中國北斗步入全球組網新時代

□ 崔恩慧

中國北斗步入全球組網新時代

□ 崔恩慧

11月5日19點45分，在我國西昌衛(wèi)星發(fā)射中心，北斗三號首發(fā)雙星在長征三號乙/遠征一號運載火箭的托舉下順利升空。衛(wèi)星入軌后，經測試及入網驗證，可對外提供服務。本次發(fā)射的衛(wèi)星也是北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的第24顆、25顆衛(wèi)星。

這次北斗三號全球組網衛(wèi)星首次發(fā)射取得圓滿成功，開啟了北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)全球組網的新時代，北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)“三步走”發(fā)展戰(zhàn)略進入“最后一步”。

根據(jù)北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)“三步走”發(fā)展戰(zhàn)略，我國于2000年邁出“第一步”建成北斗衛(wèi)星導航試驗系統(tǒng)；“第二步”建成由14顆組網衛(wèi)星和32個地面站天地協(xié)同組網運行的北斗二號衛(wèi)星導航系統(tǒng)；“第三步”是到2020年前后建成由30顆左右衛(wèi)星組成的北斗衛(wèi)星導航全球系統(tǒng)，即北斗三號。這一次，北斗從區(qū)域走向了全球。

▲ 北斗三號轉場 高劍 攝

北斗三號首組衛(wèi)星的成功發(fā)射為其后續(xù)全球組網建設奠定了良好基礎。“該系統(tǒng)建成后，我們在世界上任何一個地方都可以享受到北斗服務。”中國航天科技集團公司五院北斗三號衛(wèi)星總設計師王平憧憬道。

據(jù)介紹，早在北斗二號正式提供區(qū)域導航定位服務前，我國就開始了北斗三號全球導航系統(tǒng)的論證研制工作，確定了建設獨立自主、開放兼容、技術先進、穩(wěn)定可靠的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)的發(fā)展目標。針對全球導航服務需求，北斗三號采用了一系列創(chuàng)新技術，力爭使該系統(tǒng)建成后性能與GPS等世界一流衛(wèi)星導航系統(tǒng)相當，達到國際先進水平。

▲ 整裝待發(fā) 謝奇勇 攝

技術篇

新一代銣原子鐘精度大幅躍升

作為關鍵載荷產品的原子鐘，素有“導航衛(wèi)星的心臟”之稱，在導航衛(wèi)星上發(fā)揮著提供時間基準的作用，其準確度和穩(wěn)定度將直接影響導航衛(wèi)星的定位、測速和授時精度。目前，國際上導航衛(wèi)星使用的原子鐘主要有銣原子鐘、氫原子鐘、銫原子鐘等，我國早期發(fā)射的北斗衛(wèi)星多采用銣原子鐘。

為了提高全球服務的精度，北斗三號首發(fā)雙星上配置了新一代高精度銣原子鐘。該銣鐘體積更小、質量更輕，通過電路噪聲抑制技術、溫控電路改進等措施，大幅提升了關鍵性能指標。新一代高精度銣原子鐘每天的頻率穩(wěn)定度比過去提高了10倍，達到世界先進水平。相對于北斗二號優(yōu)于10米的定位精度，北斗三號全球導航系統(tǒng)的定位精度將提升1～2倍，達到2.5米～5米水平，測速和授時精度也同步提高一個量級，為北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)更深入廣泛的社會應用打下基礎。

除了銣原子鐘，北斗全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)的后續(xù)組網衛(wèi)星上還將配置性能更高的新研國產氫原子鐘。氫原子鐘雖然質量和功耗比銣原子鐘大，但穩(wěn)定性和漂移率等指標更優(yōu)。2015年，我國首次在軌應用驗證氫原子鐘，截至目前其功能、性能穩(wěn)定，為北斗全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)的建設進行了技術探索。

10年以上長壽命保持連續(xù)服務

一般用戶可能不會想到，每次享受北斗服務，都需要動用至少4顆導航衛(wèi)星。北斗作為一個覆蓋全球的系統(tǒng)工程，要提供連續(xù)、穩(wěn)定的服務，至少需要20多顆衛(wèi)星同時運行，且信號不中斷。這樣的特性使北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)對產品可靠性的要求更為嚴苛。

