北斗走向全球導航舞臺中央

9月19日，北斗衛星導航系統第37、38顆衛星，暨北斗全球衛星導航系統（北斗三號工程）第13、14顆衛星順利發射升空。

今年是北斗衛星高密度發射之年。與此同時，我國自主研制和建設的北斗衛星導航系統也進入了發展的新階段：系統性能、衛星壽命、服務精度大幅提升，提供服務的地區范圍更廣，進一步向全球衛星導航系統這個角色靠近。

上世紀80年代初，中國開始積極探索適合本國國情的衛星導航系統。2000年，初步建成北斗衛星導航試驗系統（“北斗一號”有源區域衛星導航系統，簡稱“北斗一號”系統，也有稱為“北斗一代”系統的），這標志著中國成為繼美國、俄羅斯之后世界上第三個擁有自主衛星導航系統的國家。

2012年12月27日，中國宣布北斗衛星導航區域系統（“北斗二號”無源區域衛星導航系統，簡稱“北斗二號”系統）從當日起正式提供區域服務。

2017年11月5日19時45分，在西昌衛星發射中心，長征三號乙運載火箭以“一箭雙星”方式成功發射兩顆北斗導航衛星。這兩顆衛星屬于中圓地球軌道衛星，是北斗三號第一、二顆組網衛星。這兩顆衛星的成功入軌，標志著北斗衛星導航系統全球組網開始，其定位精度提升1～2倍，將為民用用戶免費提供約10米精度的定位服務。北斗系統開始以全球衛星導航系統的姿態走向服務全球的道路。

▲ 北斗衛星

▲ 北斗導航原理

北斗一號

北斗一號的2顆工作衛星和1顆在軌備份衛星分別于2000年10月31日、12月21日和2003年5月25日成功發射，這標志著北斗一號系統正式建成。

北斗一號系統有三大功能：一是快速定位，精度為20米～100米；二是從開機到定位只需要0.7秒～2秒，實現每次120個漢字以內的短消息通信；三是實現雙向20納秒、單向100納秒的高精度授時。

值得一提的是，北斗一號的短消息通訊系統是非常有特色的?！氨倍芬惶枴庇脩魴C之間的通信不需要借助其他系統，其通信是通過衛星和中心站轉發的，可機密級加密，一戶一密，安全性高，而且不受用戶機之間的高山阻隔或距離的影響，通信速度快。這些是目前應用最為成功的地方，也是優于美國GPS的最重要功能。

GPS只解決了“我在哪里”的定位問題，只具備接收功能，而北斗解決了“你在這里、他在哪里”的問題，還具備了短訊功能。

北斗一號的局限性主要是受技術與規模的限制，服務區域和容量有限，定位精度有待提高，不具備測速功能，需要發射信號時只能為時速低于1000公里的用戶提供定位服務等。

北斗二號

北斗二號分為區域系統和全球系統。前者已于2012年全部建成，服務區內的性能與美國GPS、俄羅斯GLONASS相當，并獨具短消息通信功能。其核心地區為我國及周邊，經緯度為東經75°～135°，北緯10°～55°，定位精度為水平10米，測速精度為0.1米/秒～0.2米/秒，授時精度為單向50納秒，雙向10納秒。重點地區為東經55°～180°，南北緯55°。

北斗二號區域系統的地面運行控制系統是由1個主控站、2個時間同步/注入站和近30個監測站組成，其用戶在服務區內任何地方、任何時間都可觀測到4顆以上的衛星，保留了“北斗一號”系統的報文通信功能。

北斗二號區域系統的特點有3個：一是采取與GPS相同的單程無源測距，用戶設備可無源工作，沒有用戶容量的限制；二是在高動態應用方面與GPS完全一致；三是兼容保留北斗一號所有功能并提升其系統抗干擾性能。

北斗三號

北斗三號系統建設是我國北斗系統“三步走”發展戰略的第三步。相比北斗二號系統，北斗三號系統不僅是衛星組網從區域走向全球，同時技術更先進、建設規模更大、系統性更強。

北斗三號衛星將增加性能更優的互操作信號，在進一步提高基本導航服務能力的基礎上，按照國際標準提供星基增強服務及搜索救援服務。此外，北斗三號還采用了星載氫原子鐘，其精度將比北斗二號的星載銣原子鐘提高一個數量級。

如同停水停電會影響城市居民的生活一樣，衛星導航服務一旦失效，不僅國家的經濟運行要受到極大的影響，人們的生活也會有很大的不便，這給衛星導航系統的可靠性提出了苛刻的要求。總體而言，北斗三號具備高精度、高可靠、高保險、多功能等特點。

——高精度。在北斗二號性能的基礎上，北斗三號在設計之初，就把目標放在尚未發射的第三代GPS導航衛星以及歐洲伽利略導航系統的設計指標上。北斗三號全球導航系統的定位精度將大幅提升，能達到2.5米～5米的水平，建成后的北斗全球導航系統將為民用用戶免費提供約10米精度的定位服務和0.2米／秒的測速服務，并且將為付費用戶提供更高精度等級的服務，衛星設計壽命達10年以上。

隨著北斗地基增強系統提供初始服務，北斗三號可提供米級、亞米級、分米級，甚至厘米級的服務。屆時，中國北斗的精度將與美國GPS相媲美。

——高可靠。北斗是一個系統工程，用戶每一次享受到北斗系統的服務，都必須保證有至少4顆衛星提供服務。與此同時，北斗又是一個全球覆蓋的系統，至少需要有20余顆衛星同時提供穩定服務，這一特點決定了北斗系統對質量可靠性要求比單星更高，對產品可靠性的要求更苛刻。

