中國(guó)北斗：創(chuàng)新超車

袁元

破解星載原子鐘、導(dǎo)航芯片、星間鏈路等“不可能”，歷經(jīng)160余項(xiàng)核心關(guān)鍵技術(shù)和世界級(jí)難題的攻克、500余種核心器部件國(guó)產(chǎn)化研制的突破，中國(guó)北斗閃耀著三種軌道混合星座、短報(bào)文通信等獨(dú)有的中國(guó)智慧火花

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，是我國(guó)迄今為止規(guī)模最大、覆蓋范圍最廣、性能要求最高、與百姓生活關(guān)聯(lián)最緊密的巨型復(fù)雜航天系統(tǒng)

到2035年左右，將建成以北斗系統(tǒng)為核心，更加泛在、更加融合、更加智能的國(guó)家綜合定位導(dǎo)航授時(shí)體系

中國(guó)完全依靠自己的力量建設(shè)北斗系統(tǒng)，建成之后主動(dòng)向世界開放

2020年7月31日，北斗三號(hào)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建成暨開通儀式在人民大會(huì)堂隆重舉行。這意味著，中國(guó)自主建設(shè)、獨(dú)立運(yùn)行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已全面建成開通，中國(guó)北斗邁進(jìn)了高質(zhì)量服務(wù)全球、造福人類的新時(shí)代。

從創(chuàng)造性地提出“雙星定位”構(gòu)想、繪下“三步走”發(fā)展藍(lán)圖，到在衛(wèi)星導(dǎo)航頻段即將逾期的最后時(shí)刻完成首次衛(wèi)星發(fā)射、拿到進(jìn)軍全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)俱樂部的“入場(chǎng)券”，再到兩年多時(shí)間18箭30星的高密度發(fā)射、完成全球組網(wǎng)，創(chuàng)造世界衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)組網(wǎng)發(fā)射新紀(jì)錄……26年間，幾代北斗人接續(xù)奮斗、數(shù)十萬(wàn)建設(shè)者聚力托舉，一次次刷新了科技強(qiáng)國(guó)的“中國(guó)速度”，展現(xiàn)了自主創(chuàng)新的“中國(guó)精度”，彰顯了開放包容的“中國(guó)氣度”。

北斗全球服務(wù)信號(hào)在無(wú)形時(shí)空傳播開來(lái)。寰宇蒼穹、星羅棋布，世界民眾的指端和人生旅程，真正有了“中國(guó)北斗”的導(dǎo)引和陪伴。

為建設(shè)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)提供全新范式

起步晚、底子薄，中國(guó)要獨(dú)立建成世界一流衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，曾被西方國(guó)家認(rèn)為是不可能完成的任務(wù)。

上世紀(jì)90年代，美國(guó)GPS、俄羅斯格洛納斯已完成全球組網(wǎng)，牢牢占據(jù)先發(fā)優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)“一步建全球”。此時(shí)，國(guó)際局勢(shì)復(fù)雜多變，讓我國(guó)愈發(fā)強(qiáng)烈地意識(shí)到，擁有自己的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)于維護(hù)國(guó)家安全、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展是多么重要。

在建設(shè)之初，有人曾問：美國(guó)GPS、俄羅斯格洛納斯建設(shè)已打好樣板，北斗系統(tǒng)模仿復(fù)制，豈不簡(jiǎn)單？但這顯然不是一個(gè)開卷命題，當(dāng)時(shí)的國(guó)情，要求中國(guó)只能不走尋常路。

中國(guó)北斗人探索了符合中國(guó)國(guó)情的“三步走”戰(zhàn)略，走出了一條從無(wú)到有、從有到優(yōu)、從有源到無(wú)源、從區(qū)域到全球的中國(guó)特色發(fā)展道路，也為世界衛(wèi)星導(dǎo)航事業(yè)貢獻(xiàn)了新的發(fā)展路徑。

1983年，“兩彈一星”元?jiǎng)?、?63計(jì)劃”倡導(dǎo)者之一陳芳允院士，創(chuàng)造性地提出“雙星定位”構(gòu)想。這一方案，能以最小星座、最少投入、最短周期實(shí)現(xiàn)“從無(wú)到有”。

