中國為什么要建北斗全球系統(tǒng)？還首創(chuàng)用IGSO衛(wèi)星定位

徐穎 北斗導(dǎo)航系統(tǒng)科學(xué)家、中國科學(xué)院空天信息研究院研究員、博士生導(dǎo)師

2018年12月27日，北斗三號基本系統(tǒng)完成建設(shè)，開始提供全球服務(wù),北斗系統(tǒng)服務(wù)范圍由區(qū)域擴(kuò)展為全球，正式邁入全球時(shí)代。

中國為什么要建北斗全球系統(tǒng)？

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)“三步走”戰(zhàn)略(圖片來源：中國青年網(wǎng))

上世紀(jì)九十年代，北斗系統(tǒng)啟動(dòng)研制，按照“三步走”發(fā)展戰(zhàn)略，先有源后無源，先區(qū)域后全球，先后建成北斗一號、北斗二號、北斗三號系統(tǒng)，走出了一條中國特色的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)道路。

北斗系統(tǒng)衛(wèi)星總指揮李長江曾說過，第一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是起步階段，用很少的資金投入，打破了國外衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域的壟斷，但由于自身原理上的限制，無法發(fā)展成全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，所以在第一代導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)的同時(shí)，開始了第二代導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)認(rèn)證。

第一代北斗星座接收機(jī)是有源的，存在著暴露用戶位置的缺陷，因而，在某些特殊領(lǐng)域的用途受限。如果大家看過劉慈欣的《三體》，應(yīng)該都記得里面最重要的話：“不要回答，不要回答，不要回答”，因?yàn)橐坏┗卮鸱祷匦盘?，你的位置就可能存在暴露的風(fēng)險(xiǎn)。另外，當(dāng)你向我發(fā)送信息后，我需要來響應(yīng)你，而如果剛好此時(shí)還有其他人也給我發(fā)送信息，就可能造成信息堵塞，無法及時(shí)回復(fù)所有人。

在這樣的情況下，建設(shè)一個(gè)無源的定位系統(tǒng)迫在眉睫，該怎么建設(shè)呢?第一步,在2003年左右建成北斗導(dǎo)航一號系統(tǒng)，解決我國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)有無問題，為我國及周邊地區(qū)中低動(dòng)態(tài)用戶提供快速定位、短報(bào)文通信和授時(shí)服務(wù);第二步，在2012年左右建成北斗二號系統(tǒng)，為我國及周邊國家提供穩(wěn)定的導(dǎo)航、定位、測速和授時(shí)服務(wù);第三步，在2020年，建成“獨(dú)立自主、開放兼容、安全可靠、技術(shù)先進(jìn)、突出重點(diǎn)”的北斗三號系統(tǒng)，開拓國際導(dǎo)航市場。

2018年12月27日，中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)正式具備全球定位能力，可在全球范圍內(nèi)為各類用戶提供高精度、高可靠的定位、導(dǎo)航、授時(shí)服務(wù)，北斗三號除了提供全球服務(wù)以外，繼續(xù)保留了傳統(tǒng)的北斗特色服務(wù)：短報(bào)文和位置報(bào)告。北斗三號很好地把導(dǎo)航和通信技術(shù)聚合在一個(gè)系統(tǒng)中，這個(gè)特色服務(wù)是美國的GPS、俄羅斯的GLONASS、歐洲的GALILEO三大系統(tǒng)所不具備的。

未來，北斗三號將繼續(xù)發(fā)射衛(wèi)星，直到2020年建成由30顆衛(wèi)星覆蓋的北斗全球系統(tǒng)。北斗全球系統(tǒng)星座由3顆GEO衛(wèi)星，24顆MEO衛(wèi)星和3顆IGSO衛(wèi)星組成;地面段包括主控站、注入站和檢測站等若干地面站;用戶段包括北斗用戶終端以及與其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)兼容的終端。

