北斗之光照亮中國自主導航路

申超波 /文

北京時間6 月23 日上午，國內幾乎所有媒體的目光都對準了四川大涼山腹地的中國西昌衛星發射中心。9 時43 分，萬眾期待，山呼海嘯般騰空而起的長征三號乙運載火箭底部噴射出著耀眼的尾焰，托舉著北斗三號最后一顆全球組網衛星飛向太空，約30 分鐘后，衛星順利進入預定軌道。這是北斗三號全球衛星導航系統第三顆地球同步軌道衛星，隨著該衛星在北斗三號全球組網“大棋局”的落子定盤，北斗三號30 顆組網衛星已全部到位，北斗三號全球衛星導航系統星座部署全面完成。

至此，耗時26 年、先后發射59 顆衛星的自主衛星導航系統終于建成，我國實現了衛星導航領域關鍵核心技術的自主可控，把創新發展的主動權牢牢掌握在自己手中，依賴國外導航系統的歷史一去不復返了！

從1994 年北斗一號系統工程立項到2020 年完成全球衛星導航星座部署，中國北斗走過了非凡的26載。回望26 年北斗研發路，有核心設備被卡脖子的無奈，有藍圖繪就的豪邁，有險勝頻率之戰的驚險，更有創紀錄密集發射的“北斗”速度，幾代北斗人嘔心瀝血、攻堅克難，用北斗之光照亮了中國的自主創新路。

中國衛星導航“三步走”

衛星導航系統的誕生，最早源于戰爭需求。20 世紀90 年代初的海灣戰爭讓中國意識到了GPS 系統的巨大威力。海灣戰爭中多國部隊對伊拉克各個地區進行了高密度的空襲，GPS 攻擊部隊提供了極為精確的導航，尤其是為美軍“戰斧”巡航導彈的精確打擊立下了汗馬功勞，讓這一型號的導彈名聲大噪；GPS 也提高了美軍如F-117 隱身戰斗機、F-16 戰斗機的攻擊精度，為美軍地面行動清除了不少障礙。

海灣戰爭讓一些有遠見的科學家意識到衛星導航系統的重要性。而此后發生的“銀河號”事件，則讓中國人意識到自建衛星導航系統的必要性。

1993 年7 月23 日，中國貨輪“銀河號”行駛在印度洋上，突然導航系統失去信號，船只無法繼續前行。隨行船員還以為是信號設備出了故障，結果怎么維修都無濟于事。后來才得知，原來是美國懷疑中國向伊朗輸送武器，故意停掉了該船所在海域的導航信號。

這一消息傳回國內，讓中國科學家意識到自主導航的重要性。隨后，中科院院士孫家棟找到時任國防科工委副主任的沈榮駿，稱“發展衛星導航，刻不容緩，勢在必行。”結果兩人不謀而合，聯名向國家“上書”，建議啟動中國北斗衛星導航系統。

1994 年12 月，北斗導航實驗衛星系統工程獲得國家批準。北斗導航工程的大幕正式拉開！

萬事開頭難，北斗工程剛剛上馬，不得不正視與美國的巨大差距：彼時，美國已在GPS 工程上投入了超過200 億美元，且每年維護費用高達5 億美元；但當時中國的經濟基礎仍十分薄弱，研發包括航天在內7 大領域技術的“863”計劃預算也才只有100億人民幣。

開弓沒有回頭箭！中國不會被困難嚇倒，中國人從不缺少智慧：既然不能一口吃個胖子，那就分三口吃。

于是，我國將導航衛星的建設分為三步：第一步僅覆蓋國內區域，第二步逐漸覆蓋亞太區域，第三步再覆蓋全球。這也是59 顆北斗衛星分屬北斗一號、北斗二號、北斗三號的由來——北斗一號為試驗階段，共發射了4 顆實驗衛星，覆蓋國內區域；北斗二號有14 顆組網衛星（實際上共發射了23 顆），實現亞太地區的覆蓋；北斗三號則包含30 顆組網衛星（實際發射32 顆），實現全球覆蓋。

“從國內到亞太再到全球，北斗系統建設發展的三步走方案，充分結合了中國國情，極具中國特色，彰顯了中國智慧、中國速度和中國精度，為世界衛星導航的發展貢獻了中國方案。”北斗總設計師楊長風說。

