撰文|徐颖 北斗导航系统科学家、中国科学院空天信息研究院研究员、博士生导师2018年12月27日，北斗三号基本系统完成建设，开始提供全球服务,北斗系统服务范围由区域扩展为全球，正式迈入全球时代。中国为什么要建北斗全球系统？上世纪九十年代，北斗系统启动研制，按照“三步走”发展战略，先有源后无源，先区域后全球，先后建成北斗一号、北斗二号、北斗三号系统，走出了一条中国特色的卫星导航系统建设道路。北斗系统卫星总指挥李长江曾说过，第一代卫星导航系统是起步阶段，用很少的资金投入，打破了国外卫星导航领域的垄断，但由于自身原理上的限制，无法发展成全球卫星导航系统，所以在第一代导航系统建设的同时，开始了第二代导航系统的建设认证。第一代北斗星座接收机是有源的，存在着暴露用户位置的缺陷，因而，在某些特殊领域的用途受限。如果大家看过刘慈欣的《三体》，应该都记得里面最重要的话：“不要回答，不要回答，不要回答”，因为一旦回答返回信号，你的位置就可能存在暴露的风险。另外，当你向我发送信息后，我需要来响应你，而如果刚好此时还有其他人也给我发送信息，就可能造成信息堵塞，无法及时回复所有人。在这样的情况下，建设一个无源的定位系统迫在眉睫，该怎么建设呢？第一步,在2003年左右建成北斗导航一号系统，解决我国卫星导航系统有无问题，为我国及周边地区中低动态用户提供快速定位、短报文通信和授时服务；第二步，在2012年左右建成北斗二号系统，为我国及周边国家提供稳定的导航、定位、测速和授时服务；第三步，在2020年，建成“独立自主、开放兼容、安全可靠、技术先进、突出重点”的北斗三号系统，开拓国际导航市场。2018年12月27日，中国北斗卫星导航定位系统正式具备全球定位能力，可在全球范围内为各类用户提供高精度、高可靠的定位、导航、授时服务，北斗三号除了提供全球服务以外，继续保留了传统的北斗特色服务：短报文和位置报告。北斗三号很好地把导航和通信技术聚合在一个系统中，这个特色服务是美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、欧洲的GALILEO三大系统所不具备的。未来，北斗三号将继续发射卫星，直到2020年建成由30颗卫星覆盖的北斗全球系统。北斗全球系统星座由3颗GEO卫星，24颗MEO卫星和3颗IGSO卫星组成；地面段包括主控站、注入站和检测站等若干地面站；用户段包括北斗用户终端以及与其他卫星导航系统兼容的终端。北斗建设有哪些基本原则？我们建设北斗系统有四个基本原则，第一个是开放。北斗会向全球用户免费提供这样一个服务，就是在北斗官网可以下载相应的ICD文件，自己做北斗的接收机，可以享受国家建设的卫星地面站给你带来的导航服务。你可能会问，那我要买这个终端还是要花钱呢？这其实是因为该终端是相应的厂商做的。比如说我们把手机比做成一个服务商的话，你买了手机之后，每个月还需要缴纳一定的通讯费用手机才能使用，无论你用的是联通、移动还是电信。但我们把北斗比作成一个导航位置服务商的话，你使用这个导航服务是不用花钱的，不会每个月向你收取导航位置服务费，这是北斗系统的开放原则。当然开放并不是全部开放，主要开放的是民码频点和服务，类似军码不会开放，还有通信服务需要授权才可以获取。第二个原则是自主，自主这一点不用太多解释，比如说之前提到的各种“卡脖子”技术等等，都指向了自主这个问题。所以北斗从最开始建设的时候，就有了独立自主的原则。什么才算独立自主？第一点是本系统不依赖其他系统，能够独立运行，不会因为GPS关闭后系统就不能运行了；第二点是北斗系统里所有核心器件，都百分之百实现了国产化，不能费尽九牛二虎之力建立一个系统，结果核心器件却要依靠外国进口。第三个原则是渐进，北斗系统建设分三步走，即上面提过的建设无源导航系统的三步走计划，有人问北斗三号2020年建成后，后续会不会有四号五号呢？