北斗廿年 艰辛与荣耀并肩

北斗廿年 艰辛与荣耀并肩

“一个国家只有拥有自主知识产权、独立自主控制的卫星导航定位系统，才能保障国家安全。”北斗导航卫星系统总设计师孙家栋说。

1994年，“北斗导航试验卫星”系统研制、建设全面启动。从无到有，以孙家栋为总设计师的中国顶尖科学家们，在乌云翻滚、电闪雷鸣间隙发射北斗卫星，在茫茫太空寻找丢失的卫星，惊心动魄中创造奇迹。

迄今，北斗廿年。从“天上放卫星”，到“地上用卫星”，从曾经的“最高机密”，到今日向民用市场推广使用，中国人的“北斗梦”逐渐丰满壮大。

仅以2014年为例，随着北斗海外位置服务项目成功落户巴基斯坦，北斗海事国际标准获得认可，国内自主研发北斗芯片仅一季度累计出货200万片有余，具备北斗定位功能手机4000余万部投放市场……北斗卫星导航系统建设和应用如火如荼。

国家安全不能受制于人

41年前，美国军方率先开始被称作“全球定位系统”（GPS）的研制。

“GPS最初在国内的应用是从上世纪90年代初开始的，主要在地壳监测、气象监测和专业测量等方面有应用，到本世纪初方逐渐应用到车载导航和高精度专业领域，并逐渐占领中国卫星导航定位市场近95%的超高份额。”南方测绘集团技术管理中心总监李耀忠说。

然而，1985年华盛顿“GPS全球定位系统国际运用研讨会”上，美国军方也曾明确表示，特殊情况下，为保证国家安全，美军方将考虑采取降低对方导航精度、随时变换GPS编码及进行区域性管理等三种措施应对紧急状况。

一种想象不免令人时常不安。假如在关键时刻美国人关掉GPS，或者“动点手脚”，中国的战略武器怎么办？飞机怎么办？路痴们怎么办？事实上，这已经不只是想象和担心，早已有先例可循。

1991年1月17日至2月28日，以美国为首的多国联盟在联合国安理会授权下，为恢复科威特领土完整，对伊拉克发起局部战争。依托于GPS卫星导航系统的高科技武器重新定义现代化高科技战争，其所发挥出的高效率，为战争带来前所未有之压倒性优势的同时，更为世人带来极大震撼。

1996年台海危机，一次大规模中国军演中，二炮曾向台湾近海发射弹道导弹，第一枚就打出了精度较好的成绩，越岛命中目标。“但是，第二枚导弹发射时，美国实施GPS信号中断干扰，导弹发射结果竟然差了2.6公里。”

“真正使我们下定决心研制自己的卫星导航系统源于1999年美国轰炸我国驻南联盟大使馆事件。”李耀忠犹记得，当时美国使用了多种与GPS相关的先进武器，包括巡航导弹、GPS炸弹、激光制导炸弹等。“我们感受到美国人的为所欲为带给中国人的耻辱，更感受到前所未有的巨大军事差距所带来透不过气的压力，发展自己的北斗卫星导航系统迫在眉睫。”

“一个国家只有拥有自主知识产权、独立自主控制的卫星导航定位系统，才能保障国家安全。”北斗导航卫星系统总设计师孙家栋说。

于是，1986年提出并开始预研、1994年获得国务院立项的北斗一代“双星定位”系统加快了研发步伐。

2000年10月31日，北斗一号01星发射升空；

2000年12月21日，北斗一号02星发射；

2003年5月25日备份星03星发射，用于系统备份和差分定位优化；

2003年12月15日，中国第一代卫星导航系统——北斗一代系统正式开通运行。服务性能包括四个方面，授权服务、公开服务、广域差分和短报文服务。

“北斗一代系统解决了有和没有的问题，系统的优缺点都很明显。”李耀忠指出，北斗一代系统优势在于可对定位用户和定位行为进行管理，具有双向数字报文通信能力，在汶川地震救灾行动中发挥出重大作用。

可是，上世纪90年代的中国，经济基础仍然薄弱，太空梦想微小而低调。这个被命名为“北斗”的计划，诞生之初并未着眼于全球。北斗一代系统只覆盖亚太区域，定位精度低，过于依赖地面站参与定位，用户数目有限，定位终端重量大、信号强、耗电多的“硬伤”也导致系统适装性差并容易暴露。