經過六年的艱苦攻關，新千年來臨，2000 年10月31 日和12 月21 日，在不到兩個月的時間內，我國相繼發射兩顆北斗導航試驗衛星，北斗一號系統建成。憑借這兩顆衛星，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。

雖然，北斗一號與GPS 依然差距明顯，北斗一號的定位精度為20 米，授時精度為單向100 納秒。相比之下，此時GPS 不僅已覆蓋全球，且民用定位精度和授時精度分別達到10 米和10 納秒級別；軍用定位甚至已經精確到1 米。但是，中國人在自主研制導航定位系統的征程上終于邁出了堅實而自信的第一步。

在2008 年的汶川地震抗震救災中，北斗一號系統就發揮了重要的作用。地震發生后，指揮中心為救援部隊緊急配備了1000 多臺“北斗一號”終端機，實現了各點位之間、點位與北京之間的直線聯絡。在災區通信沒有完全修復，信息傳送不暢的情況下，各救援部隊利用北斗一號及時準確地將各種信息發回，為指揮部指揮抗震救災提供了重要的信息支援。北斗一號系統的優秀表現堅定了我國發展更先進衛星導航系統的決心。

北斗二號險勝頻率保衛戰

挑戰接踵而來！

中國作為導航系統戰場的后來者，面臨著一個現實挑戰——缺頻率。國際電信聯盟（ITU）分配給衛星導航系統的頻率資源是有限的，這是世界上想要發展自己的衛星導航系統的國家必爭的寶貴資源，而取得合法的軌位，需要先向ITU 申報。

2000 年4 月17 日，中國向ITU 正式提出了頻率申請。

根據ITU 的規則，頻率資源要“先用先得”和“逾期作廢”，有效期以申請日期開始計算，只有7年。這意味著，中國必須在2007 年4 月18 日零點之前成功發射導航衛星有成功播發信號。而且中國不僅要和時間競賽，還和一個不容小覷的對手競爭，那就是歐洲的伽利略系統。這是因為中歐雙方雖然分別向ITU 申請了頻段，但是雙方導航系統的頻率在1164MHz～1215MHz 段內高度重合。按照IUT 的“先用先得”原則，雙方需要競爭頻率。

這就給北斗帶來了第二道時間門檻——必須比伽利略更快。

2004 年，北斗導航系統的第二步——北斗二號啟動。此時，北斗二號在進度上已比歐洲的伽利略系統晚了2年。眼看北斗進展直追伽利略計劃，因種種原因，沒占到頻率的歐洲又使出了另外一招——用核心設備限制中國。原本歐洲已經同意向中國出售導航衛星的核心設備——原子鐘，但在臨簽署合同時突然反悔。“實際上它（歐洲）是禁運，要控制這種高精尖的東西，不賣給我們。”北斗衛星導航系統總設計師楊長風在回憶這一風波時說。

那么，原子鐘在衛星導航系統里到底是起什么作用呢？簡單說，原子鐘就是導航系統的心臟，就如同一塊手表，是一種精確測量時間的時鐘，它以原子共振頻率標準來計算及保持時間的準確，這是世界上已知最準確的時間測量和頻率標準。它直接決定著衛星導航系統的精度。沒有原子鐘，就沒有校準的時間，導航衛星基本上就沒用了。

數次被“卡脖子”的北斗研發人員，終于鐵了心要攻克這一關。哪怕技術弱一點，也要把主動權牢牢攥在自己手里。按楊長風制定的目標，中國自己研發的原子鐘誤差要達到10 的-12 次方，即原子鐘每十萬年只出現一秒的誤差。

為了趕工期，北斗匯聚了中科院、航天科技、航天科工三支隊伍，同時攻關，并在基礎理論、材料、工程等領域同步進行推進。最終兩年之后，國產星載原子鐘被成功研制出來。

讓人欣喜的是，這款中國自主研發的原子鐘，性能指標比當初想買的歐洲原子鐘還要好。消息傳到歐洲人那里，此時歐洲又同意賣給中國原子鐘，而且價格還比原來降了一半。但中國仍堅持用自己的原子鐘。“我們造出了核心關鍵器部件，國產化的信心也增強了。”楊長風說。

