星，也是其中3顆地球同步軌道衛(wèi)星的收官之星。它的發(fā)射成功使北斗三號星座組網(wǎng)任務(wù)畫上圓滿句號。

2020年7月31日，習(xí)近平總書記在人民大會(huì)堂鄭重宣布：“北斗三號全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正式開通！”這次開通儀式具有重大里程碑意義。

推進(jìn)自主研發(fā)實(shí)現(xiàn)多項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新突破

在此之前，2019年11月完成了北斗三號3顆傾斜地球同步軌道（IGSO）衛(wèi)星的收官發(fā)射，星下點(diǎn)軌跡始終走在以東經(jīng)118度為中心的一個(gè)大8字上，為亞太地區(qū)服務(wù)奔走南北;12月完成北斗三號24顆中圓地球軌道（MEO）衛(wèi)星的收官發(fā)射，星下點(diǎn)軌跡似遍歷南北55度范圍的波浪線，為全球服務(wù)東奔西忙。

由三種不同軌道組成星座是北斗的獨(dú)特設(shè)計(jì)，是繼承與發(fā)展相結(jié)合、區(qū)域服務(wù)與全球服務(wù)重點(diǎn)不同的設(shè)計(jì)體現(xiàn)，也是中國衛(wèi)星導(dǎo)航自主創(chuàng)新、一路披荊斬棘發(fā)展歷程的結(jié)晶。上世紀(jì)70年代，我們就夢想建立自己的“燈塔”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。結(jié)合當(dāng)時(shí)國內(nèi)經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件，我國科學(xué)家創(chuàng)新性地提出雙星定位的構(gòu)想。1994年，啟動(dòng)實(shí)施北斗一號工程，服務(wù)我國及周邊地區(qū)，并于2000年12月完成系統(tǒng)建設(shè)，使我國成為繼美國、俄羅斯外，第三個(gè)擁有獨(dú)立衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的國家。隨后，北斗二號于2004年啟動(dòng)建設(shè)，2012年全面建成5GEO+5IGSO+4MEO、服務(wù)亞太地區(qū)的區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)，為亞太地區(qū)提供導(dǎo)航授時(shí)服務(wù)。

2009年，啟動(dòng)北斗三號的研制歷程，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)全球?qū)Ш椒?wù)。當(dāng)時(shí)主要面臨幾大困難和挑戰(zhàn)。首先，北斗三號要與北斗二號平穩(wěn)銜接，在使用上需兼顧老用戶，因此北斗三號在設(shè)計(jì)上保留了部分北斗二號的信號。其次，北斗三號的服務(wù)將從區(qū)域邁向全球，這就需要我們在全球布設(shè)監(jiān)測和注入站。美國、俄羅斯和歐洲等國走的就是全球布站這條路。北斗如果也選用這種方案，不僅存在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)問題，還有其他不確定的風(fēng)險(xiǎn)。因此，在系統(tǒng)頂層設(shè)計(jì)中，采用星間鏈路進(jìn)行星間測距、授時(shí)和數(shù)據(jù)傳輸，并采用最為先進(jìn)的Ka頻段相控陣天線技術(shù)，在提高傳輸速率的同時(shí)，確保測距精度優(yōu)于1厘米，使衛(wèi)星和衛(wèi)星之間、衛(wèi)星和地面站之間成為互相連通的網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)一星通全網(wǎng)通——這是目前世界上在軌衛(wèi)星系統(tǒng)最先進(jìn)的星間鏈路技術(shù)。

同時(shí)，要服務(wù)全球，就要和其它衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)同臺競技，我們必須在性能和服務(wù)水平上做到世界一流。因此，我們在信號體制上進(jìn)行創(chuàng)新性設(shè)計(jì)，同時(shí)對影響信號質(zhì)量性能的設(shè)備進(jìn)行攻關(guān)，攻克了衛(wèi)星使用的高精度銣鐘、氫鐘、銫鐘等時(shí)頻技術(shù)，信號生成和播發(fā)設(shè)備性能已達(dá)到國際同類產(chǎn)品的先進(jìn)水平，增加星鐘自主平穩(wěn)切換和信號完好性監(jiān)測等功能，保證信號連續(xù)性，極大地提高了導(dǎo)航服務(wù)可靠性，在局部上處于領(lǐng)先水平。此外，為確保我國衛(wèi)星上使用的產(chǎn)品都是自主可控的，通過發(fā)動(dòng)國內(nèi)元器件、單機(jī)產(chǎn)品研制單位攻堅(jiān)克難，使衛(wèi)星上產(chǎn)品全部由中國制造。