北斗建設(shè)有哪些基本原則？

我們建設(shè)北斗系統(tǒng)有四個(gè)基本原則，第一個(gè)是開放。北斗會(huì)向全球用戶免費(fèi)提供這樣一個(gè)服務(wù)，就是在北斗官網(wǎng)可以下載相應(yīng)的ICD文件，自己做北斗的接收機(jī)，可以享受國家建設(shè)的衛(wèi)星地面站給你帶來的導(dǎo)航服務(wù)。

你可能會(huì)問，那我要買這個(gè)終端還是要花錢呢?這其實(shí)是因?yàn)樵摻K端是相應(yīng)的廠商做的。比如說我們把手機(jī)比做成一個(gè)服務(wù)商的話，你買了手機(jī)之后，每個(gè)月還需要繳納一定的通訊費(fèi)用手機(jī)才能使用，無論你用的是聯(lián)通、移動(dòng)還是電信。但我們把北斗比作成一個(gè)導(dǎo)航位置服務(wù)商的話，你使用這個(gè)導(dǎo)航服務(wù)是不用花錢的，不會(huì)每個(gè)月向你收取導(dǎo)航位置服務(wù)費(fèi)，這是北斗系統(tǒng)的開放原則。當(dāng)然開放并不是全部開放，主要開放的是民碼頻點(diǎn)和服務(wù)，類似軍碼不會(huì)開放，還有通信服務(wù)需要授權(quán)才可以獲取。

第二個(gè)原則是自主，自主這一點(diǎn)不用太多解釋，比如說之前提到的各種“卡脖子”技術(shù)等等，都指向了自主這個(gè)問題。所以北斗從最開始建設(shè)的時(shí)候，就有了獨(dú)立自主的原則。什么才算獨(dú)立自主?第一點(diǎn)是本系統(tǒng)不依賴其他系統(tǒng)，能夠獨(dú)立運(yùn)行，不會(huì)因?yàn)镚PS關(guān)閉后系統(tǒng)就不能運(yùn)行了;第二點(diǎn)是北斗系統(tǒng)里所有核心器件，都百分之百實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化，不能費(fèi)盡九牛二虎之力建立一個(gè)系統(tǒng)，結(jié)果核心器件卻要依靠外國進(jìn)口。

第三個(gè)原則是漸進(jìn)，北斗系統(tǒng)建設(shè)分三步走，即上面提過的建設(shè)無源導(dǎo)航系統(tǒng)的三步走計(jì)劃，有人問北斗三號2020年建成后，后續(xù)會(huì)不會(huì)有四號五號呢?先舉個(gè)例子，GPS系統(tǒng)建成已經(jīng)過去很多年了，現(xiàn)在美國仍在對GPS進(jìn)行升級，所以說更新?lián)Q代和升級這個(gè)過程一定會(huì)持續(xù)，主要取決于國家的經(jīng)濟(jì)和技術(shù)水平;

第四個(gè)建設(shè)原則是兼容，致力于實(shí)現(xiàn)與其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的兼容與互操作，讓用戶獲得更好的服務(wù)。

2018年，北斗和GPS簽署了兼容協(xié)議，之前北斗也和GLONASS簽署過兼容互操作協(xié)議。有很多人問為什么要和GPS兼容呢?這其實(shí)并不是說兩個(gè)系統(tǒng)兼容就相當(dāng)于合并成一個(gè)系統(tǒng)了，兼容和獨(dú)立自主之間不矛盾，兼容的意思主要是指在民用頻點(diǎn)和信號的兼容。因?yàn)镮TU分給導(dǎo)航的頻段有限，所以在這個(gè)頻段當(dāng)中要兼容這些系統(tǒng)，如北斗，GPS、GLONASS等，需要世界各國的導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)頻率、調(diào)制方式等，最后讓民用的用戶能夠在終端上方便地使用所有可以接收到的導(dǎo)航系統(tǒng)來為其提供更高性能的服務(wù)。