之后，“兩彈一星”元?jiǎng)?、北斗系統(tǒng)工程首任總設(shè)計(jì)師孫家棟院士，進(jìn)一步組織研究提出“三步走”發(fā)展戰(zhàn)略，決定先建試驗(yàn)系統(tǒng)、然后再建區(qū)域系統(tǒng)，最后建成全球系統(tǒng)。

2000年建成北斗一號(hào)試驗(yàn)系統(tǒng)，使我國(guó)成為世界第三個(gè)擁有自主衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的國(guó)家。2012年建成北斗二號(hào)區(qū)域系統(tǒng)，為亞太地區(qū)提供服務(wù)。2020年建成北斗三號(hào)全球系統(tǒng)，開通全球服務(wù)。

北斗系統(tǒng)用20多年走完其他全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)40多年的發(fā)展之路，成為繼美國(guó)GPS、俄羅斯格洛納斯之后，第三個(gè)建成的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，處于世界先進(jìn)水平。

與其他全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)采取單一軌道星座相比，北斗系統(tǒng)獨(dú)樹一幟，選擇走混合星座的特色發(fā)展之路。北斗二號(hào)系統(tǒng)充分繼承北斗一號(hào)系統(tǒng)用地球靜止軌道衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)區(qū)域?qū)Ш蕉ㄎ坏某晒?jīng)驗(yàn)，在國(guó)際上首創(chuàng)以地球靜止軌道和傾斜地球同步軌道衛(wèi)星為骨干，兼有中圓軌道衛(wèi)星的混合星座。北斗系統(tǒng)高級(jí)顧問、原工程副總設(shè)計(jì)師李祖洪說，對(duì)于區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)而言，這種“混搭”組合可以用最少衛(wèi)星數(shù)量實(shí)現(xiàn)最好覆蓋效果，已獲得國(guó)際認(rèn)可。

北斗三號(hào)系統(tǒng)繼承并發(fā)展了“混合星座”，創(chuàng)造性實(shí)現(xiàn)并應(yīng)用全星座“星間鏈路”等全新理念，建成由24顆中圓軌道衛(wèi)星、3顆地球靜止軌道衛(wèi)星、3顆傾斜地球同步軌道衛(wèi)星組成的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，為全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)提供了全新范式。

強(qiáng)大的核心競(jìng)爭(zhēng)力在于自主創(chuàng)新

關(guān)鍵核心技術(shù)是花錢買不來(lái)的，自主創(chuàng)新的過程注定是艱苦的。在20多年的建設(shè)過程中，面對(duì)沒有自己的原子鐘和導(dǎo)航芯片、全球建站困難等條件下實(shí)現(xiàn)全球服務(wù)等難題，北斗人走出了一條自主創(chuàng)新、追求極致的發(fā)展道路。

北斗一號(hào)系統(tǒng)解決了導(dǎo)航衛(wèi)星最基本的問題，如供配電的太陽(yáng)帆板等，實(shí)現(xiàn)核心產(chǎn)品的國(guó)產(chǎn)化。

北斗二號(hào)系統(tǒng)率先提出國(guó)際上首個(gè)高中軌道混合星座新體制，攻克了以高精度星載原子鐘等為代表的多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

北斗三號(hào)系統(tǒng)攻克了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的星間鏈路、自主定軌等關(guān)鍵技術(shù)，建立了國(guó)產(chǎn)器部件從研制、驗(yàn)證到應(yīng)用的工作體系，實(shí)現(xiàn)了北斗導(dǎo)航衛(wèi)星單機(jī)和關(guān)鍵元器件國(guó)產(chǎn)化率100%。

可以說，北斗系統(tǒng)的核心競(jìng)爭(zhēng)力正是在于其強(qiáng)大的自主創(chuàng)新體系能力和舉國(guó)體制優(yōu)勢(shì)，并在創(chuàng)新中發(fā)展、在發(fā)展中提升。

——攻克無(wú)“鐘”之困。

星載原子鐘是導(dǎo)航衛(wèi)星的“心臟”，其性能對(duì)系統(tǒng)定位和授時(shí)精度具有決定性作用。

北斗二號(hào)系統(tǒng)建設(shè)之初，國(guó)內(nèi)星載原子鐘技術(shù)比較薄弱，全世界只有少數(shù)國(guó)家有能力研制高性能星載原子鐘，而進(jìn)口又存在諸多困難和不確定性。為盡早“讓中國(guó)的北斗用上最好的鐘”，工程總體組織相關(guān)科研單位和企業(yè)，成立三支研發(fā)隊(duì)伍同步進(jìn)行攻堅(jiān)，終于三支隊(duì)伍全都取得成功，自主研發(fā)的星載原子鐘達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

