北斗的“世界領(lǐng)先”是如何煉成的？

告別受制于人！

1993年，我國“銀河號”貨輪從天津港出發(fā)前往伊朗，行至印度洋公海海域時突遇美國攔截，稱該貨輪涉嫌運輸化學武器，要求上船檢查。就在中方考慮如何回應(yīng)時，美方直接切斷了貨輪的GPS信號。一時間，“銀河號”在海上失去方向，寸步難行。

時任外交部國際司副司長沙祖康回顧這段歷史時，連用了好幾個“窩囊”：“拒絕，窩囊，我們要背黑鍋;讓他們?nèi)ゲ?，某種程度上我們受到了侮辱，也窩囊”。

看人臉色的滋味不好受。次年，中國自主建設(shè)、獨立運行的衛(wèi)星導航系統(tǒng)啟動建設(shè)——北斗正式起航。

27年后，2020年7月31日，北斗三號全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)建成暨開通儀式舉行，中國成為世界第三個獨立擁有全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)的國家。

三代中國北斗人，用27年的青春和血淚，為全人類提供了“中國方案”。

目前，國產(chǎn)北斗基礎(chǔ)產(chǎn)品已出口120余個國家和地區(qū)，基于北斗的土地確權(quán)、精準農(nóng)業(yè)、數(shù)字施工、智慧港口等應(yīng)用，已在東盟、南亞、東歐、西亞、非洲等地區(qū)成功落地。

時至今日，北斗系統(tǒng)像水和電一樣，成為人民日常生活中不可缺少的必需品，無處不在、觸手可及。國內(nèi)衛(wèi)星導航與位置服務(wù)領(lǐng)域企事業(yè)單位數(shù)量在14000家左右，從業(yè)人員數(shù)量超過50萬，形成珠三角、京津冀、長三角、鄂豫湘、川陜渝五大產(chǎn)業(yè)區(qū)。

根據(jù)中國衛(wèi)星導航系統(tǒng)管理辦公室預測，到2020年，北斗導航產(chǎn)值將突破4000億元。

“天上建好，地上用好”，是北斗系統(tǒng)的口號。隨著北斗三號全球系統(tǒng)星座部署全面完成，“天上建好”的目標已宣告實現(xiàn)，未來北斗產(chǎn)業(yè)的發(fā)展重心將轉(zhuǎn)移到“地上怎么用好”。隨著底層應(yīng)用場景趨于豐富并真正服務(wù)于社會，“北斗+”將延伸出更多商業(yè)路徑，北斗相關(guān)的產(chǎn)業(yè)規(guī)模勢必發(fā)生天翻地覆的變化。

“其實你已經(jīng)用上了北斗，只是不知道，還管它叫GPS”

在北斗三號全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)正式開通后，《中國經(jīng)濟周刊》記者獨家專訪了北斗三號系統(tǒng)衛(wèi)星總設(shè)計師、中科院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院副院長林寶軍。采訪開始，這位人送外號“北斗狂人”的總設(shè)計師，就率先為北斗“安利”了一把。

林寶軍介紹，現(xiàn)在國內(nèi)70%智能手機的芯片已經(jīng)同時支持GPS和北斗。很多人感知不到北斗系統(tǒng)，是因為手機廠商、地圖軟件的制造商往往用“GPS”來代替所有衛(wèi)星導航系統(tǒng)，大家也習慣說“打開GPS導航”。

現(xiàn)在世界上有四大衛(wèi)星導航系統(tǒng)，分別為美國的全球定位系統(tǒng)（GPS）、俄羅斯的格洛納斯定位系統(tǒng)（GLONASS）、歐洲的伽利略衛(wèi)星定位系統(tǒng)（Galileo）和中國的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)（BDS）。

就像水和空氣一樣，現(xiàn)代人的生活已經(jīng)離不開導航，林寶軍道出依賴背后的奧秘：“我們80%的生活都和位置和時間有關(guān)，所以北斗三號組成的網(wǎng)是和百姓生活最密切的一張網(wǎng)?！?p>

北斗三號組網(wǎng)星模型?！吨袊?jīng)濟周刊》記者賈璇I攝

北斗三號的非常“1+6”

北斗三號到底是一張什么網(wǎng)？

中國衛(wèi)星導航系統(tǒng)管理辦公室主任、北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)新聞發(fā)言人冉承其說，“北斗三號是功能強大的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)，功能性能指標達到世界一流。”

世界一流的定位背后是過硬的實力。林寶軍介紹稱，“除具備其他三大導航系統(tǒng)都有的定位功能外，北斗三號還提供‘1+6的特色服務(wù)，即全球短報文、區(qū)域短報文、星基增強、地基增強、搜救服務(wù)和精密單點定位”，性能方面也是“人無我有、人有我優(yōu)”。

值得一提的是，近年來，短報文通信可謂頻立戰(zhàn)功，可以把它簡單理解為“用衛(wèi)星信號發(fā)送短信”。

2008年5月12日14點28分，汶川發(fā)生了里氏8.0級地震，由于震中受災極其嚴重，通信、電力、交通全部被破壞殆盡，抗震救災指揮部完全無法與震中取得聯(lián)系。