为了使步子更稳健，同时也根据国家建设与急需，北斗导航系统的研发之初并没有考虑全球化规划。而解决有无问题后，基于国家安全和卫星导航产业发展的考量，我国需要建设自己的全球卫星导航系统，即北斗二代系统。

“以当时的国家经济实力和科技能力，难以短时间内研发和建立自己的全球卫星导航系统。参与欧盟伽利略项目，以期学习技术再谋求发展成为必然选择。”李耀忠告诉记者。

无奈的是，随着欧盟政治逐渐整体倒向美国，中国人被踢出了技术核心圈。独立自主建立北斗二代系统成为必然。

2004年9月，北斗二代卫星导航系统建设被批准实施，总投资预计600亿元人民币。

北斗二代星座，包括轨道高度36000公里的地球静止轨道（GEO）卫星5颗，和倾斜同步轨道（IGSO）卫星5颗，还有轨道高度21500公里、平均分布在三个倾角为55度的倾斜平面上的中圆轨道（MEO）卫星27颗，一共37颗卫星组成，均以国内可靠性最高的东方红三号卫星作为平台。

2012年12月27日，国务院新闻办公室宣布北斗二代系统正式运行，并发布北斗卫星导航系统空间信号接口控制文件B1（ICD）正式版。截至当年底，北斗二代已经发射16颗星，除2009年的一颗因轨道漂移失效外，其他15颗星均处于正常工作状态（G6在调试中），形成了5颗GEO+5颗IGSO+4颗MEO的部署状态。

据李耀忠介绍，北斗二代实行“两步走”战略，2012年先建成区域系统，再于2020年建成全球系统，解决了较少资金、技术不成熟的条件下，在较短时间实现区域定位的问题。

“GEO+IGSO+MEO”

为保证导航卫星系统走得稳、走得更可靠，同时最重要的是对千百万用户服务，保证导航卫星系统的性能、指标以及服务的完好性非常关键而必要。

“在技术设计上，北斗二代采用中国人首创的‘GEO+IGSO+MEO’星座模式，提高星座测控率，使得北斗二代整体的精度控制大大提升，最大限度降低了中国缺少全球布站和高精度原子钟对高精度轨道测量的影响。”李耀忠介绍。

不论美国GPS，还是俄罗斯“格洛纳斯”和欧洲“伽利略”，均单纯采用MEO（中圆轨道）星，为何北斗二代提出加入GEO（地球同步轨道）和IGSO（倾斜同步轨道）星？

李耀忠解释，美、欧、俄的地面站皆为全球部署，对于MEO星的轨道测控覆盖率达到80-100%，即基本上是全弧段测控。“中国没有海外殖民地，其他国家不接受中国海外布站，因此，中国国内站点对MEO星只能跟踪40%。”

根据天文学理论，如果知道天体轨道上三个点的数据，则可以推测出其运行轨道。可测量的点越多，并且越是不同弧度上的点，轨道数据计算就越准确。

“如果北斗二代全用MEO星，那么其他60%弧段的卫星轨道数据就只能根据理论外推，再加上我们的星载原子钟精确度低于欧美，卫星轨道测量精度不足，定位精度将会受影响。”李耀忠说。

没有足够的海外站，没有高精度原子钟，又要设计全球高精度定位系统，怎么办？

首先，北斗二代系统采用GEO星，且5颗星全密布在东经58.5度到东经140度这一段中国领土上空，实现100%测控，且同时能当作短信数据的通信卫星使用。

其次，系统采用5颗IGSO星，轨道最北到北纬55度，形成8字形南北运行轨道，保证了接近80%的轨道测控率。

GEO+IGSO的高测控率，使得北斗二代整体的精度控制大大提升。

李耀忠透露，2014年底，我国将发射5颗MEO试验卫星，主要针对北斗二代第一步已有技术机制的修改和升级进行验证，以及转移到MEO卫星上的北斗一代功能的技术可行性、可用性进行确认，以便大范围部署MEO卫星，为36颗卫星覆盖全球的目标探路，以期在2020年前实现北斗全球定位。

