中國(guó)北斗的前世今生

付毅飛

“北斗系統(tǒng)已成為中國(guó)實(shí)施改革開放40年來取得的重要成就之一。”習(xí)近平主席在聯(lián)合國(guó)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)國(guó)際委員會(huì)第十三屆大會(huì)的賀電中如此評(píng)價(jià)。

回首來路，不論是先驅(qū)者“燈塔計(jì)劃”的未果而終、雙星定位系統(tǒng)概念的提出，還是北斗一號(hào)系統(tǒng)從無到有，北斗二號(hào)系統(tǒng)正式提供區(qū)域服務(wù)，再到北斗三號(hào)以昂揚(yáng)的姿態(tài)走向世界……北斗蹚出了一條獨(dú)特的發(fā)展道路，在導(dǎo)航領(lǐng)域成就了一段波瀾壯闊的東方傳奇。

如今，在浩瀚星空之中，幾十顆中國(guó)“星星”閃爍，將“光芒”灑向廣袤大地。經(jīng)過20余年努力，中國(guó)北斗工程完成了“三步走”戰(zhàn)略、發(fā)射了44顆衛(wèi)星，在天疆部署了“大棋局”，特別是北斗三號(hào)衛(wèi)星以一年19星的佳績(jī)?cè)谔罩兴⑿铝恕爸袊?guó)速度”。

“先區(qū)域、后全球”的“三步走”戰(zhàn)略

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，是國(guó)家安全和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要信息基礎(chǔ)設(shè)施，也是衡量一個(gè)國(guó)家綜合科技實(shí)力的重要標(biāo)志，以往只有少數(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家掌握這門尖端科技。2018年，我國(guó)北斗衛(wèi)星進(jìn)入密集發(fā)射期。如今，北斗衛(wèi)星正在布局全球組網(wǎng)，爭(zhēng)取到2020年可以為世界各地的人們提供全球定位、導(dǎo)航、授時(shí)、短報(bào)文等服務(wù)。

在我國(guó)開始規(guī)劃北斗藍(lán)圖時(shí)，歐美等國(guó)家就已經(jīng)完成了全球系統(tǒng)布局，但以我國(guó)當(dāng)時(shí)的國(guó)情，不能再走歐美國(guó)家的老路，必須另辟蹊徑，走一條多元融合發(fā)展的新路。

在北斗工程誕生之前，我國(guó)曾在衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域苦苦摸索，在理論探索和研制實(shí)踐方面都開展了卓有成效的工作。

立項(xiàng)于20世紀(jì)60年代末的“燈塔計(jì)劃”作為先驅(qū)者，雖然最終因技術(shù)方向轉(zhuǎn)型、財(cái)力有限等原因終止，卻如同黑夜中的一盞明燈，為后期導(dǎo)航系統(tǒng)研制積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

1983年，以陳芳允院士為代表的專家學(xué)者提出了利用兩顆地球同步軌道衛(wèi)星來測(cè)定地面和空中目標(biāo)的設(shè)想，通過大量理論和技術(shù)上的研究工作，雙星定位系統(tǒng)的概念逐步明晰。

接下來，北斗是一步跨到全球組網(wǎng)還是分階段走？當(dāng)時(shí)引發(fā)了爭(zhēng)議。最終，“先區(qū)域、后全球”的思路被確定下來，“三步走”的北斗之路由此鋪開。參與了技術(shù)路線討論的北斗一號(hào)衛(wèi)星總設(shè)計(jì)師范本堯院士后來評(píng)價(jià)說：“全球組網(wǎng)需要大量的時(shí)間和資金。當(dāng)時(shí)用戶還集中在國(guó)內(nèi)、周邊，因此‘先區(qū)域、后全球的技術(shù)途徑更符合中國(guó)國(guó)情。”

作為解決“有無”問題的第一步，北斗一號(hào)需要花小錢辦大事，驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想的正確性。1993年初，我國(guó)提出衛(wèi)星總體方案，初步確定衛(wèi)星技術(shù)狀態(tài)和總體指標(biāo)，次年研制工作全面展開。北斗一號(hào)系統(tǒng)于2003年建成，使我國(guó)成為繼美、俄之后第三個(gè)擁有自主衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的國(guó)家。

面對(duì)快速增長(zhǎng)的應(yīng)用需求，北斗二號(hào)邁開了提升性能的第二步。早在1999年，我國(guó)在研制北斗一號(hào)的同時(shí)，就展開了對(duì)第二代衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的論證。

2004年北斗二號(hào)衛(wèi)星工程正式立項(xiàng)研制，隨后導(dǎo)航系統(tǒng)工程被列入我國(guó)16項(xiàng)國(guó)家重大專項(xiàng)工程。

2012年12月27日，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正式提供區(qū)域服務(wù)，成為國(guó)際衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)四大服務(wù)商之一。

站在前兩代星座的肩膀上，北斗第三步邁得無比自信。星間鏈路、全球搜救載荷、新一代原子鐘等新“神器”閃耀亮相，整體性能大幅提升……今日之北斗已經(jīng)夢(mèng)想在握。

與國(guó)際先進(jìn)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)同臺(tái)競(jìng)技

“‘巨人對(duì)我們技術(shù)封鎖，不讓我們站在肩膀上，唯一的辦法，就是自己成為巨人。”北斗一號(hào)衛(wèi)星總指揮李祖洪說，“北斗的研制，是中國(guó)人自己干出來的。”

秉承“探索一代，研發(fā)一代，建設(shè)一代”的創(chuàng)新思路，中國(guó)北斗始終把發(fā)展的主動(dòng)權(quán)牢牢掌握在自己手中，以志不改、道不移的堅(jiān)守拼下累累碩果。