次日12時，指揮部總站值班監(jiān)控屏幕上，一個信號紅點突然出現(xiàn)，“災區(qū)有人用北斗了！”空降兵勇士攜帶“北斗”終端深入重災區(qū)，打開了災區(qū)與外界的通信通道。

美國GPS之父帕金森教授對北斗的這一功能贊不絕口：既能夠知道你在哪里，也能夠知道我在哪里，是多么美妙的體驗。

“漁民出海遇險時，就可以通過北斗來求救，他不僅能把自己的位置和情況發(fā)出去，還能收到回復，漁民知道已經(jīng)有人來救他了，心里多踏實?！绷謱氒娬f。

北斗三號組網(wǎng)成功后，系統(tǒng)整體的短報文通信服務(wù)完成升級拓展，區(qū)域通信能力達到每次14000比特（1000漢字），既能傳輸文字，還可傳輸語音和圖片，并支持每次560比特（40個漢字）的全球通信能力。

不過，據(jù)林寶軍介紹，目前全球短報文容量有限，想要真正用“衛(wèi)星發(fā)短信”還需等待一段時日?！暗綍r候，需要開通授權(quán)服務(wù)的話，就像去營業(yè)廳申請手機號一樣簡單，不過如果申請的人太多了，可能會像北京和上海的車牌一樣搖號或限號”。

現(xiàn)在大部分手機上發(fā)揮作用的就是北斗

與其他衛(wèi)星導航系統(tǒng)相比，北斗三號還有一大特點，即空間段采用三種軌道衛(wèi)星組成混合星座?！靶蜗髞碚f，我們的衛(wèi)星‘站得高看得遠?！绷謱氒娤颉吨袊?jīng)濟周刊》介紹。

從星座構(gòu)成來講，GPS、格洛納斯和伽利略均采用中軌道地球衛(wèi)星，衛(wèi)星軌道距離地球表面約20000千米;北斗系統(tǒng)則采用低中高軌道結(jié)合的組網(wǎng)方式，除有24顆中軌道地球衛(wèi)星外，還有6顆距離地表約36000千米的高軌道地球衛(wèi)星?！案哕壍佬l(wèi)星的參與，讓中國及周邊地區(qū)北斗系統(tǒng)的可見星數(shù)更多，定位更快、精度更高，尤其在低緯度地區(qū)性能優(yōu)勢更為明顯”。

林寶軍打開隨身手機，屏幕顯示研究院所處的上海張江地區(qū)上空，有15顆北斗衛(wèi)星、9顆GPS衛(wèi)星和10顆伽利略衛(wèi)星。

北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)工作的基本原理是測量出已知位置的衛(wèi)星到用戶接收機之間的距離，然后綜合多顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)就可知道接收機的具體位置，可見衛(wèi)星數(shù)量的多少對于導航系統(tǒng)定位的精準度至關(guān)重要，同時也決定著系統(tǒng)整體性能。

“現(xiàn)在大部分手機上都是北斗和GPS共同作用，但咱北斗的可見星多，所以發(fā)揮主要作用的就是北斗?！绷謱氒娬f。

目前，全球已有120余個國家和地區(qū)使用北斗系統(tǒng)，全球服務(wù)可用性優(yōu)于99%，這意味著在一年365天中，用戶可在超過99%的時間內(nèi)，享受到由北斗提供的服務(wù)。

給“瘦身”的衛(wèi)星搞批發(fā)

據(jù)俄羅斯媒體報道，中國北斗在建設(shè)完成之后，還一口氣拿下了3個“世界第一”，即衛(wèi)星數(shù)量世界第一、專利申請數(shù)量世界第一以及衛(wèi)星組網(wǎng)速度世界第一。

目前，北斗三號共發(fā)射35顆衛(wèi)星（含5顆試驗星），美國GPS系統(tǒng)為31顆，俄羅斯格洛納斯系統(tǒng)為24顆，歐洲伽利略系統(tǒng)為22顆。

“為了快速實現(xiàn)‘一箭多星，衛(wèi)星的個頭兒就得變小，性能還不能減，壽命還得長，還得穩(wěn)定，這個太難了?！绷謱氒娬f。

據(jù)他介紹，北斗三號衛(wèi)星中最小的衛(wèi)星僅重847.6公斤，比一輛家用小轎車還要輕不少。此前，一顆衛(wèi)星動輒就是三四噸的體重。據(jù)林寶軍介紹，北斗組網(wǎng)星體積也“迷你”，主艙體僅長1米，寬1米，高在2.5米左右。

小身材帶來高效率?！艾F(xiàn)在我們的小衛(wèi)星，在工廠組裝好后，直接用車拉走就行了。從上海的工廠拉走，運到西昌發(fā)射場調(diào)試好具備發(fā)射條件，只需要33天，原來至少要3到4個月?！绷謱氒娬f。