定位精度方面，据了解，北斗二代系统已实现亚太覆盖，区域范围内精度已可媲美GPS。大众民用的单点定位精度达到8米-10米，接近GPS水平；在高精度的差分及组合定位时则优于原有GPS+GLONASS系统的定位精度。

北斗二代系统保留了上一代的短报文和用户管理功能，独特的星座设计使其减少了定位盲区，可用性大幅增加，高精度组合定位精度更高、速度更快、作用距离更长。基于以上优势，在高精度定位的专业测量和行业应用中，北斗高精度终端性能大幅度提升，其可用性和效率大大提高，为自主知识产权的北斗高精度的产业化提供了坚实的基础保障。

“北斗二代系统的高精度呈现除了归功于其采用独特的星座MEO+GEO+IGSO模式外，还因为它特殊的码组合技术。”李耀忠表示，北斗二代直接采用B1、B2、B3码，相比较而言，GPS系统在目前只能用L1、L2，其与B3对应的L5码要到2020年前后经过GPS第三代的现代化改造才能得到全面应用。

让市场主导北斗产业

“过去几十年里，大部分终端产品都是基于GPS开发的，但不管是从经济角度还是从国家信息安全角度，我们现在都应该尽量推动使用北斗的信号。”这是近年来，孙家栋在公开场合说的最多的话。

2011年12月27日，北斗卫星导航办公室正式宣布向用户提供试运行，自此，北斗卫星导航系统建设转入与应用推广并举的新阶段，并逐步展开交通运输、气象、测绘等应用领域试运营。

“北斗正在加快建设发展，未来要占领市场，其发展不能‘空心化’。”中国卫星导航系统管理办公室主任冉承其提出。

事实上，早在北斗开始提供服务时，中国已对外公开接口文件。国外一些大公司很快生产出兼容北斗信号的芯片，并以低价格出售回中国。

“假如到2020年，北斗产值四五千亿，若其中三千亿是买国外零部件回来组装的，中国的附加值就只有千亿左右。”孙家栋不止一次算着这笔账，由数据分析可见，终端设备国产化非常重要。

在孙家栋看来，卫星导航的应用模式变化超出了产品形态变化，应用价值诉求超出了产值诉求，市场更善于时空信息的创新和利用，社会更注重位置服务的效益和效果同时，科学、技术、产品、资本以及全新的产业生态系统，为卫星导航领域提供了越来越成熟的供给能力，技术进步与市场机制，使得原来成本极高的社会位置信息轻易可得。

随着产品技术的成熟应用更加广泛，产品基于北斗系统优势提供了很多超出价值外的利益，从而使北斗得到更多发展。但是，“国内企业如果不抓紧研究北斗产业化服务应用，那我们提供的这个产业平台，就不会带动自己的产品和企业。”孙家栋表示。

北斗系统若要实现后发赶超，既要依靠市场化运营，把北斗相关产品的生产规模提上去，形成较有竞争力的价格优势，还要在技术上实现更多的创新和突破。

李耀忠提出，“北斗系统未来应着手于提升卫星寿命，提高卫星轨道精度，提高原子钟精度，码技术需要更加成熟完善，并考虑将北斗一代功能转移到MEO上。应用方面，包括芯片板卡、终端、系统解决方案在内的核心技术提升，实现完全市场化竞争的能力，多个行业相对成熟的北斗系统应用解决方案推出及成功应用，为北斗系统实现全球服务后北斗产业及应用推广到全球奠定坚实基础。”

然而，相比市场推动，李耀忠认为，国家政策性的引导和支持会使北斗系统的创新和利用在短时间内更快占据主导地位。“现代社会不会盲目使用一些新产品或技术，往往都是在产品技术更为成熟时使用。核心技术如芯片、板卡、终端的成熟，技术解决方案的成熟及越来越多技术团队的加入使北斗产业具有更强的能力，推动技术进步的同时，市场会逐步淘汰落后技术及团队，从而使整个市场机制健康发展，推动社会导航发展方向。其间，在政府及相关部门统一规划下，北斗发展在一定时间内会更加良性发展。”

“未来卫星导航产业融合，首先必然是融合了多系统的各种导航定位应用成为主流；其次是依托北斗系统独特的优势，形成自主知识产权的北斗产业集群，有能力在世界范围内进行有益的良性竞争。”李耀忠提出自己的期待。