北斗一號(hào)系統(tǒng)原創(chuàng)性地提出雙星定位方法，打破國(guó)外技術(shù)壟斷，建立了國(guó)際上首個(gè)基于雙星定位原理的區(qū)域有源衛(wèi)星定位系統(tǒng)。該星座的短報(bào)文服務(wù)在國(guó)際導(dǎo)航領(lǐng)域獨(dú)一無二，在汶川地震等國(guó)家重大事件中發(fā)揮了至關(guān)重要作用。短報(bào)文服務(wù)作為北斗的特色，在后續(xù)北斗衛(wèi)星中保留了下來，為許多國(guó)家開展導(dǎo)航衛(wèi)星研制提供了啟發(fā)。

北斗二號(hào)系統(tǒng)突破了區(qū)域混合導(dǎo)航星座構(gòu)建、高精度時(shí)空基準(zhǔn)建立的關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了星載原子鐘國(guó)產(chǎn)化，并在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)混合星座區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。該系統(tǒng)建成后，其各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均與國(guó)際先進(jìn)水平相當(dāng)。中共中央、國(guó)務(wù)院、中央軍委對(duì)北斗區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建成給予了高度評(píng)價(jià)，稱“該系統(tǒng)建成并投入使用，是國(guó)家和軍隊(duì)信息化建設(shè)的重要里程碑，是對(duì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要貢獻(xiàn)”。

在北斗三號(hào)全球組網(wǎng)建設(shè)中，中國(guó)航天科技集團(tuán)五院（下簡(jiǎn)稱五院）率先提出國(guó)際上首個(gè)高中軌道星間鏈路混合型新體制，形成了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的星間鏈路網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、自主定軌、時(shí)間同步等系統(tǒng)方案，填補(bǔ)國(guó)內(nèi)空白;研發(fā)國(guó)內(nèi)首個(gè)適于直接入軌一箭多星發(fā)射的“全桁架式衛(wèi)星平臺(tái)”，實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星自主監(jiān)測(cè)和自主健康管理;實(shí)現(xiàn)了星載大功率微波開關(guān)、行波管放大器等關(guān)鍵國(guó)產(chǎn)化元器件和部組件成功應(yīng)用，打破核心器部件長(zhǎng)期依賴進(jìn)口、受制于人的局面，為全球組批研制快速組網(wǎng)建設(shè)鋪平了道路。

作為國(guó)家影響力、威懾力的象征，北斗與國(guó)際先進(jìn)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)同臺(tái)競(jìng)技，做到了“核心在手”，打破了美國(guó)GPS系統(tǒng)壟斷局面，增強(qiáng)了我國(guó)在國(guó)際導(dǎo)航領(lǐng)域的話語權(quán)和主動(dòng)權(quán)。

中國(guó)北斗的國(guó)際視野和家國(guó)情懷

“一枝獨(dú)秀不是春”，中國(guó)北斗始終具有國(guó)際視野和家國(guó)情懷。

在國(guó)家支持下，該工程牽引帶動(dòng)了數(shù)百家單位、數(shù)萬人團(tuán)結(jié)協(xié)作，早已形成“全國(guó)一盤棋”的大格局。

在航天領(lǐng)域，五院緊密結(jié)合中國(guó)國(guó)情和航天系統(tǒng)研制實(shí)踐，創(chuàng)造性地提出了一套突破關(guān)鍵技術(shù)、形成系統(tǒng)集成、確保衛(wèi)星產(chǎn)品高質(zhì)量的項(xiàng)目群管理方法，全面支撐了衛(wèi)星組批生產(chǎn)和密集發(fā)射，已成為宇航產(chǎn)品工程的新路徑、新思路。

在學(xué)科發(fā)展領(lǐng)域，北斗系統(tǒng)的研發(fā)直接帶動(dòng)了航天器總體設(shè)計(jì)、航天器動(dòng)力學(xué)、航天器環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)、空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)、航天器數(shù)字化設(shè)計(jì)等專業(yè)快速發(fā)展，促進(jìn)了導(dǎo)航星座時(shí)空基準(zhǔn)建立與維持、導(dǎo)航信號(hào)生成與傳輸、空間微放電機(jī)理與抑制、原子物理應(yīng)用等新興學(xué)科的建立。

在北斗系統(tǒng)上使用星座可靠性分析、衛(wèi)星共位、大規(guī)模集成電路空間應(yīng)用、國(guó)產(chǎn)碳纖維等大量新技術(shù)，顯著促進(jìn)了我國(guó)結(jié)構(gòu)材料、微處理計(jì)算機(jī)、微波器件、電子技術(shù)等基礎(chǔ)學(xué)科和工業(yè)的快速發(fā)展，提高了相關(guān)領(lǐng)域裝備的國(guó)產(chǎn)化水平，提升了科技產(chǎn)業(yè)對(duì)前沿技術(shù)發(fā)展的引領(lǐng)能力。

作為上游產(chǎn)業(yè)，北斗導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)既牽引了原材料、元器件、制造工藝的發(fā)展，又促進(jìn)了下游基礎(chǔ)產(chǎn)品、導(dǎo)航終端用戶產(chǎn)品和運(yùn)營(yíng)服務(wù)產(chǎn)業(yè)鏈的形成，為建設(shè)下一代信息基礎(chǔ)設(shè)施、發(fā)展現(xiàn)代信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)體系、推動(dòng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)又好又快發(fā)展作出了貢獻(xiàn)。基于衛(wèi)星導(dǎo)航定位的位置服務(wù)已成為新興產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。

推開新時(shí)代的大門，中國(guó)北斗初心不變，力爭(zhēng)2020年服務(wù)范圍覆蓋全球、2035年建設(shè)完善“更加泛在、更加融合、更加智能的綜合時(shí)空體系”。

（摘自《科學(xué)之友》2019年第7期）