北斗传奇路

本刊综合报道

2020年6月23日上午，大凉山腹地的西昌卫星发射中心。推迟一周发射的长征三号乙运载火箭矗立在发射塔架旁。

9时43分，伴着山呼海啸般的巨响，北斗三号最后一颗全球组网卫星飞向太空。约30分钟后，卫星顺利进入预定轨道，至此，中国提前半年完成北斗全球卫星导航系统星座部署。

推迟的发射

此次北斗三号最后一颗卫星原计划于6月16日上午发射，当天清晨6点多新华社对外发布了发射任务推迟的消息。

6月15日傍晚，长征三号乙运载火箭已按流程完成常规推进剂加注，开始进行发射前的功能检查。晚上8点多，发射现场工作人员却发现：控制氧流量的一个稳压器中的减压阀出现了故障。

经过讨论，专家们一致认为如果排除测试设备问题，那么阀门产品是否存在问题需要尽快排查。发射塔架上，操作人员按流程进入火箭舱体中对减压阀进行检查，壳体上一个三四公分大小的鸡爪形细小裂纹映入眼帘。在场的人都惊出一身冷汗。

身在发射场的人员迅速联系北京的同事，对同批次产品从设计到生产、检验进行全过程核查。同时，紧急更换备份产品，并检查其工作状况是否满足要求。

临近12点，新更换的同批次产品经检测工作状态正常，具备实施任务条件，但任务指挥部没有很快作出重启发射的决定。中国卫星导航系统管理办公室主任、北斗卫星导航系统工程副总设计师冉承其说：“虽然发生的是材料的一种现象，但我们认为还有不是特别清楚的地方。”最终，前线任务指挥部决策，中止这次任务发射，不带疑点加注，不带隐患上天。

6月16日，问题产品被迅速送回北京，接受材料检测。当晚，经过前后方结果比对，证明了问题发生的机理。

已经加注常规推进剂的火箭矗立在塔架上，必须迅速拿出符合要求的替换产品，协调工作随即展开。与此同时，围绕问题的研究和归零工作也在紧张推进。据冉承其介绍，这个“零”就是让产品的质量技术状态回到跟正常产品一样，不带任何隐患回到归零状态。

6月16日中止发射以后，技术人员争分夺秒，几乎没有休息，6月18日完成了产品的彻底归零。

6月18日晚，工作人员加班加点，将从北京运来的替换产品安装上箭。经测试，指标符合任务要求。但是，由于夏季气温较高，已经加注常规推进剂的火箭贮箱内的燃料温度和气枕容积出现变化，已不满足发射实施条件。

推进剂不泄出显然不行，但泄出后再重新加注，会不会又出现新的问题？航天人做出了一个艰难的决定：长三甲系列火箭将进行历史上前所未有的最大规模推进剂泄出及重新加注。

“相对于加注，泄出是一个逆操作。推进剂特别是它的氧化剂是有腐蚀性的，时间长了对管路对部件会带来一定影响，并且要求保证推进剂泄回的过程中不能有任何闪失，还有一定安全性的风险。”冉承其说。

经过万全准备，技术人员分析出此项操作可能涉及的21项风险，并分别制定了应对策略。

从6月19日到20日，火箭一级、二级及四个助推加注口以上的氧化剂、燃烧剂分别安全完成泄出操作。粗略计算，泄出量约占加注燃料总量的3/4，规模之大世所罕见。

同时，工作人员在对泄出后的助推器氧箱进行检查时，发现连接传感器的法兰盘螺栓出現轻微腐蚀现象，需要尽快更换。这项操作只能在狭窄的箭体内进行，操作人员要身着防化服从仪器舱舱口钻进火箭内部，以俯卧的姿势，在一个小时内精准完成拆除和新产品安装工作。冉承其说，氧化剂有腐蚀性，燃烧剂对人体有毒副作用，需要操作人员胆大心细，还要有一种舍我其谁的奉献精神。最终，工作人员完成了4个助推器氧箱24个螺栓的紧急更换任务。

历经为期7天的紧急处置，6月23日上午，长征三号乙运载火箭托举北斗三号最后一颗全球组网卫星从西昌卫星发射中心升空，卫星顺利进入预定轨道，发射取得圆满成功。

收官之星有何不同

“这是北斗三号全球卫星导航系统第3颗GEO卫星（地球静止轨道卫星），GEO系列卫星虽然数量不多，但是作用关键，作为一颗驻守在高轨天疆的‘大块头，它们肩负显著增强北斗三号整体技术指标的职责，还携带了很多利器，为中国北斗在轨运行和应用之路开疆拓土。”中国航天科技集团五院北斗三号工程副总设计师、北斗三号卫星首席总设计师谢军说。