開放的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)不僅關系著我國國家安全和經濟發(fā)展，也將是為全人類提供時間坐標和空間坐標的重要基礎設施。“就像停水、停電影響城市生活一樣，北斗導航服務一旦中斷，國家和社會的正常運行也會受到很大影響。”五院北斗三號衛(wèi)星總指揮遲軍說。

為提高衛(wèi)星在軌服務的可靠性，北斗三號衛(wèi)星的設計壽命由原來的8年提升至10～12年。更重要的是，研制隊伍首次提出“保證服務不間斷”的指標。目前，北斗系統(tǒng)非計劃中斷指標壓縮至每年0.4次，低于國際其他衛(wèi)星導航系統(tǒng)。在總結北斗二號經驗的基礎上，科研人員進一步提升了對北斗三號連續(xù)性、穩(wěn)定性和可用性的要求：為衛(wèi)星元器件選擇設置了更高門檻，使衛(wèi)星具備自主修復功能，對軟件檢測進行了更多保障等。

相控陣星間鏈路監(jiān)測境外衛(wèi)星

導航衛(wèi)星的精度需要地面站實施測量和標定。長期以來，我國無法像美國一樣在全球建立地面站。為解決境外監(jiān)測衛(wèi)星的難題，相較于區(qū)域衛(wèi)星導航系統(tǒng)，北斗全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)的一大特色就是首次配置了星間鏈路。這是北斗三號提高全球導航服務質量的重要手段。所謂星間鏈路，就是在衛(wèi)星之間搭建起通信和測量的鏈路。星間鏈路能夠讓我們看不見的、在地球另一面的北斗衛(wèi)星，與我們頭頂?shù)谋倍沸l(wèi)星取得聯(lián)系。

北斗三號導航系統(tǒng)采取了星間傳輸、星地傳輸功能一體化設計，實現(xiàn)了高軌、中軌衛(wèi)星及地面站的鏈路互通。目前，國際衛(wèi)星導航系統(tǒng)中也只有GPS導航系統(tǒng)具備星間鏈路。星間鏈路還是北斗衛(wèi)星實現(xiàn)自主導航的關鍵。自主導航是指即使地面站全部失效，北斗導航衛(wèi)星也能通過星間鏈路提供2個月的精準定位和授時。

▲ 北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)模型 劉淮宇 攝

▲ 北斗三號首發(fā)星合罩（上）北斗三號整流罩被吊上發(fā)射塔架（下） 高劍 攝

自主完好性監(jiān)測提高安全系數(shù)

作為中國自己的全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)，北斗三號在立項之初便被賦予了更多期待。除了能提供定位、導航和授時服務以外，北斗三號還在世界上首次實現(xiàn)了衛(wèi)星的在軌自主完好性監(jiān)測功能。所謂完好性，就是當導航系統(tǒng)服務精度誤差超限時，向用戶發(fā)出及時、有效告警的能力。這一其他衛(wèi)星不太考核的指標，對于重視用戶體驗的北斗導航衛(wèi)星來說，卻是極其重要的。

以航空領域為例，目前，其導航綜合利用了微波導航、衛(wèi)星導航等多種手段來保證飛行、著陸的安全性。在傳統(tǒng)的衛(wèi)星導航中，以往國際上所有導航衛(wèi)星的完好性都是基于地面對于衛(wèi)星的監(jiān)測。由于北斗導航衛(wèi)星的地面站較少，地面系統(tǒng)的全球連續(xù)完好性監(jiān)測與實時告警時間一般需要數(shù)十秒到幾小時。飛機偏離航線或者跑道，較難被快速發(fā)現(xiàn)和糾正，存在巨大安全隱患。

具備自主完好性監(jiān)測功能的北斗三號能星上自主判斷錯誤，在幾秒之內向用戶終端發(fā)出告警信號，終端會自動優(yōu)選信號更完好的北斗衛(wèi)星進行導航，避免事故的發(fā)生。這一功能對民航、自動駕駛等生命安全領域用戶來說，具有極強的實用價值。