北斗二號(hào)系統(tǒng)首發(fā)衛(wèi)星上便搭載全國(guó)產(chǎn)化星載原子鐘，并實(shí)現(xiàn)“雙鐘”相互備份，衛(wèi)星可靠性和在軌壽命大幅提升。

——消除缺“芯”之憂。

缺少“中國(guó)芯”，一直是困擾我國(guó)高科技領(lǐng)域的一塊“心病”。對(duì)于北斗系統(tǒng)應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化來(lái)說，擁有國(guó)產(chǎn)芯片，對(duì)于確保應(yīng)用安全和獲得產(chǎn)業(yè)發(fā)展主動(dòng)權(quán)至關(guān)重要。

中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)管理辦公室通過揭榜掛帥，組織國(guó)內(nèi)40余家單位，創(chuàng)新管理模式，打破中標(biāo)項(xiàng)目終身制，通過實(shí)物比測(cè)、產(chǎn)業(yè)化考核，形成“研發(fā)一代、論證一代、應(yīng)用一代”的良性發(fā)展局面，成功研發(fā)了體積更小、功耗更低、精度更高的射頻系帶一體化導(dǎo)航定位芯片，北斗擁有了自己的“中國(guó)芯”。

如今，國(guó)產(chǎn)北斗芯片工藝達(dá)到世界先進(jìn)水平，性價(jià)比與世界主流產(chǎn)品相當(dāng)，國(guó)產(chǎn)北斗導(dǎo)航型芯片出貨量已超1億規(guī)模，年出貨量接近5000萬(wàn)片，已在物聯(lián)網(wǎng)和消費(fèi)電子領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

——破解布“站”之難。

按照傳統(tǒng)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)和運(yùn)行模式，需要在全球范圍內(nèi)建立分布均勻的地面站。為解決北斗系統(tǒng)海外建站的難題，北斗系統(tǒng)首創(chuàng)星間鏈路，創(chuàng)造性地提出高效解決方案。

通過星間鏈路，所有在軌北斗衛(wèi)星連成一張大網(wǎng)，相互間可以通信、測(cè)距，能自動(dòng)“保持隊(duì)形”，不僅減小地面站規(guī)模、減輕地面管理維護(hù)壓力，而且還使衛(wèi)星定位精度大幅提高。憑借這一“絕活”，中國(guó)北斗實(shí)現(xiàn)了全球服務(wù)能力，性能達(dá)到世界一流。

據(jù)了解，2035年前，我國(guó)還將建成更加泛在、更加融合、更加智能的國(guó)家綜合定位導(dǎo)航授時(shí)體系，構(gòu)建覆蓋天空地海、基準(zhǔn)統(tǒng)一、高精度、高安全、高智能、高彈性、高效益的時(shí)空信息服務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施，為未來(lái)智能化、無(wú)人化發(fā)展提供核心支撐。

“北斗+”讓生活更便利

全球定位精度優(yōu)于10米、授時(shí)精度優(yōu)于20納秒；亞太區(qū)域優(yōu)于5米、授時(shí)精度優(yōu)于10納秒……與其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)相比，北斗系統(tǒng)除了可提供全球定位導(dǎo)航授時(shí)服務(wù)外，還可提供全球短報(bào)文通信、區(qū)域短報(bào)文通信、星基增強(qiáng)、國(guó)際搜救、精密單點(diǎn)定位、地基增強(qiáng)七種服務(wù)，能更好地滿足用戶的多元化需求。

如今，北斗三號(hào)系統(tǒng)成為國(guó)際上第一個(gè)多功能一體化的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。這種多功能集成化設(shè)計(jì)，有利于取得差異化的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

從功能看，北斗系統(tǒng)具有有源和無(wú)源兩種體制，用戶不但可以自己知道“我在哪”，還能告訴別人“我在哪”“在干什么”。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)工程總設(shè)計(jì)師楊長(zhǎng)風(fēng)介紹：“例如，突發(fā)地震、海上遇險(xiǎn)時(shí)，在其他通信手段失效的情況下，北斗短報(bào)文通信可以成為傳遞求救信息、拯救生命的最后保險(xiǎn)?！?/p>