据谢军介绍，北斗三号全球系统空间段由中圆地球轨道卫星（MEO卫星）、倾斜地球同步轨道卫星（IGSO卫星）和地球静止轨道卫星（GEO卫星）3种不同轨道的卫星组成，包括24颗MEO卫星，3颗IGSO卫星和3颗GEO卫星，共计30颗。谢军说，GEO卫星家族安静地驻守在地球上方3.6万公里的天疆，凝视着其他卫星“兄弟”的工作，虽自身也具备“十八般武艺”，但是它们给自己赋予更重要的使命—为北斗卫星导航系统的技术指标提升提供增强服务。

GEO卫星家族具有强大的承载能力，因而这颗收官之星和此前已经入轨的GEO卫星一样，除具备定位、导航、授时功能外，还具有星基增强、精密单点定位等特色功能，可为中国及周边地区用户提供导航及增强服务。

同时，GEO卫星家族沿袭了北斗系统最鲜明的特色，有源定位和短报文通信—这是中国北斗系统的创举。所谓有源定位，即利用无线电测定技术，通过两颗GEO导航卫星联手，不仅能回答用户“我在哪”，还能告诉关注着用户行踪的相关方“你在哪”—这在搜救、渔业等领域被广泛应用。

谢军说，北斗三号的短报文能力从一次120个汉字提升到一次1000个汉字，还可发送图片等信息，应用场景更为丰富。此外，北斗三号的特色服务能力较北斗二号进行了拓展，在通信、电力、金融、测绘交通、渔业、农业、林业等领域实现更广的服务。

事实上，在2018年年底，随着北斗三号基本系统完成建设，中国已经开始提供全球卫星导航服务。如今，随着最后一颗北斗三号组网卫星的加入，中国将为全球提供更为精准的服务。

中国智慧与中国方案

中国开始研究利用卫星进行地面定位服务，始于二十世纪六七十年代。按照空间定位原理，对地球上一个目标点进行定位，至少需要3颗卫星；考虑到时间误差，精确定位至少需要4颗卫星。当时的中国，无论是经济实力还是技术基础，对此都可望不可即。

1983年，中国著名电子学专家陈芳允院士介绍了利用地球同步卫星进行定位和通信的设想，解决快速定位与通信问题。这一理论后来被归纳为“双星定位”，成为日后北斗系统建设发展的奠基理论。不同于美国全球定位系统（Global Positioning System，GPS）的四星定位，“双星定位”这一方案，能以最小的星座、最少的投入、最短的周期，实现中国卫星导航系统从无到有。

1994年，中國启动北斗一号工程。是时，美国GPS已完成全球组网。

2000年10月31日和12月21日，在不到两个月的时间内，中国相继发射两颗北斗导航试验卫星，北斗一号系统建成。至此，中国人正式拥有完全属于自己的卫星导航系统，中国成为世界上第三个建成卫星导航系统的国家。

北斗系统所拥有的“发短信”的短报文服务，是国外其他任何一个卫星导航系统都不具备的中国北斗特色。北斗卫星导航系统工程总设计师杨长风介绍说，兼具导航定位和短报文通信的通导融合模式，是中国对世界卫星导航领域的重要贡献，充分体现了中国人的智慧。

实事求是地说，与美国的GPS、俄罗斯的格洛纳斯相比，北斗一号仍有不小差距，但“服务全球、造福人类”是中国北斗人的初心。

于是，北斗二号系统建设提上日程。

彼时，最适合卫星导航的黄金频段被美俄全部占用。中国与同时希望建设卫星导航系统的欧盟，推动国际电联从航空导航频段中，最大限度地挤出一小段频率，供卫星导航共同使用。

这一小段频率，只有黄金频段的四分之一，却是建设一个全球卫星导航系统最基本的频率需求，且各国均可平等申请。

2000年4月17日，中国北斗和欧盟伽利略系统同时成功申报。按照国际电联规则，必须在7年有效期内成功发射导航卫星。

2007年4月14日4时11分，肩负着重要使命的首颗北斗二号卫星发射升空，几天后太空传来这颗卫星的信号，中国赶上了建设全球卫星导航系统的最后一班车。这一刻，距离国际电联规定的频率申请失效最后期限只有不到4个小时。