新導航信號體制在軌維護重構

衛(wèi)星導航信號是導航衛(wèi)星為用戶提供服務的載體，決定著導航衛(wèi)星系統(tǒng)提供的導航定位精度。為解決實際使用中遇到的導航信號定位精度不高等諸多問題，北斗三號設計了全新的導航信號體制，采用將導航測距和數(shù)據(jù)信號分離的新型調制方式進行下行導航信號生成，并在同一個頻點中播發(fā)多路信號，服務于不同用戶。新體制不僅兼容北斗二號導航信號，還增加了新的導航信號，能提供更優(yōu)質、便捷的服務。

區(qū)別于以往的北斗導航系統(tǒng)，北斗三號的有效載荷系統(tǒng)還創(chuàng)新設計了強大的在軌重構功能，用來對衛(wèi)星進行維護和升級。“導航信號不夠用”“信號質量不好”等各種問題，都可以通過注入軟件來解決。隨著北斗的應用越來越廣泛，用戶對于導航衛(wèi)星可提供的服務需求也會隨之增加。到那時，只要改變有效載荷中的部分軟件，就能實現(xiàn)新的導航功能。

3軌道衛(wèi)星構型實現(xiàn)功能拓展

中國的北斗可以說是全世界唯一一個由3種軌道衛(wèi)星構成的導航系統(tǒng)。北斗三號全球導航系統(tǒng)的衛(wèi)星主要分布在中圓地球軌道（MEO），少量也分布在地球靜止軌道（GEO）和傾斜地球同步軌道（IGSO）。

北斗三號首發(fā)雙星作為中圓地球軌道衛(wèi)星可以游走全球，是GPS等衛(wèi)星導航系統(tǒng)使用的通用軌道；地球靜止軌道一般是通信衛(wèi)星使用，未來運行于該軌道的北斗衛(wèi)星還可以發(fā)揮其獨具特色的短報文通信和星基增強功能；傾斜地球同步軌道衛(wèi)星則更側重于區(qū)域導航。

北斗三號作為一個星座，未來發(fā)展既要向下兼容，也要向上兼容。“上下兼容”指的是北斗三號后續(xù)除了具備導航、定位、授時等基礎功能，還將有增量發(fā)展方案。下一步北斗三號的導航和通信功能也會結合起來，增加衛(wèi)星的搜救、全球位置報告、星基增強甚至對高軌衛(wèi)星的空間導航功能。

▲ 北斗導航

應用篇

堅持自主可控建設“民族的北斗”

我國開始積極探索適合我國國情的衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)的技術途徑和方案，始于上世紀70年代末。自2000年發(fā)射第一顆北斗導航試驗衛(wèi)星，到去年建成北斗二號衛(wèi)星導航系統(tǒng)——我國首個與國際先進系統(tǒng)同臺競技的航天系統(tǒng)，歷時16年時間。從有源到無源，從區(qū)域到全球，中國北斗導航衛(wèi)星系統(tǒng)走出了一條獨立自主的建設之路。

隨著北斗二號衛(wèi)星工程建設的圓滿完成，我國從根本上擺脫了對國外衛(wèi)星導航系統(tǒng)的依賴，徹底掌握了時空基準控制權、衛(wèi)星導航產業(yè)發(fā)展主動權、國際規(guī)則制定話語權，為我國經濟建設和國防安全提供了有力保障。

“國產化”三個字可謂貫穿了整個北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的研制進程。近幾年，我國發(fā)射的幾顆新一代北斗導航衛(wèi)星，目前在軌運行良好，證明了我國國產化能力已滿足可靠性要求。在北斗三號前期論證中，研制團隊也明確提出關鍵器部件國產化自主可控的目標。截至目前，北斗三號系統(tǒng)國產化成果豐碩：星上100多個部件達到100%國產化，十幾萬個元器件無論是從種類還是數(shù)量來說，國產化比例均超過90%，核心元器件都實現(xiàn)了自主可控。據(jù)了解，連過去極其依賴進口的行波管放大器、電源控制器等部件，在北斗三號上也實現(xiàn)了國產化。

