中國航天發(fā)展史（三）

杜駿豪

為什么要建設(shè)北斗

在北斗之前，全球使用最為廣泛的導(dǎo)航系統(tǒng)是美國20世紀(jì)70年代開始研制，1994年正式建成的全球定位系統(tǒng)，也就是我們熟知的GPS。GPS經(jīng)過幾十年的建設(shè)已經(jīng)非常成熟，使用成本也十分低廉。但是，GPS本質(zhì)上是美國軍方的定位系統(tǒng)，其最核心的功能是不可能對(duì)我國開放的。若是一個(gè)國家沒有自己的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，那么在軍事領(lǐng)域便處于被動(dòng)地位——如果戰(zhàn)爭發(fā)生，美國將這一地區(qū)的GPS突然關(guān)閉，會(huì)使該地區(qū)陷入無助的混亂之中，不少依賴GPS定位的導(dǎo)彈、飛機(jī)會(huì)在瞬間失靈，變成無頭蒼蠅。這并非危言聳聽，類似的場(chǎng)景已經(jīng)在1999年印巴軍事沖突等事件中發(fā)生過了，所以建設(shè)我國自己的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)十分必要。

我國在1994年正式啟動(dòng)北斗一號(hào)系統(tǒng)工程建設(shè)，并于2000年10月31日發(fā)射了北斗一號(hào)衛(wèi)星的第一顆，隨后在同年12月、2003年5月和2007年2月發(fā)射了其余三顆北斗一號(hào)衛(wèi)星，初步建成了覆蓋全中國的初級(jí)導(dǎo)航系統(tǒng)，向特殊用戶開放授時(shí)和定位功能。

與此同時(shí)，歐盟也意識(shí)到?jīng)]有自己的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)將會(huì)受制于人，1999年終于下定決心建設(shè)自己的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)——伽利略，打破美國GPS的壟斷，并邀請(qǐng)中國加入該計(jì)劃。當(dāng)時(shí)中國的衛(wèi)星技術(shù)還比較薄弱，因此我國對(duì)與歐盟的合作非常期待，希望能通過合作學(xué)到一些衛(wèi)星領(lǐng)域的核心技術(shù)。然而，在我國提供了2.7億美元的科研經(jīng)費(fèi)后，卻遭到歐盟方面的排擠，很多核心技術(shù)的研究都把中國排除在外。最終在2007年，歐盟正式把我國從伽利略項(xiàng)目中排除出去。

我國再次感受到了自力更生的重要性，下定決心要建設(shè)完全具有中國自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的全新衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，北斗二號(hào)應(yīng)運(yùn)而生。北斗二號(hào)實(shí)現(xiàn)了覆蓋亞太地區(qū)的無源定位，在技術(shù)上比伽利略系統(tǒng)更為先進(jìn)，令歐盟震驚不已。時(shí)至今日，我國已經(jīng)建成了覆蓋全球的無源定位系統(tǒng)——北斗三號(hào)，達(dá)到了與GPS比肩的世界頂尖水平。

導(dǎo)航衛(wèi)星的基本原理

簡單來說，導(dǎo)航的主要目的就是為了確定“幾點(diǎn)了”以及“我在哪兒”。為了解決這兩個(gè)問題，導(dǎo)航衛(wèi)星分為“有源定位”與“無源定位”兩種基本技術(shù)手段。其中，北斗一號(hào)屬于有源定位，北斗二號(hào)與北斗三號(hào)屬于無源定位。

兩種定位的基本原理都是“解方程組”。衛(wèi)星會(huì)以電磁波的方式不斷發(fā)射自己的位置坐標(biāo)（經(jīng)度、維度、海拔高度）和時(shí)間。如果是有源定位，用戶接收到信號(hào)后可以給衛(wèi)星回復(fù)信號(hào)，這樣一來一去的時(shí)間乘以光速，就可以計(jì)算出用戶到衛(wèi)星的距離，幾顆衛(wèi)星同時(shí)計(jì)算，就可以得出用戶的準(zhǔn)確位置。如果是無源定位，用戶一般沒有向衛(wèi)星回復(fù)信息的能力，那如何計(jì)算呢？這就需要每一顆衛(wèi)星都有非常統(tǒng)一的時(shí)鐘，接收設(shè)備接收到每一顆衛(wèi)星的坐標(biāo)和時(shí)間，電腦就會(huì)了解到多顆衛(wèi)星的坐標(biāo)和這些衛(wèi)星信號(hào)到達(dá)接收設(shè)備的時(shí)間差，把這些數(shù)據(jù)代入方程，就可以計(jì)算出準(zhǔn)確的坐標(biāo)和時(shí)間了。

