北斗：如何从“0”到“40亿”

　　从2000年发射第一颗北斗定位卫星，到2003年正式开通第一代卫星导航系统，再到2012年正式提供区域服务，北斗卫星导航系统从无到有，如今服务已覆盖全球三分之一的陆地，使亚太地区的40亿人口受益。

　　2016年6月12日23时30分，中国在西昌卫星发射中心用长征三号丙运载火箭成功发射了第23颗北斗导航卫星。

　　这颗卫星入轨并完成在轨测试后，将与其他在轨卫星共同提供服务，进一步增强北斗卫星导航系统的稳健性，强化服务能力，为系统服务从区域向全球拓展奠定坚实基础。

　　从2000年发射第一颗北斗定位卫星，到2003年正式开通第一代卫星导航系统，再到2012年正式提供区域服务，北斗卫星导航系统从无到有，如今服务已覆盖全球三分之一的陆地，使亚太地区的40亿人口受益。

　　设想始于上世纪60年代

　　在提出利用卫星进行导航定位的设想方面，中国是与世界同步的。美国的GPS是在上世纪60年代开始起步的，几乎在同一时段，中国就开始了自己的卫星导航系统设计，取名为“灯塔”，但是由于国家财力等原因，工程搁浅。

　　1983年，“两弹一星”功勋奖章获得者、中国科学院院士陈芳允提出了双星定位设计方案，基于此方案，中国开始积极地立项论证。

　　1994年，经国务院和中央军委批准，北斗卫星导航系统建设的大幕正式拉开。

　　当时，世界各大国都认识到自主开发卫星导航系统的重要意义，美国和俄罗斯分别开发了GPS和格洛纳斯卫星导航系统，欧盟则致力于建设独立的伽利略系统，印度、日本也在积极谋求建设独立自主的卫星导航系统。作为国家安全和社会发展不可或缺的信息基础设施，卫星导航系统是大国地位和综合国力的重要标志。要有自主的卫星导航系统，是各大国不约而同的共识。

　　基于自身实际，中国创造性地提出了北斗卫星导航系统建设发展的总体思路，即“先区域”再“全球”，采取“三步走”的发展战略。

　　第一步，建立北斗卫星双星定位试验系统，形成区域有源定位与导航服务能力；第二步，完成三种轨道十余颗卫星的发射，建成区域导航系统，形成区域无源服务能力，向亚太地区提供定位、导航、授时以及短报文通信服务；第三步，建成由3颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成的覆盖全球的北斗全球卫星导航系统，形成全球无源服务能力。

　　能发“短信”的第一代系统

　　中国航天科技集团空间技术研究院承担了北斗导航卫星的研制工作，经历了紧锣密鼓的研制，2000年10月31日，北斗试验星发射，11月6日成功定点；2000年12月21日02星发射，12月26日成功定点。两颗卫星顺利完成在轨性能测试，性能参数满足研制任务要求。

　　经过近3年的调试、测试和试运行，2003年12月15日，中国第一代卫星导航系统正式开通运行，成为继美国的GPS和俄罗斯的格洛纳斯系统之后，全球第三个建成并投入使用的卫星导航定位系统。

　　利用两颗地球静止轨道卫星实现区域导航定位，属于世界首创。专家介绍，北斗双星导航定位试验系统是一个创新的、成功的、实用的、投资很少的初级起步系统，该系统的建立，解决了中国卫星导航定位系统有无的问题，“快、好、省”地迈出了中国卫星导航系统建设的重要一步，对于推动国防和国民经济建设起到了重要的作用。

　　该系统具有三大功能：一是快速确定用户所在的地理位置，向用户及主管部门提供导航信息；二是为用户与用户、用户与地面指挥中心之间提供双向简短报文通信服务，用户可以一次传送120个汉字的短报文信息；三是向用户定时发播授时信息，为用户提供时差修正值。

　　其中，例如双向简短报文通信服务是北斗一号系统独有的一项功能。这项功能问世不久，便得到渔政、水文监测和森林防火部门的青睐，在抢险救灾中也发挥了巨大作用。

　　2008年汶川地震发生后，在基础设备损坏，通信中断的情况下，救援部队紧急配备了1000多台“北斗一号”终端机，实现了各点位之间、点位与指挥部之间的直线联络，为抗震救灾发挥了重要作用。

　　从北斗卫星双星导航定位试验系统建设之初起，该系统就被定位为一个验证技术、积累经验的试验性工程。在北斗双星导航定位系统的建设中，进行了大量新技术的试验验证，从而为下一代导航卫星网络的建设部署进行了技术上的准备。

　　北斗为何在复杂地形更好用

　　不过，双星定位也有不少缺陷，比如，只能为终端用户提供经度和纬度，无法提供高度数据；覆盖范围有限；无法在高速移动的平台上使用；用户数量受到一定限制，等等。

　　因此，建设由多颗卫星组成，具备无源定位、测速和授时功能，同时实现兼顾北斗卫星试验系统的双向简短数字报文通信、位置报告功能的北斗卫星区域导航系统迫在眉睫。

　　2004年，建设北斗卫星导航区域系统的工程正式立项，开始了全面启动工作。这意味着，北斗卫星导航系统，开始进入“三步走”的第二个阶段。

　　2007年4月14日，中国北斗卫星区域导航系统的第一颗卫星，也是首颗中圆轨道卫星发射成功，拉开了北斗区域导航系统建设的序幕。

　　两年后的2009年4月15日，首次采用中国东方红三号改进型平台技术的北斗卫星区域导航系统第二颗卫星，也是首颗地球静止轨道卫星发射成功，标志着继北斗导航定位试验系统之后，北斗卫星区域导航系统正式进入部署实施阶段。