以北斗三號的控制分系統(tǒng)為例，該分系統(tǒng)不僅具有“中國芯”——CPU BM3803，還被注入了“中國魂”——計算機操作系統(tǒng)SpaceOS2。這兩款核心產品均為中國航天科技集團公司自主研制，性能處于國際先進水平。部件和元器件的國產化作為整個北斗工程的一個重要縮影，對我國基礎工業(yè)有著極大的推動和牽引作用，同時，國家工業(yè)基礎的進步反過來也保證了北斗系統(tǒng)的順利發(fā)展。北斗三號不僅努力實現(xiàn)本身自主可控，其相關成果也在為其他型號的國產化默默發(fā)揮著積極作用。它的CPU、小型一體化星敏感器產品也將用于后續(xù)的嫦娥、神舟、高分等型號。

實現(xiàn)萬物互聯(lián)感受“身邊的北斗”

自2013年以來，北斗迎來了高速發(fā)展期，在農業(yè)、海洋漁業(yè)、民航、交通運輸、應急救援、防災減災、燃氣等各領域得到規(guī)模化應用。用航天科技集團高級技術顧問、北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)工程首任總設計師孫家棟院士的話來說：“北斗的應用，只有想不到的，沒有做不到的。”

2014年3月，馬航MH370航班失聯(lián)，安裝了北斗定位導航設備的中國海警3411船是第一個趕到失聯(lián)海域的國內公務船。此前的2008年汶川地震，北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)所特有的短報文功能迅速“上線”，為災區(qū)和外界的聯(lián)絡起到了至關重要的作用。

自從北斗二號在亞太地區(qū)布網后，漁民們可以通過配備成本更低的北斗衛(wèi)星船載終端，來代替GPS和海事衛(wèi)星電話，起到遇險求救的目的。這一應用對于遠洋運輸中的船舶定位也同樣至關重要。

在民航領域，前不久，北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)首次在中國完全自主設計并制造的支線客機——ARJ21-700飛機103架機上進行了測試試飛，試驗取得圓滿成功，正式拉開了國產衛(wèi)星導航系統(tǒng)在國產民用客機應用的序幕。

哪怕是燃氣行業(yè)都能與北斗產生聯(lián)系。北京燃氣集團依靠國家北斗精準服務網，率先在燃氣行業(yè)應用北斗，全市燃氣泄漏主動發(fā)現(xiàn)率由70%提高到90%。

孫家棟在很多場合一再強調，“北斗系統(tǒng)的重中之重在于應用。”他指出，北斗所提供的服務正進入普通百姓的生活，北斗技術早已跳脫出單一導航技術狹義范疇，成為一項平民化的高精尖技術。

大家如今離不開的共享單車中有的就安裝了北斗智能鎖，使定位更加準確。共享單車還可以用北斗三號高精度定位功能提供“電子圍欄”技術進行管理，大大降低其社會管理成本。然而在今年召開的智慧北斗精準應用峰會上，孫家棟也指出共享單車對北斗定位應用尚不充分的問題。“有的共享單車用的是GPS定位，國內新興行業(yè)都沒有使用北斗，確實有我們工作不到位的地方。”孫家棟反思道，“畢竟北斗在國內用好，才能走出國門。”

▲ 手持北斗終端機的護林員

▲ 武漢40座橋梁啟動北斗監(jiān)測安全

目前，我國已形成由芯片模塊、應用終端、運行服務構成的較為完整的北斗產業(yè)鏈。據(jù)統(tǒng)計，2016年國內導航定位終端產品總銷量突破5.3億臺，其中具有衛(wèi)星導航定位功能的智能手機銷量達5.1億臺。汽車導航后裝市場終端銷量達到800萬臺，前裝市場終端銷量突破550萬臺。北斗三號上天后，出口汽車前裝導航會更多地安裝北斗系統(tǒng)，未來是很大的市場。

不僅如此，北斗產業(yè)鏈還可以繼續(xù)延伸，從而實現(xiàn)位置服務的各種新型服務模式。實際上，“北斗+智慧城市”“北斗+智慧旅游”“北斗+智慧養(yǎng)老”已經出現(xiàn)在大眾身邊。隨著北斗系統(tǒng)與大數(shù)據(jù)、云計算、移動互聯(lián)網等信息技術的融合，“北斗+”創(chuàng)新應用更將推動生產方式和發(fā)展模式的變革。