建成覆盖全球的导航定位系统，至少需要24颗卫星。北斗人开创性地设计了混合星座构型，并于2012年底建成由GEO、IGSO和MEO共14颗卫星构成的北斗二号系统，实现了全天时全天候为亚太大部分地区提供定位导航授时服务。

按照传统卫星管理手段，控制使用好绕飞地球的卫星，需要有遍布全球的地面站。在难以全球布站的情况下，北斗给出的中国方案是星间链路，即卫星之间、星地之间互联互通，实现卫星管卫星。2015年8月，两颗全球系统试验卫星首次建立起星间链路，标志着中国掌握了这一国际领先的核心技术。

2017年11月5日，北斗三号全球组网双星首次发射。2018年12月27日，北斗三号基本系统建成并开始提供全球服务。2019年12月16日，北斗三号全球系统核心星座部署完成，北斗全球服务能力全面实现。2020年6月23日，中国完成北斗全球卫星导航系统星座部署，北斗完整服务全球的目标指日可待。

走自主创新的中国道路

“作为时间和空间的基准，如果由别人提供，安全感何来？比如当前的热点新基建，也将是中国建设发展下一阶段的重要方向，时间基准和空间位置基准就是至关重要基础，北斗导航系统是新基建的基建，基础的基础。”中国航天科技集团五院北斗三号卫星总设计师陈忠贵说。

从北斗一号解决有无问题，到北斗二号打破国外技术封锁，攻克了以导航卫星总体技术、高精度星载原子钟等为代表的多项关键技术，再到北斗三号一马当先，走出了自主创新的北斗之路。

这个过程殊为不易。

早在项目最初的总体设计方案评审会上，针对北斗导航电文参数如何解算问题就存在激烈的争论，多数人主张采用与GPS相同的技术体制，北斗工程团队抓住了技术发展趋势，认为导航通信多业务一体化融合更适合北斗系统，并鼓励团队说：“我们要坚定地走自主创新之路，勇敢地走最适合中国北斗导航系统之路。”

原子钟被誉为北斗卫星导航系统的“心脏”，为系统提供高稳定的时间频率基准信号，决定了导航系统的导航定位、测速及授时精度，是一个国家是否具备独立发展导航系统能力的核心标志之一。星载原子钟精度要求高，技术难度大，曾长期为美国、俄罗斯、瑞士等少数国家所垄断。为了满足北斗系统工程建设需求，中国科学院精密测量科学与技术创新研究院梅刚华研究员及其团队开展了长达20余年的科技攻关。

抱着“让北斗用上最好的钟”的信念，梅刚华团队相继突破了星载铷原子钟精度、小型化、寿命、可靠性和卫星环境适应性五大关键技术，研制出三代星载铷原子钟，使中国星载铷钟技术实现了从无到有、由有到精的跨越。

一代代北斗人用热血和汗水浇灌的北斗系统，不负众望地交出了一份举世瞩目的成绩单：北斗基础产品现已实现国产化，北斗芯片、模块等关键技术全面突破，性能指标与国际同类产品相当。截至2019年底，国产北斗导航型芯片、模块等基础产品销量已突破1亿片，国产高精度板卡和天线销量分别占国内市场30%和90%的市场份额……

在艰苦卓绝的奋斗中，北斗人用了20年的时间，走完了其他全球卫星导航系统40多年的发展之路。

北斗大事记

全球四大卫星导航系统：

● 美国的GPS

（Global Positioning System，即全球定位系统）。成熟的卫星导航系统。至2019年底，GPS卫星星座有30颗卫星，为民用、商用和军用用户提供定位、导航和授時服务。

● 俄罗斯的GLONASS

（格洛纳斯，Global Navigation Satellite System，即全球卫星导航系统）。截至2019年底，格洛纳斯系统在轨卫星28颗，包括26颗GLONASS-M卫星和2颗GLONASS-K卫星，其中提供导航服务卫星22颗，其余卫星处于测试、备份等状态。

● 欧盟的伽利略

（Galileo Satellite Navigation System，即伽利略卫星导航系统）。它的卫星数量多、轨道位置高、覆盖面积大，可为更广泛的人群提供服务；同时，它的精确度更高、抗干扰能力更强。截至2019年底，伽利略在轨卫星数量25颗，其中22颗提供导航服务。

● 中国的北斗卫星导航系统

（BeiDou Navigation Satellite System，简称BDS）。2020年6月23日，北斗三号最后一颗全球组网卫星发射成功，完成北斗全球卫星导航系统星座部署。北斗卫星导航系统具有以下特色优势：拥有短报文通讯功能，采用混合星座多轨道，能够独立运行也能够与其他卫星导航系统兼容共用，信号安全稳定。

