“新北斗”开启全球组网大幕

▲我国成功发射新一代北斗导航卫星

3月31日凌晨，我国第17颗北斗导航卫星，同时也是我国首颗新一代北斗导航卫星在长征三号丙运载火箭、远征一号上面级的接力护送下，准确进入距地面3.6万公里的倾斜地球同步轨道，标志着我国北斗卫星导航系统建设迈出了区域运行到全球覆盖的第一步。

这次卫星发射与以往有何不同？新一代北斗导航卫星实现了哪些技术突破？北斗卫星导航系统实现全球组网后，将发挥什么作用？

新技术助“新北斗”迈向全球覆盖

我国首颗新一代北斗导航卫星由中国科学院、上海市政府合作共建的上海微小卫星工程中心研制。上海微小卫星工程中心主任、北斗系统全球组网首发星总指挥相里斌介绍，研究人员用不到4年的时间完成该卫星的全部研制工作，是中国科学院承担的首颗长寿命、高可靠业务星，设计工作寿命为10年。卫星副总设计师沈学民表示，该星采用全新导航卫星专用平台，集多项新技术于一身，将开展新型导航信号体制、星间链路等试验验证工作，为北斗卫星导航系统全球组网建设提供依据。

首次实现上面级直接入轨技术

此次新一代北斗导航卫星的发射，首次在运载火箭上增加了一级独立飞行器，即远征一号上面级。这个被形象地称为“太空摆渡车”的独立飞行器，可在太空将一个或多个航天器直接送入不同轨道。这标志着我国首次实现上面级直接入轨技术发射中高轨卫星，意味着我国真正意义上的“太空摆渡车”开始太空之旅。

“以往采用转移轨道发射，比如探月工程采用直接地月转移轨道，让卫星经过几次变轨再进入工作轨道。这次有了远征一号上面级，可以直接把卫星送入高轨道的工作轨道。”航天科技集团中国运载火箭技术研究院院长、三甲系列运载火箭总设计师姜杰介绍，此举让卫星快速进入空间，“经过6个小时左右飞行，达到高度为36000公里的地球静止轨道。以往达到相应的高度需要数天。”

按照我国对上面级的发展规划，未来“太空摆渡车”还将在探月、探火等深空探测任务中，在轨道转移、空间碎片清理等轨道服务方面，在新材料、新技术验证等空间试验领域大显身手。

新信号体制带来更高精度

“导航卫星的主要工作是把空间位置信号和时间基准信号发到地面供用户使用。”沈学民说，“这两种信号都是通过无线电传输，不同体制的无线电信号，能对时间和位置的精度产生影响。”

他介绍，美国的GPS、俄罗斯的格洛纳斯、欧洲的伽利略导航系统信号体制各不相同，并都在不断改进。随着北斗导航系统的发展，信号体制也在不断改进完善。

在未来一段时期，新老北斗导航卫星将在太空中共同运行。沈学民说，针对这一过渡时期，研究人员在对信号体制进行更新的同时，重点考虑了不同版本的兼容性。新的信号体制既能兼容过去的版本，又能带来更高的性能。“随着新信号体制、星间链路等技术的应用，北斗导航卫星的定位精度将进一步提升，凭借高性能铷钟等技术，其时间精度也将达到更高水平。”

中国卫星导航系统管理办公室主任冉承其表示，新一代北斗导航卫星的定位精度将由此前的10米提升至2.5米左右。

星间链路实现“北斗”自主

“前期的导航卫星之间没有导航通信链路，从这颗卫星开始，北斗导航卫星都将具备星间链路。”北斗卫星导航系统总设计师杨长风介绍，通过星间链路，将实现北斗卫星全球系统自主导航。

通过星间链路可以将多颗卫星互联在一起，实现卫星之间的信息传输和交换。

沈学民表示，目前各导航系统均依赖于地面站支持，如果在自然灾害、战争等情况下地面站被损毁，导航系统就会瘫痪。未来的北斗导航卫星将通过星间链路实现组网，可在一定程度上摆脱对地面的依赖。在失去地面支持的极端条件下，导航卫星能生存相当一段时间，用互相测距的方法进行定位。在常规状态下，星间链路还有助于提高定位精度，使北斗系统的精度水平达到与GPS相当。