先举个例子，GPS系统建成已经过去很多年了，现在美国仍在对GPS进行升级，所以说更新换代和升级这个过程一定会持续，主要取决于国家的经济和技术水平；第四个建设原则是兼容，致力于实现与其他卫星导航系统的兼容与互操作，让用户获得更好的服务。2018年，北斗和GPS签署了兼容协议，之前北斗也和GLONASS签署过兼容互操作协议。有很多人问为什么要和GPS兼容呢？这其实并不是说两个系统兼容就相当于合并成一个系统了，兼容和独立自主之间不矛盾，兼容的意思主要是指在民用频点和信号的兼容。因为ITU分给导航的频段有限，所以在这个频段当中要兼容这些系统，如北斗，GPS、GLONASS等，需要世界各国的导航系统进行协调频率、调制方式等，最后让民用的用户能够在终端上方便地使用所有可以接收到的导航系统来为其提供更高性能的服务。所以这四个建设原则下，2004年,北斗二号系统区域系统开始建设，我国的卫星导航定位系统走向了发展新时期。2007年，北斗二号系统建设稳健推进，发射了第一颗试验星04星用于接替北斗一号01星，以保证系统联系稳定运行和不间断提供服务。卫星寿命有限，北斗一号组网卫星的预期寿命是8年。2009年，北斗二号G2星升空，预备替换已经工作9年的北斗一号02星。2010年，接替北斗一号01、03星的北斗二号G1、G3星发射成功，顺利接入北斗一号系统，操作时间比预计缩短一半，系统中断服务仅1秒钟，圆满实现平稳过渡。北斗二号系统：首创用IGSO卫星定位平稳过渡后，北斗二号系统的建设开始着重解决北斗一号的部分不足，其中，星座结构设计成为后期工作的重中之重。美国、俄罗斯的导航系统采用的是中圆轨道，MEO卫星均匀分布在轨道面，这样的对称星座，轨道面均匀，相位也均匀，是覆盖全球的最优星座。对于要形成区域导航服务能力的中国，到底什么样的星座可行？科研人员发现，MEO卫星绕地球旋转，每天只有30%的时间位于中国的国土上空，其他时间不能为中国提供服务。最终北斗区域系统没有以MEO卫星为主，更多采用了倾斜地球轨道卫星IGSO、地球静止轨道卫星GEO。这两种卫星的活动范围，相对固定。GEO同步卫星轨道倾角为0度，相对地面不动，但有时会处于同一直线上，不能计算定点的位置，因此还需要IGSO卫星，也是同步卫星，但轨道倾角是55度呈“8”字形，有70%-80%的时间停留在中国的国土上空，用IGSO卫星定位，这在世界上是第一次。目前，北斗区域星座的结构是“5GEO 5IGSO 4MEO”，这是一个星地一体的卫星网络，对大型复杂星座控制与管理也是确保北斗导航系统可靠性的关键。这样的星座设计可以边建边用、以用促建，对于逐步实现卫星导航的构想是必由之路，也更符合中国国情。重中之重的“原子钟”如果说要通过导航卫星直接精确测量出物体空间坐标，这是一件目前还无法完成的技术问题。但卫星导航可以把距离测量转换成时间测量，以精确的时间信息来表达精确的距离信息，这就是卫星导航的秘密武器。精确的时间测量，前提要有精确的时间基准，简单说，就是要高精度的时钟，这个精度是如此的苛刻，以至于要达到几十万年、甚至几百万年才能误差一秒的时钟，这是当前任何机械时钟、电子时钟都不可能达到的精度。机械表一天差不多有1秒误差，石英表一天大概有0.1秒的误差，都无法满足高精度时钟的要求。科学家们在实验室里惊奇地观察到，原子钟电子从一个能级状态跃迁到另一个能级状态时，所发射出的电磁波频率异常的稳定。如果以这个频率作为钟摆，就能做出令人难以置信的高精度时钟，这就是原子钟的由来。目前，GPS定位精确度主要取决于卫星上的原子钟精度，以及各卫星和地面站，卫星间的原子钟时间同步精度。如果测量的时间误差达到百万分之一秒，那么位置就相差300米。基于时间的基础性和重要性，我国迫切需要建设独立自主的时间系统，而其中的关键就是高精度的原子钟。星载氢原子钟。来源：装备科技微信公众号北京大学、中科院、中国航天科技集团等多个部门空间物理、空间无线电等领域专家组成的课题组，经过两年研究试验，原子钟的难题终于解决了，我国自己生产的原子钟可以精确到十亿分一秒。