據(jù)公開資料顯示，美國GPS衛(wèi)星導航系統(tǒng)部署最快時，完成“一年6星”任務(wù)，北斗人卻完成了“一年10箭18星”的壯舉。林寶軍驕傲地稱，“這速度在世界衛(wèi)星導航系統(tǒng)歷史上可謂是奇跡了。”

除了給衛(wèi)星“瘦身”，設(shè)計師還搞起了“批發(fā)”。

林寶軍介紹，“原來一顆衛(wèi)星從園區(qū)設(shè)計完畢到打上天至少需要一年時間?，F(xiàn)在我們是一次狀態(tài)確認，六星并行投產(chǎn)，兩星并行測試。在這種狀態(tài)下，我們不到100個人的團隊一年完成了8顆衛(wèi)星的測試發(fā)射任務(wù)?！?/p>

據(jù)悉，北斗三號系統(tǒng)單星研制周期縮短1/4，運載火箭總裝周期縮短1/3，衛(wèi)星入網(wǎng)周期縮短3/4。

此外，北斗系統(tǒng)是全球第一個提供三頻信號服務(wù)的衛(wèi)星導航系統(tǒng)。這是北斗的后發(fā)優(yōu)勢，GPS還在使用傳統(tǒng)的雙頻信號。

在使用三頻信號的情況下，如果一個頻率信號出現(xiàn)問題，可使用傳統(tǒng)方法利用另外兩個頻率進行定位，提高了定位的可靠性和抗干擾能力。據(jù)悉，GPS系統(tǒng)也在擴展成三頻信號系統(tǒng)。

夾縫里生存的后來者，此前不敢想象能超越美國人

“不再看人臉色過日子”，是北斗系統(tǒng)開通全球服務(wù)最重要的意義。除了給中國和世界更多選擇外，北斗系統(tǒng)本身的自主可控也至關(guān)重要。

“GPS都發(fā)展幾十年了，特別是好的頻率資源、軌道都被它占了，更重要的是相關(guān)專利都給它占了，按我的話，我們要在夾縫里生存，這是后來者的難度。這堆技術(shù)中國人都沒做過，當時難死我們了?！绷謱氒娬f。

衛(wèi)星定位采用的是無線電測距方式，即距離=光速×傳播時延。由于光速太快，為了精確地測出距離就必須精確地測出傳播時延。這樣就使時間精度成為導航的核心。

人們平時所用的鐘表，精度高的大約每年會有1分鐘的誤差，這對日常生活是沒有影響的，但衛(wèi)星定位則需要世界上更準確的計時工具——原子鐘。它利用原子吸收或釋放能量時發(fā)出的穩(wěn)定的電磁波來計時。

作為北斗衛(wèi)星的“心臟”，原子鐘的每一次跳動都直接決定著北斗衛(wèi)星定位、測速和授時功能的精度，用林寶軍的話來說，原子鐘的性能直接決定了用戶體驗。

“原子鐘的關(guān)鍵在于高穩(wěn)定，北斗三號采用的中高軌道衛(wèi)星，面臨的空間環(huán)境更加惡劣，衛(wèi)星在天上受到的輻射比低軌衛(wèi)星高了10倍。加上太陽風、宇宙射線等高能粒子，打到衛(wèi)星的計算機上，更易出錯?！?/p>

但原子鐘的研發(fā)過程不僅要面對簡陋的條件、技術(shù)的封鎖，甚至連科研設(shè)備也少之又少。

絕處逢生，2006年我國第一臺星載銣鐘產(chǎn)品一飛沖天，搭載驗證取得成功。2012年，在北斗二號后期發(fā)射的衛(wèi)星中，改變了以往的國產(chǎn)銣鐘為主鐘、進口銣鐘為備份的模式，國產(chǎn)銣鐘正式全面取代進口銣鐘。

經(jīng)過綜合估算，北斗二號系統(tǒng)的精度大致是10米級，北斗三號使用新型原子鐘后，頻率穩(wěn)定度提升了10倍，相應(yīng)的北斗系統(tǒng)定位精度也從10米級跨向米級。

據(jù)林寶軍介紹，北斗三號組網(wǎng)衛(wèi)星采用的是“一星兩鐘”，同時配置兩個氫鐘和兩個銣鐘，保證北斗的精度比世界其他三大導航系統(tǒng)高約10倍，每300萬年才會差一秒。

為了追上北斗衛(wèi)星的高密度發(fā)射，曾經(jīng)難倒人的星載銣鐘，批產(chǎn)能力已經(jīng)達到了每年50臺左右。

除攻克原子鐘之外，中國航天400多家單位、30余萬北斗人集智攻關(guān)，相繼攻克含星間鏈路在內(nèi)的160余項關(guān)鍵核心技術(shù)，突破500余種器部件國產(chǎn)化研制，實現(xiàn)北斗三號衛(wèi)星核心器部件國產(chǎn)化率100%。

“在這之前，超過美國人這事兒，我們連想都不敢想?！绷謱氒娬f。