目前，北斗三號(hào)系統(tǒng)區(qū)域短報(bào)文單次長(zhǎng)度達(dá) 1000個(gè)漢字，相比于北斗二號(hào)系統(tǒng)，通信能力大幅提升。

“天上好用、地上用好”，作為國(guó)家重大空間基礎(chǔ)設(shè)施，北斗系統(tǒng)已應(yīng)用到各行各業(yè)，如同水和電一樣，走進(jìn)千家萬(wàn)戶，無(wú)處不在、觸手可及。

北斗系統(tǒng)已全面服務(wù)交通運(yùn)輸、公共安全、救災(zāi)減災(zāi)、農(nóng)林牧漁、城市治理等行業(yè)，融入電力、金融、通信等基礎(chǔ)設(shè)施，廣泛進(jìn)入大眾消費(fèi)、共享經(jīng)濟(jì)和民生領(lǐng)域，深刻改變著人們的生產(chǎn)生活方式，產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。據(jù)統(tǒng)計(jì)，10年來(lái)，我國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航與位置服務(wù)產(chǎn)業(yè)總體產(chǎn)值年均增長(zhǎng)20%以上，2019年達(dá)3450億元，2020年有望超過4000億元。

交通運(yùn)輸是北斗應(yīng)用的主要領(lǐng)域之一。目前，國(guó)內(nèi)已有約700萬(wàn)輛運(yùn)營(yíng)車輛加裝北斗終端，建成全球最大營(yíng)運(yùn)車輛動(dòng)態(tài)監(jiān)管系統(tǒng)。北斗正向鐵路運(yùn)輸、內(nèi)河航運(yùn)、遠(yuǎn)洋航海、航空運(yùn)輸及交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)管理縱深推進(jìn)，提升我國(guó)綜合交通管理效率和運(yùn)輸安全水平。北斗系統(tǒng)的規(guī)模化應(yīng)用使得近年來(lái)中國(guó)道路運(yùn)輸重特大事故發(fā)生率和死亡率均下降約50個(gè)百分點(diǎn)。

目前，我國(guó)已構(gòu)建起集芯片、板卡、終端和運(yùn)營(yíng)服務(wù)為一體的完整北斗產(chǎn)業(yè)鏈，在國(guó)家關(guān)鍵行業(yè)和重點(diǎn)領(lǐng)域推進(jìn)標(biāo)配化使用，在大眾消費(fèi)領(lǐng)域拓展規(guī)?；瘧?yīng)用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在中國(guó)入網(wǎng)的智能手機(jī)，已有80%以上支持北斗功能。

今年，在新冠肺炎疫情阻擊戰(zhàn)中，北斗高精度定位設(shè)備馳援武漢火神山、雷神山醫(yī)院建設(shè)，確保工地大部分放線測(cè)量一次完成，為醫(yī)院迅速施工爭(zhēng)取了寶貴時(shí)間；北京、湖北的北斗植保無(wú)人機(jī)被廣泛用于區(qū)域消毒防疫，一架無(wú)人機(jī)單次噴灑面積可覆蓋5000平方米，并能深入防疫車無(wú)法抵達(dá)的死角；在全國(guó)各地，數(shù)十萬(wàn)臺(tái)北斗終端進(jìn)入物流行業(yè)；“北斗+”信息產(chǎn)品可對(duì)感染者的行動(dòng)軌跡進(jìn)行精確定位，為疫情防控提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)支撐。

與世界分享“中國(guó)北斗”

北斗始終堅(jiān)持“中國(guó)的北斗、世界的北斗、一流的北斗”的發(fā)展理念，中國(guó)愿同世界各國(guó)共享北斗系統(tǒng)建設(shè)發(fā)展成果，共促全球衛(wèi)星導(dǎo)航事業(yè)蓬勃發(fā)展。

2020年6月，北斗三號(hào)系統(tǒng)星座部署完成后，聯(lián)合國(guó)外空司專門發(fā)來(lái)視頻，祝賀北斗系統(tǒng)完成全球組網(wǎng)部署，肯定北斗系統(tǒng)正在推動(dòng)全球經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，贊賞北斗系統(tǒng)在和平利用外太空、參與聯(lián)合國(guó)空間活動(dòng)國(guó)際合作方面作出的巨大貢獻(xiàn)。