所以這四個(gè)建設(shè)原則下，2004年,北斗二號系統(tǒng)區(qū)域系統(tǒng)開始建設(shè)，我國的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)走向了發(fā)展新時(shí)期。

2007年，北斗二號系統(tǒng)建設(shè)穩(wěn)健推進(jìn)，發(fā)射了第一顆試驗(yàn)星04星用于接替北斗一號01星，以保證系統(tǒng)聯(lián)系穩(wěn)定運(yùn)行和不間斷提供服務(wù)。衛(wèi)星壽命有限，北斗一號組網(wǎng)衛(wèi)星的預(yù)期壽命是8年。

2009年，北斗二號G2星升空，預(yù)備替換已經(jīng)工作9年的北斗一號02星。

2010年，接替北斗一號01、03星的北斗二號G1、G3星發(fā)射成功，順利接入北斗一號系統(tǒng)，操作時(shí)間比預(yù)計(jì)縮短一半，系統(tǒng)中斷服務(wù)僅1秒鐘，圓滿實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)過渡。

北斗二號系統(tǒng)：首創(chuàng)用IGSO衛(wèi)星定位

平穩(wěn)過渡后，北斗二號系統(tǒng)的建設(shè)開始著重解決北斗一號的部分不足，其中，星座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成為后期工作的重中之重。

美國、俄羅斯的導(dǎo)航系統(tǒng)采用的是中圓軌道，MEO衛(wèi)星均勻分布在軌道面，這樣的對稱星座，軌道面均勻，相位也均勻，是覆蓋全球的最優(yōu)星座。

對于要形成區(qū)域?qū)Ш椒?wù)能力的中國，到底什么樣的星座可行?科研人員發(fā)現(xiàn)，MEO衛(wèi)星繞地球旋轉(zhuǎn)，每天只有30%的時(shí)間位于中國的國土上空，其他時(shí)間不能為中國提供服務(wù)。最終北斗區(qū)域系統(tǒng)沒有以MEO衛(wèi)星為主，更多采用了傾斜地球軌道衛(wèi)星IGSO、地球靜止軌道衛(wèi)星GEO。這兩種衛(wèi)星的活動(dòng)范圍，相對固定。

GEO同步衛(wèi)星軌道傾角為0度，相對地面不動(dòng)，但有時(shí)會(huì)處于同一直線上，不能計(jì)算定點(diǎn)的位置，因此還需要IGSO衛(wèi)星，也是同步衛(wèi)星，但軌道傾角是55度呈“8”字形，有70%-80%的時(shí)間停留在中國的國土上空，用IGSO衛(wèi)星定位，這在世界上是第一次。

目前，北斗區(qū)域星座的結(jié)構(gòu)是“5GEO+5IGSO+4MEO”，這是一個(gè)星地一體的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，對大型復(fù)雜星座控制與管理也是確保北斗導(dǎo)航系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵。這樣的星座設(shè)計(jì)可以邊建邊用、以用促建，對于逐步實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星導(dǎo)航的構(gòu)想是必由之路，也更符合中國國情。

重中之重的“原子鐘”

如果說要通過導(dǎo)航衛(wèi)星直接精確測量出物體空間坐標(biāo)，這是一件目前還無法完成的技術(shù)問題。但衛(wèi)星導(dǎo)航可以把距離測量轉(zhuǎn)換成時(shí)間測量，以精確的時(shí)間信息來表達(dá)精確的距離信息，這就是衛(wèi)星導(dǎo)航的秘密武器。

精確的時(shí)間測量，前提要有精確的時(shí)間基準(zhǔn)，簡單說，就是要高精度的時(shí)鐘，這個(gè)精度是如此的苛刻，以至于要達(dá)到幾十萬年、甚至幾百萬年才能誤差一秒的時(shí)鐘，這是當(dāng)前任何機(jī)械時(shí)鐘、電子時(shí)鐘都不可能達(dá)到的精度。