據(jù)2016年度《中國衛(wèi)星導航與位置服務產業(yè)發(fā)展白皮書》顯示，2016年北斗產業(yè)總產值突破2000億元大關，達到2118億元。其中，包括與衛(wèi)星導航技術直接相關的芯片、器件、算法、軟件、導航數(shù)據(jù)、終端設備等在內的產業(yè)核心產值達到808億元，北斗對產業(yè)核心產值的貢獻率已達70%。“北斗產業(yè)產值很大，但要做好并不容易。”一些常年在一線衛(wèi)星應用市場打拼的從業(yè)者認為，“首先要提高北斗在國內市場的接受度。”

▲ 北斗氣象觀測終端

▲ 宿遷市泗陽縣農機局正在為秸稈還田機安裝北斗“電子眼”

▲ 運用北斗技術的無人駕駛清掃車

服務“一帶一路”成為“世界的北斗”

除了對內挖掘市場，另一個擴大北斗應用的方式就是讓北斗走出國門。“必須著力做好北斗系統(tǒng)的海內外應用推廣。”中國衛(wèi)星導航系統(tǒng)管理辦公室主任冉承其等北斗建設者們在各種北斗專業(yè)論壇上曾反復呼吁道。

已經建成的北斗二號衛(wèi)星導航系統(tǒng)是繼GPS、格洛納斯之后世界上第三個提供運行服務的衛(wèi)星導航系統(tǒng)，可服務50多個國家、30多億人口。據(jù)預測，待北斗三號全球導航系統(tǒng)建成，我國衛(wèi)星導航與位置服務產業(yè)用戶規(guī)模將成為世界第一。

我國“一帶一路”倡議為中國北斗成為“世界的北斗”，提供了極佳的渠道。2016年6月，《中國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)》白皮書發(fā)布，明確指出“衛(wèi)星導航系統(tǒng)是全球性公共資源，多系統(tǒng)兼容與互操作已成為發(fā)展趨勢。中國始終秉持和踐行‘中國的北斗，世界的北斗’發(fā)展理念，服務‘一帶一路’建設發(fā)展，積極推進北斗系統(tǒng)國際合作”。

實際上，“穩(wěn)步推進北斗系統(tǒng)走出去”早已被寫入共建“一帶一路”愿景與行動文件中。目前，北斗已經陸續(xù)走進了巴基斯坦、沙特、緬甸、埃及、印尼等“一帶一路”沿線和周邊國家。緬甸的農業(yè)、林業(yè)、土地規(guī)劃、大湄公河監(jiān)管，老撾的精細農業(yè)和病蟲災害監(jiān)測管理，文萊的智慧旅游，印尼的海上集成應用等，都有中國北斗的身影。

中國還與美國、俄羅斯、歐盟等國家開展雙邊合作，建立合作機制，同時也與各國磋商合作建設北斗/GNSS中心。北斗已成為我國對外交往的重要合作項目，顯著提升了我國的國際地位與影響力。

中國的北斗，最終的目標是服務全球、造福人類。北斗要與其他衛(wèi)星導航系統(tǒng)相互兼容、共同發(fā)展，這是我國發(fā)展北斗系統(tǒng)的一項原則。在這一原則指導下，北斗衛(wèi)星在設計建造過程中，就已考慮到對其他系統(tǒng)的兼容性。北斗、GPS、格洛納斯、伽利略等衛(wèi)星導航系統(tǒng)建成以后，全球導航衛(wèi)星將達到100顆以上。北斗全球用戶能有更多選擇，接收到更多可用的衛(wèi)星信號。北斗導航系統(tǒng)兼容、互操作的便利性，將保證全球用戶利益的最大化。

隨著推動北斗進入國際民航、海事、移動通信等標準化組織步伐加快，北斗系統(tǒng)將實現(xiàn)與其他全球導航定位系統(tǒng)的完全兼容，充分與世界接軌。而持之以恒地推動北斗國際標準化進程，也是北斗國際化的必由之路。

責任編輯：吳琳