隨著北斗三號(hào)系統(tǒng)正式開通服務(wù)，從國(guó)內(nèi)到國(guó)外，從區(qū)域到全球，北斗服務(wù)為更多國(guó)家和人民所共享。

2013年，緬甸農(nóng)業(yè)使用了500余臺(tái)高精度北斗終端，這是北斗高精度產(chǎn)品首次在東南亞國(guó)家批量應(yīng)用于農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)采集、土地精細(xì)管理。

2015年，基于北斗系統(tǒng)的高精度接收機(jī)應(yīng)用于科威特國(guó)家銀行總部300米高摩天大樓建設(shè)，實(shí)現(xiàn)了施工過程中垂直方向毫米級(jí)測(cè)量誤差。這是北斗首次在海外應(yīng)用于高層建筑監(jiān)測(cè)。

2018年，北斗系統(tǒng)走進(jìn)新加坡，基于北斗高精度的靜音打樁系統(tǒng)可進(jìn)行樁點(diǎn)精準(zhǔn)管理，根據(jù)導(dǎo)航提示快速找到鉆點(diǎn)位置，每個(gè)打樁點(diǎn)精度可達(dá)厘米級(jí)，同時(shí)大幅提高鉆機(jī)鉆孔速度。

2019年，北斗系統(tǒng)走進(jìn)柬埔寨，為柬埔寨政府部門綜合規(guī)劃、國(guó)土整治監(jiān)控、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、生態(tài)環(huán)境監(jiān)控等提供了更加完整的基礎(chǔ)信息資料，高精度服務(wù)成為政府基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不可或缺的一項(xiàng)重要技術(shù)手段。

北斗系統(tǒng)走進(jìn)老撾，為全國(guó)性土地確權(quán)工程放樣、地形測(cè)圖等各種控制測(cè)量提供新的方法手段，逐步替代了傳統(tǒng)全站儀作業(yè)的方式，為老撾地籍調(diào)查、土地管理以及相關(guān)法律法規(guī)的制定提供了原始依據(jù)和科學(xué)基礎(chǔ)。

北斗系統(tǒng)走進(jìn)俄羅斯，西伯利亞電力巡線實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)人員與管理中心雙向互動(dòng)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備缺陷和危及線路安全的隱患，保證輸配電線路安全和電力系統(tǒng)穩(wěn)定。

北斗系統(tǒng)“駛?cè)搿睔W洲，在中歐班列上，裝有北斗終端的集裝箱，高精度定位導(dǎo)航功能讓物流更便捷，實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)運(yùn)輸方式的升級(jí)與轉(zhuǎn)型。北斗實(shí)時(shí)記錄列車及貨品的運(yùn)行軌跡，定位精度10米以內(nèi)，實(shí)現(xiàn)全程跟蹤無(wú)縫中轉(zhuǎn)。

2020年以來(lái)，北斗落地更多海外國(guó)家。北斗安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)落地緬甸萊比塘銅礦，高精度定位守護(hù)礦區(qū)安全；基于北斗的港口智能控制系統(tǒng)已經(jīng)在意大利、卡塔爾、印度等20個(gè)國(guó)家的50余個(gè)港口成功應(yīng)用。

目前，國(guó)產(chǎn)北斗基礎(chǔ)產(chǎn)品已出口120余個(gè)國(guó)家和地區(qū)，在東盟、南亞、東歐、西亞、非洲等地得到成功應(yīng)用。

“北斗應(yīng)用只受想象力限制?！泵嫦蛭磥?lái)，北斗應(yīng)用發(fā)展將有無(wú)限可能和廣闊前景。

科普釋義：

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國(guó)著眼于國(guó)家安全和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需要，自主建設(shè)運(yùn)行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，是為全球用戶提供全天候、全天時(shí)、高精度的定位、導(dǎo)航和授時(shí)服務(wù)的國(guó)家重要時(shí)空基礎(chǔ)設(shè)施，充分展現(xiàn)了我國(guó)的長(zhǎng)遠(yuǎn)戰(zhàn)略布局和科研人員的創(chuàng)新精神。北斗系統(tǒng)已在許多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，服務(wù)國(guó)家重要基礎(chǔ)設(shè)施，產(chǎn)生了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。北斗系統(tǒng)將持續(xù)推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，服務(wù)國(guó)家現(xiàn)代化建設(shè)和百姓日常生活，為全球科技、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展作出貢獻(xiàn)。