此外，北斗還是一個固有屬性要求必須連續運行的系統，信號不能中斷，系統必須連續、穩定、完好、可靠。

——高保險。北斗衛星全球導航系統作為一個大型系統工程，采用多重可靠性“加固”措施，可最大限度地增強系統的保險系數。比如，系統建成后運行衛星數量大于服務必需衛星數。

同時，北斗三號衛星還采用了軟件冗余、故障自我診斷、故障自我修復等多項措施，保證系統可靠性，大大提升用戶的體驗。

▲ 北斗三號計劃

北斗未來

北斗的未來勢必要走一條融合式發展的道路，實現“北斗地基增強網+高精度位置服務網+寬帶移動互聯網”。

隨著北斗三號的全球組網建設加速，乃至最后完成全球組網，會有更多國家、更多用戶使用北斗系統，這將進一步拉動北斗應用推廣與產業化進程，帶動北斗走出國門，走向世界。

目前，北斗導航型芯片模塊銷量已突破3000萬片，高精度板卡和天線銷量已占據國內市場30%和90%的市場份額，并輸出到70余個國家和地區，其中“一帶一路”沿線國家和地區30余個。而應用于智能手機和其他消費類產品的國產芯片或IP核數量接近2200萬。

同時，北斗系統還在和互聯網、大數據、云計算等技術融合發展，實現“北斗地基增強網+高精度位置服務網+寬帶移動互聯網”互聯互通、“北斗系統+高精度遙感數字地圖+導航網格碼+云計算平臺”融合發展，以及“北斗導航+無線局域網+移動通信+衛星通信”等一體化芯片研發。

北斗星座

北斗高精度服務方面也是可圈可點，在國家北斗地基增強系統基礎上，面向大眾、觸手可及、隨需而用的公共服務正在不斷開發和提供。北斗系統增強系統包括地基增強系統與星基增強系統。

北斗地基增強系統是北斗衛星導航系統的重要組成部分，按照“統一規劃、統一標準、共建共享”的原則，整合國內地基增強資源，建立以北斗為主、兼容其他衛星導航系統的高精度衛星導航服務體系。

利用北斗/GNSS（全球導航衛星系統）高精度接收機，通過地面基準站網，利用衛星、移動通信、數字廣播等播發手段，可在服務區域內提供1米～2米、分米級和厘米級實時高精度導航定位服務。

全球導航衛星系統建設分兩個階段實施：一期為2014年- 2016年年底，主要完成框架網基準站、區域加強密度網基準站、國家數據綜合處理系統，以及國土資源、交通運輸、中科院、地震、氣象、測繪地理信息等6個行業數據處理中心等建設任務，建成基本系統，在全國范圍提供基本服務；二期為2017年- 2018年年底，主要完成區域加強密度網基準站的補充建設，進一步提升系統服務性能和運行連續性、穩定性、可靠性，具備全面服務能力。

北斗星基增強系統是北斗衛星導航系統的重要組成部分，它通過地球靜止軌道衛星搭載衛星導航增強信號轉發器，可以向用戶播發星歷誤差、衛星鐘差、電離層延遲等多種修正信息，實現對于原有衛星導航系統定位精度的改進。按照國際民航標準，開展北斗星基增強系統設計、試驗與建設，目前已完成系統實施方案論證，固化了系統在下一代雙頻多星座（DFMC）SBAS標準中的技術狀態，進一步鞏固了BDSBAS（北斗星基增強系統）作為星基增強服務供應商的地位。

通過北斗高精度，手機定位可以實現1米的定位精度，特別是在衛星信號觀測環境較差、短時間完全遮擋的情況下，手機終端通過高精度定位解決方案中的增強定位服務，可解決手機用戶在高架下、隧道、車庫等情況下無法定位的問題。

▲ 北斗星座

在共享單車的應用方面，北斗高精度定位可以實現共享單車1米精度的定位，大大減少定位誤差，方便用戶找車。

此外，北斗高精度還能提供電子圍欄，利用厘米級精度定位進行測量劃定，支持后臺對高精度定位的共享單車是否停放到規定區域做出判斷，方便引導規范停車，減少城市管理成本。

北斗衛星導航系統總設計師、中國宇航學會副理事長楊長風今年5月27日透露，為配合建設以北斗為核心、基準統一、覆蓋無縫、安全可信、高效便捷的國家綜合PNT（定位、導航、授時）體系，到2035年，中國將完成下一代北斗系統星座組網，提供體系化的PNT服務。中國國家綜合PNT體系建設重點可概括為“5+1+N”，“5”是指5大基礎設施，包括重點推進下一代北斗衛星導航系統、積極發展低軌導航增強系統、按需發展水下導航系統、大力發展慣性導航系統、積極探索脈沖星導航系統；“1”是實現1個融合發展，即加快推進北斗與以5G移動通信為代表的網絡信息體系的深度融合；“N”主要是突破一系列新興技術，包括超穩芯片級原子鐘、仿生導航技術等。到2035年，完成下一代北斗系統星座組網，建成時空信息服務的備份增強系統，部署多源融合高可信的PNT終端，完成室內、水下、太空等特殊區域的PNT技術試驗應用，完成國家綜合PNT體系建設，提供體系化的PNT服務。

日益走近全球導航舞臺中央，北斗將成為像水、電、氣一樣觸手可及、隨需而用的公共服務產品。北斗為我們生活帶來便利的同時，也在推動科技發展；在服務中國的同時，也在服務“一帶一路”沿線乃至全球國家和地區，是“中國方案”的最佳踐行者。