北斗，在我们身边

星空布阵的同时，北斗也在深度融入社会生活，规模化、产业化和国际化应用不断迈上新的台阶。近年来，从减灾救灾到交通运输，从农业渔业到旅游服务，北斗在各行各业发挥着越来越举足轻重的作用。

70%

在中国入网的智能手机，已经有70%以上提供了北斗服务。基于北斗的导航服务已被电子商务、移动智能终端制造、位置服务等厂商采用，广泛进入中国大众消费、共享经济和民生领域，深刻改变着人们的生产生活方式。

3450亿元

据《2020中国卫星导航与位置服务产业发展白皮书》数据，2019年，中国卫星导航与位置服务产业总体产值近3450亿元，较2018年增长14.4%，已连续9年保持两位数的增长。预计2020年产业总体产值将超过4000亿元。

10纳秒

通过北斗卫星进行时间校准，可以避免钟表之间的误差，让时间整齐划一。在全球范围内，北斗的授时精度优于20纳秒，在亚太地区优于10纳秒。在金融、电力等需要精确时间校准的领域，北斗的授时功能十分重要。

650万辆

中国有超过650万辆营运车辆、3万辆邮政和快递车辆，36个中心城市约8万辆公交车、3200余座内河导航设施、2900余座海上导航设施已应用北斗系统，建成全球最大的营运车辆动态监管系统。

2万台

基于北斗的农机自动驾驶系统超过2万台（套）。基于北斗的农机作业监管平台物联网平台，为10万多台（套）农机设备提供服务。目前，含智能手机在内，采用北斗兼容芯片的终端产品社会总保有量已超过7亿台（套）。

1.4万家

中国卫星导航与位置服务领域企事业单位数量保持在1.4万家左右，从业人员超过50万人。截至2019年底，业内相关上市公司（含新三板）总数为46家。北斗高精度及北斗辅助快速定位用户已突破5亿。

快速响应、全面融入抗疫战场

湖北武汉火神山、雷神山医院的修建引发“全民围观”，北斗为复杂地形地貌实现高精度定位、精确测绘。面向全国的“千寻位置”网上无人机平台，能够实现无人机精准喷洒等防疫作业，北斗提供高精度数据。物资运输车辆实时监管调控，智能机器人将各地送达的医疗物资快速送往医院隔离区，北斗提供背后的支持系统。

农业生产更加“智慧”

北斗卫星导航系统已广泛应用于小麦收割、灭茬、深松耕地、无人机植保等多个领域。农机可以通过内置定位板卡获取北斗卫星导航系统的位置信息，设置好作业路径后，即便驾驶室内没有农机手，车辆依然可以笔直前行，精准作业。北斗服务的无人驾驶农机不仅能够提高作业效率和质量，还能让部分作业过程纳入监管平台。

助力出行

通过北斗精准定位，共享单车即使在高架桥下、楼宇间、树荫下等信号遮挡的地方，定位也不会出现“漂移”。

由北斗高精度定位赋能的无人清扫车，可以按规划路线自主完成工作，环卫工人可以站在树荫下用App指挥它工作。

灾害预警更及时

通过北斗系统的短报文与位置报告功能，可以实现灾害预警速报、救灾指挥调度、快速应急通信等，提高灾害应急救援反应速度和决策能力。比如林业管理部门可利用北斗应用进行林业资源清查、林地管理与巡查，开展林区面积测算、木材量估算、巡林员巡林、森林防火、测定地区界线等应用，降低管理成本，提升工作效率。

让科考工作不再“迷路”

2020珠峰高程测量登山队队员可以在珠峰峰顶开展测量工作。藏羚羊栖息在海拔5000米左右的高原荒漠，条件恶劣且属于无人区，利用北斗系统为藏羚羊装上定位项圈，以帮助人们掌握藏羚羊的习性。

构建安全便捷的服务系统

可以让家长时刻知道孩子的定位，可以让儿女及时获悉老人的足迹，可以让市民出门前能“看到”想要乘坐的公交车到哪一站，可以为私家车主精确规划最优路径。

保障居民安全

北斗系统能快速依据此前危房的“病历”，判断出房子的“病症”。如果房子的倾斜、沉降超过一定的安全值，系统会立即发出警报，为人员撤离与救援争取宝贵时间。

在偏远又没有手机信号的地方，北斗独有的短报文功能可以向服务中心发送使用者的位置信息，并可以实现一键求救。

（本報道得到北斗宣传研究与传播中心、中国航天科技集团五院的支持。特表谢意。）