　　2010年，第三颗到第七颗卫星的连续密集发射，为北斗卫星区域导航系统增加了5个“新成员”。当2011年4月第八颗北斗导航卫星在太空“安家”后，北斗卫星导航系统构成了“3+3”的星座构型（包括3颗同步静止轨道卫星和3颗倾斜同步轨道卫星），这标志着北斗区域卫星导航系统的基本系统建设完成，具备了向中国大部分地区提供初始服务的能力。

　　随着2011年7月27日和12月2日，第九颗和第十颗北斗导航卫星“落户”倾斜同步轨道，有效提高了系统的可靠性和稳定性。

　　2011年12月27日上午，国务院新闻办正式发布，北斗卫星区域导航系统开始试运行，向中国及周边地区提供连续的、免费的导航定位和授时服务。

　　2012年，北斗卫星区域导航系统再次迎来从第十一颗到十五颗5星密集发射期，其中，第十二、十三颗卫星以及第十四、十五颗卫星均为一箭双星发射。2012年10月25日，第十六颗北斗导航卫星成功发射，北斗卫星区域导航系统完成了所有卫星发射任务。至此，北斗卫星区域导航系统空间段由分布在不同轨道的14颗卫星组成星座，即5颗地球静止轨道卫星、5颗倾斜地球同步轨道卫星和4颗中轨道卫星。中国全面完成区域导航系统建设，形成覆盖亚太大部分地区的服务能力。

　　与第一代双星系统相比，除了依然具有的双向简短报文通信功能之外，随着系统的逐步发展，北斗卫星导航系统开始呈现出更多特点和优势。

　　例如，从星座部署上来看，因为北斗系统采用的是混合星座构型，与其他导航系统的星座结构有明显区别。美国GPS、俄罗斯GLONASS和欧盟GALILEO系统均采用中圆轨道（MEO）对称星座，卫星均匀分布在6个或3个轨道面上。北斗系统除MEO卫星以外，还采用了倾斜地球同步轨道卫星（IGSO）和地球静止轨道卫星（GEO），在低纬度地区具备高仰角，相较于其他系统，对城市峡谷、稀疏遮挡地形具有更多的可见卫星，服务性能更好。而正是得益于系统的星座构型，北斗可基于相对较少的卫星数量实现区域服务能力，系统部署的周期更短，星座建设速度更快。

　　从亚太到全球

　　在国际化应用领域，亚太地区是北斗先期覆盖的服务区，尤其是东盟各国在海洋渔业、应急救援、防灾减灾、交通运输等方面对卫星导航应用有着切实需求。

　　例如在海洋渔业方面，多数东盟国家均临海，北斗系统能为海洋渔业和海上作业提供全天候、全天时的位置服务；在减灾应用方面，亚太许多国家处于自然灾害多发区，北斗系统可在地震、洪涝等突发自然灾害情况下，为抢险救灾提供有力支持。

　　而较为公众熟知的是，2012年1月，中国商船“盛泰11号”在湄公河金三角水域遭到了袭击。当时，遇险船只第一时间通过北斗系统发出了求救信号，中国海事、公安部门根据系统提供的位置和遇险情况，及时解救了遇险船只。

　　此外，值得提及的是，亚太地区作为全球经济最有活力、发展最快的地区，人口占全球的大约六成，因此，卫星导航和相关服务的市场容量巨大。

　　自2012年12月面向亚太区域提供正式运行服务以来，北斗卫星导航系统保持了连续稳定运行。目前，北斗卫星导航系统正逐步进入国际民航(ICAO)、国际海事(IMO)、移动通讯(3GPP)等国际组织，已被国际海事组织接纳认可为全球第三个卫星导航系统。

　　为推动北斗卫星导航系统应用，2014年中国启动了北斗地基增强系统建设。该系统建成后，北斗卫星导航系统将为中国境内用户提供分米级定位服务，部分地区定位服务最高可达厘米级。

　　而在“第二步”战略完成后不久，北斗开始启动“第三步”战略。

　　2015年3月底，首颗新一代北斗导航卫星成功发射，标志着北斗卫星导航系统已由区域运行向全球拓展。从这颗卫星开始，2015年3月30日至2016年2月1日，五颗新一代北斗导航卫星密集发射。

　　新一代北斗导航卫星瞄准北斗卫星导航系统全球组网需求，承担了新型导航信号体制、星间链路等新技术试验验证任务，在功能、性能上较以前发射的北斗导航卫星有较大提升。根据建设计划，北斗卫星导航系统将于2020年形成全球运行服务能力，为全球用户提供更高精度的服务。

　　根据计划，北斗卫星导航系统2018年可为“一带一路”沿线国家提供基本服务，2020年将形成全球服务能力。

　　（潘晨系中国航天科技集团空间技术研究院总体部工作人员）

　　文/潘晨 芦垚

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