機(jī)械表一天差不多有1秒誤差，石英表一天大概有0.1秒的誤差，都無法滿足高精度時(shí)鐘的要求。

科學(xué)家們在實(shí)驗(yàn)室里驚奇地觀察到，原子鐘電子從一個(gè)能級狀態(tài)躍遷到另一個(gè)能級狀態(tài)時(shí)，所發(fā)射出的電磁波頻率異常的穩(wěn)定。如果以這個(gè)頻率作為鐘擺，就能做出令人難以置信的高精度時(shí)鐘，這就是原子鐘的由來。

目前，GPS定位精確度主要取決于衛(wèi)星上的原子鐘精度，以及各衛(wèi)星和地面站，衛(wèi)星間的原子鐘時(shí)間同步精度。如果測量的時(shí)間誤差達(dá)到百萬分之一秒，那么位置就相差300米。

基于時(shí)間的基礎(chǔ)性和重要性，我國迫切需要建設(shè)獨(dú)立自主的時(shí)間系統(tǒng)，而其中的關(guān)鍵就是高精度的原子鐘。

星載氫原子鐘。來源：裝備科技微信公眾號

北京大學(xué)、中科院、中國航天科技集團(tuán)等多個(gè)部門空間物理、空間無線電等領(lǐng)域?qū)＜医M成的課題組，經(jīng)過兩年研究試驗(yàn)，原子鐘的難題終于解決了，我國自己生產(chǎn)的原子鐘可以精確到十億分一秒。

原子鐘邁開了從基礎(chǔ)科學(xué)研究到產(chǎn)品應(yīng)用的步伐。中國自己的星載原子鐘設(shè)計(jì)總體技術(shù)方案已成熟，元器件國產(chǎn)化率達(dá)到100%，真正實(shí)現(xiàn)了技術(shù)國內(nèi)自主化，徹底破除了西方的技術(shù)封鎖。現(xiàn)在，中國衛(wèi)星上的原子鐘已全部實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)。這也是航天事業(yè)的發(fā)展需求推動(dòng)了科技產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個(gè)真實(shí)案例。

為了北斗建設(shè)，我們發(fā)射過多少衛(wèi)星？

早在2006年2月21日，根據(jù)北斗系統(tǒng)建設(shè)規(guī)劃和進(jìn)展，我國第一顆北斗導(dǎo)航系統(tǒng)衛(wèi)星使用的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)就登入國際電聯(lián)頻率總表。2007年3月26日，北斗一號04星的發(fā)射和在軌運(yùn)行正式啟用了該網(wǎng)絡(luò)。

北斗系統(tǒng)在2010-2012年的3年期間共發(fā)射了15顆衛(wèi)星，同期美國GPS BLOCK IIR發(fā)射組網(wǎng)，美國人用了八年的時(shí)間才將13可導(dǎo)航衛(wèi)星逐一送上太空。

這一串發(fā)射時(shí)間，清晰地記錄著我國北斗工程迅猛發(fā)展的真實(shí)歷程

北斗二號的成功不僅意味著中國已經(jīng)位居世界衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)強(qiáng)國之列，也意味著全世界近1/3人口有機(jī)會(huì)享受更加優(yōu)質(zhì)的導(dǎo)航服務(wù)，是中國科技發(fā)展對亞太地區(qū)、對世界的巨大貢獻(xiàn)，是中國人在世界航天史上留下的濃墨重彩的一筆。北斗歷盡磨難，走過了風(fēng)風(fēng)雨雨的二十年，終于達(dá)到了第一個(gè)高峰。

北斗系統(tǒng)廣泛應(yīng)用 造福于民

自2011年12月27日正式宣布提供服務(wù)以來，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已轉(zhuǎn)入系統(tǒng)建設(shè)和應(yīng)用推廣并舉的新階段，并逐步拓展到交通運(yùn)輸、氣象、漁業(yè)、林業(yè)、電信、水利、測繪等應(yīng)用領(lǐng)域。