具備六大功能提供高品質(zhì)全球?qū)Ш椒?wù)

經(jīng)過北斗科研團(tuán)隊(duì)的艱苦努力，北斗三號系統(tǒng)經(jīng)過十年的攻關(guān)、試驗(yàn)和研制，終于攜六大服務(wù)功能展示在世人面前。

一是全球?qū)Ш蕉ㄎ皇跁r(shí)服務(wù)。這是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的核心功能，實(shí)測定位精度達(dá)到3米左右，授時(shí)精度達(dá)億分之一秒，居世界各衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)前列;二是全球短報(bào)文通信服務(wù)，每次可發(fā)送560比特的信息，可包含40個(gè)漢字的內(nèi)容，每小時(shí)可提供30萬次服務(wù);三是搭載國際搜救載荷，與其他系統(tǒng)聯(lián)合提供國際搜救服務(wù);四是區(qū)域定位授時(shí)與報(bào)文通信服務(wù)，在即刻開機(jī)后快速定位，每次可發(fā)送1.4萬比特信息，可包含1000個(gè)漢字的內(nèi)容，每小時(shí)可提供1000萬次以上服務(wù);五是區(qū)域星基增強(qiáng)服務(wù)（SBAS），定位精度達(dá)到1米左右，完好可用告警時(shí)間小于6秒;六是區(qū)域精密單點(diǎn)定位（PPP）服務(wù)，將定位精度提高到實(shí)時(shí)分米級，事后達(dá)到厘米級甚至毫米級的精度。

可以說，這每一項(xiàng)功能服務(wù)都飽含北斗的特色和中國的情懷。如今，高精度的全球定位和授時(shí)已廣泛應(yīng)用在陸?？仗旌透餍懈鳂I(yè)，我國的飛機(jī)、船舶等在全球都有北斗衛(wèi)星的陪伴，我們在世界各個(gè)角落都有北斗信號導(dǎo)航。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與國際上其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)兼容共用，為全世界用戶貢獻(xiàn)一份中國力量。短報(bào)文通信功能可用于報(bào)文、圖片、語音等數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，可作為海上和荒漠等移動(dòng)信號難以覆蓋地區(qū)的通信和應(yīng)急救援手段。比如我們的漁船可通過北斗定位與報(bào)文通信獲知海洋和氣象狀況、向家人報(bào)位置報(bào)平安，有危急狀況可及時(shí)發(fā)出求救信息。如今，報(bào)文通信服務(wù)走向全球，可對全球航空航海等專門用戶提供運(yùn)行監(jiān)控和應(yīng)急通信服務(wù)，我國大飛機(jī)等都在設(shè)計(jì)中加入了北斗短報(bào)文等應(yīng)用，空管可隨時(shí)了解飛機(jī)位置和飛機(jī)狀況。星基增強(qiáng)服務(wù)也已在飛機(jī)航行和著陸中加以應(yīng)用。精密單點(diǎn)定位服務(wù)，則應(yīng)用于地質(zhì)地貌和水文監(jiān)測，可提前預(yù)報(bào)災(zāi)情以保障人民生命和財(cái)產(chǎn)安全。此外，還應(yīng)用于精密測繪、自動(dòng)駕駛、建筑物變形監(jiān)測等，充分彰顯中國精度。

建設(shè)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，為國防建設(shè)提供安全、可靠的應(yīng)用保障，確保涉及國計(jì)民生的電力、金融、通信等基礎(chǔ)設(shè)施的導(dǎo)航信號安全。目前，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已在國家安全和社會(huì)經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，推動(dòng)了我國導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。同時(shí)，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)作為我國一張亮麗的名片，已成為聯(lián)合國全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)核心供應(yīng)商，為越來越多的國際組織所認(rèn)可，服務(wù)全球100多個(gè)國家。

北斗三號全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已全面建成，將向全球提供安全可靠、連續(xù)穩(wěn)定的高精度導(dǎo)航定位與授時(shí)服務(wù)。未來，導(dǎo)航定位技術(shù)的國際競爭會(huì)更加激烈。北斗人將繼續(xù)發(fā)揚(yáng)“自主創(chuàng)新、開放融合、萬眾一心、追求卓越”的新時(shí)代北斗精神，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的性能水平，不斷擴(kuò)展服務(wù)范圍，向深空、水下、室內(nèi)延伸，進(jìn)一步將導(dǎo)航和通信等融合，建設(shè)更加泛在、更加融合、更加智能的綜合導(dǎo)航定位授時(shí)體系，更好地服務(wù)全球，造福人類。