原子钟迈开了从基础科学研究到产品应用的步伐。中国自己的星载原子钟设计总体技术方案已成熟，元器件国产化率达到100%，真正实现了技术国内自主化，彻底破除了西方的技术封锁。现在，中国卫星上的原子钟已全部实现了国产。这也是航天事业的发展需求推动了科技产业发展的一个真实案例。为了北斗建设，我们发射过多少卫星？早在2006年2月21日，根据北斗系统建设规划和进展，我国第一颗北斗导航系统卫星使用的卫星网络就登入国际电联频率总表。2007年3月26日，北斗一号04星的发射和在轨运行正式启用了该网络。北斗系统在2010-2012年的3年期间共发射了15颗卫星，同期美国GPS BLOCK IIR发射组网，美国人用了八年的时间才将13颗导航卫星逐一送上太空。这一串发射时间，清晰地记录着我国北斗工程迅猛发展的真实历程北斗二号的成功不仅意味着中国已经位居世界卫星导航技术强国之列，也意味着全世界近1/3人口有机会享受更加优质的导航服务，是中国科技发展对亚太地区、对世界的巨大贡献，是中国人在世界航天史上留下的浓墨重彩的一笔。北斗历尽磨难，走过了风风雨雨的二十年，终于达到了第一个高峰。北斗系统广泛应用造福于民自2011年12月27日正式宣布提供服务以来，北斗卫星导航系统已转入系统建设和应用推广并举的新阶段，并逐步拓展到交通运输、气象、渔业、林业、电信、水利、测绘等应用领域。渔船航运：在我国南海，大概有70%的渔船都装载北斗系统，我们都知道海上其实没有基站，所以没有办法打电话，科考船一般会有卫星电话，海事卫星会保障通信，但对于渔民，卫星电话费用昂贵，渔民一般出海就会失联，无法保持通信。现在渔船装载北斗系统后，渔民出海捕鱼既可以通过发短信给家里人报平安，如果遇上危险还可以直接联系海警求救。精确授时：北斗系统的氢原子钟精度非常高，有了这么高的精度可以来做什么呢？现实生活中，就算我们手机上时间差了一两分钟，对生活其实也不会有太大影响，但在关系着国计民生的行业当中，比如说金融业，如果金融结算当中的结算时间相差一毫秒，结算金额可能就会相差几千万美元；在电力系统中，如果不能够做到各个地区时间和频率高度一致的话，就有可能就在用电高峰期发生峰值叠加，从而导致整片区域断电。抗震救灾：汶川地震时候，自然灾害导致所有的通信设施不能使用，而卫星在天上不受地面灾害的影响，当时灾区的通信服务如移动等做通信恢复已经非常及时，一两天的时间就能够再次提供通信服务，但是我们也知道黄金72小时救援，所以1分1秒都非常非常宝贵，不能浪费，汶川地震后的第一条信息就是由北斗一号终端发出来的，能够在非常危急、非常态情况下，提供紧急救援的导航和通信服务。我们可以看到，北斗系统不管上天、入地还是下海，不管是对人还是车辆，都提供了最最基础的时间、空间的信息服务，引用卫星导航系统业内的一句名言：卫星导航应用系统的应用只受制于人们想象力的限制！未来的导航系统：PNT体系最后我们来畅想下未来是什么样子。北斗3号之后是不是还会有北斗四号、五号？一定是有的，但也许不叫这个名字，因为我们现在正在论证PNT体系。P就是positioning，N是navigation，T是timing，也就是定位导航授时体系的意思，美国在08年开始研究PNT体系，其目的是要建设一套不依赖于GPS的随时导航定位授时的体系，因为美国发现对于GPS太过依赖，如果没有GPS很多东西可能都会无法使用，而GPS在某些情况下很容易被干扰或是被欺骗，这是卫星导航系统存在的天然脆弱性，无法避免。所以我们也想研究做中国国家的PNT体系，能够真正作为北斗系统的补充、备份增强和融合，在北斗系统现在覆盖不到的地方，提供一个为任何人，在任何地点，任何精度的可靠服务，也包括导航和通信深度融合的技术，希望能够在北斗系统建成之后，真正的构建一个应用更广泛和更可靠的系统。
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