衛(wèi)星都運(yùn)行在確定的軌道上，因此經(jīng)度、緯度和海拔高度都可以較簡單地確定。那么時(shí)間應(yīng)當(dāng)如何確定呢？我們?nèi)粘Ｉ钪惺褂玫氖直砘蛘呤謾C(jī)里的時(shí)鐘是不行的，因?yàn)檫@些鐘表的精度達(dá)不到定位需求。在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中，1微秒（百萬分之一秒）的時(shí)間誤差將導(dǎo)致300米的距離誤差，真可謂差之毫厘，謬以千里。能夠滿足衛(wèi)星定位的時(shí)鐘非“原子鐘”莫屬——最好的銫原子鐘可以達(dá)到2000萬年相差1秒的極高精度。

北斗一號(hào)

在研制北斗一號(hào)的年代，我國的原子鐘技術(shù)還比較落后，只能依賴進(jìn)口。但是進(jìn)口的原子鐘價(jià)格高昂，精度也不夠理想。受限于預(yù)算不足，北斗一號(hào)只能采取有源定位技術(shù)。

有源定位技術(shù)首先需要擁有原子鐘的地面總站向衛(wèi)星發(fā)送具有時(shí)間信息的第一段信號(hào)，而后衛(wèi)星向用戶轉(zhuǎn)發(fā)帶有時(shí)間信息的第二段信號(hào)，收到信號(hào)的用戶向?qū)Ш叫l(wèi)星回復(fù)第三段信號(hào)，收到回復(fù)的衛(wèi)星向地面總站轉(zhuǎn)發(fā)第四段信號(hào)，地面總站收到信號(hào)之后就可以計(jì)算出總的信號(hào)傳輸時(shí)間，利用光速計(jì)算用戶與衛(wèi)星的距離，最終告知用戶的具體位置。簡單來看，信號(hào)的傳輸流程為：地面總站→衛(wèi)星→用戶→衛(wèi)星→地面總站→用戶。這種定位方式里，衛(wèi)星與用戶需要兼具發(fā)射信號(hào)與接收信號(hào)的功能，因此衛(wèi)星能夠一次性處理的信號(hào)較少，再加上用戶需要使用的能發(fā)射信號(hào)的終端設(shè)備較為昂貴，所以難以向公眾推廣。此外，該技術(shù)需要進(jìn)行多次數(shù)據(jù)傳輸，定位速度慢、精度較低，定位精度在100米左右。

北斗一號(hào)總共發(fā)射了四顆衛(wèi)星，都位于地球靜止軌道（GEO）。在這種軌道上能夠保持與地面（特別是地面總站）相對(duì)靜止，使數(shù)據(jù)處理量降低。雖然北斗一號(hào)的總體技術(shù)水平較低，覆蓋范圍小、定位精度一般、用戶數(shù)量有限制，但是它成功打破了美國GPS的技術(shù)壟斷，使我國建成了覆蓋全國的初級(jí)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。在2008年汶川地震后的抗震救災(zāi)中，北斗一號(hào)起到了不可替代的作用。如今，北斗一號(hào)已經(jīng)完成了歷史使命，功成身退。

北斗二號(hào)

2004年，我國啟動(dòng)了北斗二號(hào)系統(tǒng)工程建設(shè)。目前已經(jīng)成功發(fā)射了20顆衛(wèi)星，其中6顆為試驗(yàn)和備份衛(wèi)星，其余14顆衛(wèi)星仍在役。這20顆衛(wèi)星中包含了8顆地球靜止軌道（GEO）衛(wèi)星、7顆傾斜地球同步軌道（IGSO）衛(wèi)星和5顆中圓地球軌道（MEO）衛(wèi)星。與美國的GPS、俄羅斯的格洛納斯、歐盟的伽利略三大定位系統(tǒng)相比，北斗二號(hào)同時(shí)采用了三種不同軌道的衛(wèi)星搭配，而其余三者只有一種。

北斗二號(hào)使用了更為先進(jìn)的無源定位技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)要求每一顆衛(wèi)星都擁有原子鐘。2006年9月，“實(shí)踐八號(hào)”衛(wèi)星攜帶著約215千克種子和一臺(tái)國產(chǎn)銣原子鐘飛向太空，這臺(tái)屬于中國的銣原子鐘工作一切正常，為北斗二號(hào)按時(shí)升空奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。在攻克一系列技術(shù)難關(guān)后，2007年4月14日，首顆北斗二號(hào)衛(wèi)星搭載著四枚國產(chǎn)銣原子鐘發(fā)射升空，這四枚銣原子鐘就是北斗二號(hào)的心臟。此后，一枚枚火箭托舉著一顆顆擁有中國心的衛(wèi)星直沖藍(lán)天，我國逐步建立起覆蓋亞太地區(qū)的無源定位系統(tǒng)。