漁船航運(yùn)：在我國南海，大概有70%的漁船都裝載北斗系統(tǒng)，我們都知道海上其實(shí)沒有基站，所以沒有辦法打電話，科考船一般會(huì)有衛(wèi)星電話，海事衛(wèi)星會(huì)保障通信，但對于漁民，衛(wèi)星電話費(fèi)用昂貴，漁民一般出海就會(huì)失聯(lián)，無法保持通信?，F(xiàn)在漁船裝載北斗系統(tǒng)后，漁民出海捕魚既可以通過發(fā)短信給家里人報(bào)平安，如果遇上危險(xiǎn)還可以直接聯(lián)系海警求救。

精確授時(shí)：北斗系統(tǒng)的氫原子鐘精度非常高，有了這么高的精度可以來做什么呢?現(xiàn)實(shí)生活中，就算我們手機(jī)上時(shí)間差了一兩分鐘，對生活其實(shí)也不會(huì)有太大影響，但在關(guān)系著國計(jì)民生的行業(yè)當(dāng)中，比如說金融業(yè)，如果金融結(jié)算當(dāng)中的結(jié)算時(shí)間相差一毫秒，結(jié)算金額可能就會(huì)相差幾千萬美元;在電力系統(tǒng)中，如果不能夠做到各個(gè)地區(qū)時(shí)間和頻率高度一致的話，就有可能就在用電高峰期發(fā)生峰值疊加，從而導(dǎo)致整片區(qū)域斷電。

抗震救災(zāi)：汶川地震時(shí)候，自然災(zāi)害導(dǎo)致所有的通信設(shè)施不能使用，而衛(wèi)星在天上不受地面災(zāi)害的影響，當(dāng)時(shí)災(zāi)區(qū)的通信服務(wù)如移動(dòng)等做通信恢復(fù)已經(jīng)非常及時(shí)，一兩天的時(shí)間就能夠再次提供通信服務(wù)，但是我們也知道黃金72小時(shí)救援，所以1分1秒都非常非常寶貴，不能浪費(fèi)，汶川地震后的第一條信息就是由北斗一號終端發(fā)出來的，能夠在非常危急、非常態(tài)情況下，提供緊急救援的導(dǎo)航和通信服務(wù)。

我們可以看到，北斗系統(tǒng)不管上天、入地還是下海，不管是對人還是車輛，都提供了最最基礎(chǔ)的時(shí)間、空間的信息服務(wù)，引用衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)業(yè)內(nèi)的一句名言：衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用系統(tǒng)的應(yīng)用只受制于人們想象力的限制!

未來的導(dǎo)航系統(tǒng)：PNT體系

最后我們來暢想下未來是什么樣子。北斗3號之后是不是還會(huì)有北斗四號、五號?一定是有的，但也許不叫這個(gè)名字，因?yàn)槲覀儸F(xiàn)在正在論證PNT體系。

P就是positioning，N是navigation，T是timing，也就是定位導(dǎo)航授時(shí)體系的意思，美國在08年開始研究PNT體系，其目的是要建設(shè)一套不依賴于GPS的隨時(shí)導(dǎo)航定位授時(shí)的體系，因?yàn)槊绹l(fā)現(xiàn)對于GPS太過依賴，如果沒有GPS很多東西可能都會(huì)無法使用，而GPS在某些情況下很容易被干擾或是被欺騙，這是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)存在的天然脆弱性，無法避免。

所以我們也想研究做中國國家的PNT體系，能夠真正作為北斗系統(tǒng)的補(bǔ)充、備份增強(qiáng)和融合，在北斗系統(tǒng)現(xiàn)在覆蓋不到的地方，提供一個(gè)為任何人，在任何地點(diǎn)，任何精度的可靠服務(wù)，也包括導(dǎo)航和通信深度融合的技術(shù)，希望能夠在北斗系統(tǒng)建成之后，真正的構(gòu)建一個(gè)應(yīng)用更廣泛和更可靠的系統(tǒng)。

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