▲国内北斗卫星导航在手机导航、车载导航等诸多领域已产生广泛的经济和社会效益

星间链路是未来导航卫星发展中的重点研究领域。沈学民说，我国在该领域的研究并不晚于发达国家。此次发射的北斗导航卫星，相比GPS甚至略为超前。他表示，当前我国将用新频段、新方法开展星间链路试验，从地面进行验证，随着后续北斗导航卫星的发射，还将验证其互联、组网等。

全新平台架构让“北斗”减重一半

“此次发射的北斗导航卫星首次采用中科院研发的导航卫星专用平台。”沈学民表示，未来我国北斗导航卫星的发射将采取一箭双星甚至一箭多星方式，这对卫星的小型化、轻量化均提出了要求。为此新一代北斗导航卫星更换了全新平台，采用了框架面板式轻量化构型设计。沈学民表示，“过去的北斗导航卫星重约1.6吨，而这颗卫星的重量只有其一半左右。”

同时，该卫星还首次使用了多项技术。

沈学民说，在过去的卫星上，能源、姿控、测控等系统分别由不同计算机管理。此次发射的卫星使用了高功能密度综合电子体系架构，可用一台计算机实现对所有电子系统的集中控制管理，不仅让卫星更轻更小，可靠性也得到了提升。该卫星还使用长寿命的星敏感器，实现了与以往不同的定姿方式。

此外，该卫星大量采用国产化部件，最具特点的是中科院计算所自主研发的通用中央处理器（CPU）“龙芯”和国产化铷原子钟，整星国产化率达到95%，后续星的国产化率将达100%。

▲预计到2020年，我国北斗全球卫星导航系统将实现全球区域覆盖

产业应用向国际拓展

我国北斗卫星导航系统于2000年底开始向中国及周边地区提供服务，2012年底正式向亚太大部分地区提供运行服务。

经过近几年发展，国内北斗卫星导航在交通运输、海洋渔业、水文监测、气象预报、大地测量、智能驾考、救灾减灾、手机导航、车载导航等诸多领域，已产生广泛的经济和社会效益，产业已初具规模，形成基础产品、应用终端、系统应用和运营服务等较完整的产业体系。国产北斗核心芯片、模块等关键技术全面突破，性能指标与国际同类产品基本相当，自主芯片销量超500万片，应用范围已由行业和区域应用扩展到智能手机等大众电子消费领域。“如芯片的产能、价格与国外已在同一档次，原来几百元一片的芯片，现在降到20元一片。”杨长风认为，北斗要进一步产业化，一方面需要国家政策牵引、推动，另一方面还需要通过市场手段降低成本，形成规模效益，这是未来北斗系统能和GPS导航产品竞争的关键。

杨长风说，目前国家有关部门及地方正在联合建设北斗地基增强系统，为我国提供广域米级/分米级实时导航定位服务以及区域厘米级实时定位服务，打造北斗系统特色化、区域优势服务。

北斗导航系统的国际应用也在不断开拓。目前北斗导航系统通过两种途径参与国际合作。一方面是积极推动北斗系统进入国际民航、国际海事、移动通信等国际组织；另一方面是积极推动北斗系统服务国际社会，比如以“东盟行”、“亚太行”的方式帮助东南亚地区一些国家进行卫星导航应用的方案设计，在当地推广普及北斗产品、建设地基增强系统。

伴随北斗全球组网卫星发射，北斗导航系统国际化进程也在提速。在“东盟行”活动中，北斗国际演示系统发挥了重大作用，使东盟用户直观地感受到北斗的高精度应用效果。该系统由北京合众思壮科技股份有限公司搭建，可演示北斗高精度应用、北斗监控应用、北斗授时应用和北斗星图，并设计了迷宫游戏进行直观演示。

该系统已于2014年6月交付泰国GISTDA（科技部测绘部门）并指导GISTDA人员使用，目前部署在泰国SKP产业园，用于北斗卫星的演示、教育、推广等活动。据了解，我国将在泰国、马来西亚等国建立更多演示中心以推广北斗高精度定位服务。

北斗卫星导航系统正按照“三步走”的发展战略稳步推进，预计到2020年，我国将建成由5颗地球静止轨道和30颗地球非静止轨道卫星组网而成的北斗全球卫星导航系统，实现全球区域覆盖。而根据《国家卫星导航产业中长期发展规划》，到2020年，我国卫星导航产业规模将超过4000亿元，北斗贡献率将达到60%。（本刊综合）