在無源定位技術(shù)中，每顆衛(wèi)星都攜帶著高精度原子鐘，因此無須建設(shè)地面總站，其處理機(jī)制比有源定位技術(shù)簡潔快速。如果在太空中同時(shí)有多顆衛(wèi)星，這些衛(wèi)星就可以不斷向地面發(fā)射信號(hào)：我的時(shí)間是多少、我的位置在哪里。而后地面的手機(jī)、汽車、軍用設(shè)備等終端就可以接到所有衛(wèi)星的信號(hào)，通過分析信號(hào)的時(shí)間差，計(jì)算出與衛(wèi)星的距離。最少只需要四顆衛(wèi)星，就可以列出四個(gè)方程，從而求解時(shí)間、經(jīng)度、緯度、海拔高度這四個(gè)未知數(shù)。因?yàn)橹恍枰孛嬗脩艚K端接收衛(wèi)星信號(hào)，所以理論上來說，無源定位技術(shù)可以為無數(shù)終端提供定位服務(wù)。

北斗二號(hào)的定位精度達(dá)到了國際先進(jìn)水平，除此之外，還具備了短報(bào)文通信服務(wù)，一次可傳送多達(dá)120個(gè)漢字的信息——?jiǎng)e看僅有短短的一百多字，在地震、洪澇等災(zāi)害發(fā)生后，地面的手機(jī)信號(hào)完全中斷的情況下，北斗的短報(bào)文通信服務(wù)將會(huì)是最有力的對(duì)外聯(lián)絡(luò)通道。

北斗三號(hào)

2009年，北斗三號(hào)工程啟動(dòng)。截至2020年6月23日，我國成功完成了5顆北斗三號(hào)試驗(yàn)衛(wèi)星和30顆北斗三號(hào)衛(wèi)星的發(fā)射組網(wǎng)工作，已經(jīng)全面建成了北斗三號(hào)系統(tǒng)。

與北斗二號(hào)類似，北斗三號(hào)也包含了三種不同軌道的衛(wèi)星：3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（包含2顆試驗(yàn)星）和27顆中圓地球軌道（MEO）衛(wèi)星（包含3顆試驗(yàn)星）。從地球上來看，這三種軌道的形態(tài)各異：GEO衛(wèi)星與地面保持相對(duì)靜止，IGSO衛(wèi)星在亞洲上方畫著大大的“8”，MEO衛(wèi)星則每天繞地球飛行2圈。

在北斗二號(hào)的基礎(chǔ)上，北斗三號(hào)配備了更高性能的星載銣原子鐘和氫原子鐘，與北斗二號(hào)協(xié)同合作，通過3顆GEO衛(wèi)星播發(fā)精密單點(diǎn)定位信號(hào)，使定位精度提高到水平方向優(yōu)于20厘米，垂直方向優(yōu)于35厘米，測(cè)速精度優(yōu)于0.2米/秒，授時(shí)精度優(yōu)于20納秒。目前，北斗三號(hào)已經(jīng)全天候?yàn)槿蛱峁┦跁r(shí)與定位服務(wù)，步入世界一流行列。后續(xù)，我國還將繼續(xù)發(fā)射北斗三號(hào)的備份星，進(jìn)一步提高北斗三號(hào)的穩(wěn)定性與精確性。在短報(bào)文通信服務(wù)方面，北斗三號(hào)相較北斗二號(hào)也有了質(zhì)的提升，最大單次報(bào)文長度可以達(dá)到1000個(gè)漢字。

如今，北斗三號(hào)已經(jīng)為全球一百多個(gè)國家與地區(qū)提供服務(wù)，影響了我們生活的方方面面：在日常生活領(lǐng)域，北斗系統(tǒng)提供的手機(jī)導(dǎo)航已經(jīng)成為我們?nèi)粘３鲂胁豢苫蛉钡墓ぞ?在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域，北斗系統(tǒng)為自動(dòng)駕駛汽車提供了高精度、安全可靠的定位服務(wù);在自然災(zāi)害預(yù)警領(lǐng)域，通過在易滑坡的山區(qū)地帶布設(shè)北斗終端，檢測(cè)山體的微小變形，可以預(yù)測(cè)山體滑坡、泥石流等重大災(zāi)害，提前疏散群眾。2020年7月6日，湖南省常德市石門縣雷家山發(fā)生特大型山體滑坡，300萬立方米的山體向山村崩塌而去，房屋與道路在幾秒鐘內(nèi)被埋，卻沒有造成一人傷亡，在這背后北斗系統(tǒng)功不可沒。有了北斗系統(tǒng)的預(yù)警，受災(zāi)地區(qū)的群眾才能提前撤離，人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全才能得到保障。

“北斗”這樣一個(gè)充滿詩意的名字背后，是中國航天人自強(qiáng)不息的精神。在不斷的努力之下，中國已經(jīng)成為世界上第三個(gè)獨(dú)立擁有全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的國家。全球已經(jīng)有120多個(gè)國家和地區(qū)正在使用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)?？梢灶A(yù)見的是，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在我國建設(shè)社會(huì)主義現(xiàn)代化強(qiáng)國的過程中，在與“一帶一路”沿線合作伙伴的團(tuán)結(jié)協(xié)作中，在推動(dòng)共建人類命運(yùn)共同體的歷程中將大有作為！