2007 年4 月上旬，趕在頻率失效前的最后幾天，衛星被運到發射基地，搭上發射塔架。數年緊繃神經的北斗人，眼看就可以松一口氣了。衛星最后的發射日期定在4 月14 日。這個日期已經很緊張了，如果一切順利的話，該星升空并回傳信號，北斗就能趕在4 月18日頻率失效前完成頻率占用。

可是，好事總是多磨。

在發射前三天的第三次總檢查時，工作人員突然發現衛星上的應答機異常。這個應答機，相當于人們用的手機，它讓天上的衛星和地面接收站形成互聯互通。應答機壞了，衛星就不能發射無線電信號，那就拿不到合法的頻率資源。這一消息就像一盆冷水，潑在正沉浸于喜悅中的北斗人頭上。“最關鍵的時候，出了這個問題，我們非常揪心。”北斗衛星導航系統總設計師楊長風說。

由于這顆衛星帶著占領頻率資源的“使命”，只能背水一戰。北斗科研人員只有3 天的時間來解決這個問題。為了確保衛星萬無一失，研發人員在細細研究后決定對衛星“開膛破肚”。工作人員先爬上塔架打開火箭、撥開衛星，然后進去拿出有問題的應答機設備，這過程不能有絲毫的不當操作，否則其他系統受到損害麻煩將更大。

最后，應答機拿出來了，另外一個問題也來了：應答機的科研單位在上海，發射地所在的西昌彼時還沒有高速公路和機場，想在3 天內往返于西昌和上海并修復應答機，絕無可能。

在各方協調之下，北斗指揮人員決定在成都一家科研單位修復應答機。“顛簸了四五個小時，都是懷里抱著的，防止車的震動損壞應答機，像個孩子一樣保護著。”楊長風說。

工作人員終于趕在發射前將應答機裝回衛星。2007 年4 月14 日4 時11 分，這顆肩負著保頻率使命的北斗衛星成功發射。接下來的三天，十多家北斗衛星研制廠家集中在一個大操場上，把衛星信號接收機擺成一線，等待著信號的傳回。工作人員不分白天黑夜地調試地面設備，接收信號。但直到4 月17 日白天，地面站仍未收到衛星信號。

這三天，對年近50 歲的楊長風而言度日如年。“維修的那三天說句實在話，心情緊張、沉重、壓力也很大，72 小時基本上沒合眼。”他說。

17 日晚，眼看著ITU 的“七年之限”即將到期，地面信號接收機仍毫無動靜。到了晚上八點，十幾個用戶接收機界面突然跳動，北斗衛星終于下發了第一組信號。看到這一幕，“我們整個操場歡呼跳躍，同志們互相擁抱，來祝賀這個勝利。”楊長風回憶稱。

懸著的心終于落下了。

北斗二號首顆衛星圓滿完成使命，不僅成功入軌，還占到了頻率。等待了7 年的北斗衛星，最后在離ITU 的“7 年之限”不到4 個小時的時候迎來合法化。

“一說起這個場景，我就要流淚。這是一種壓力的釋放，更是完成任務的一種喜悅。這項工作關系到整個北斗系統，關系到它未來的發展。接收不到信號，就沒有現在的北斗系統。”多年后在接受媒體采訪時，楊長風回憶當時的場景仍激動不已。

在整個北斗工程中，這顆星充當著承上啟下的作用：既是前13 年努力的結晶，也為接下來13 年的建設作好鋪墊。

北斗三號沖刺全球組網

2012 年10 月25 日，第十六顆北斗導航衛星發射升空并進入預定軌道，標志著北斗二號系統星座部署完成。2012 年12 月27 日，北斗二號系統正式向亞太地區提供區域服務。北斗二號系統作為北斗系統“三步走”戰略的中的第二步，實現了承前啟后的關鍵一步。

在第二顆北斗二號衛星發射的2009 年，北斗三號也啟動了。8 年后的2017 年11 月5 日，我國成功以“一箭雙星”的方式發射2顆北斗三號中圓軌道衛星。這是北斗三號衛星的首次發射，標志著中國北斗衛星導航系統步入全球組網時代。

接下來的一年，北斗三號進入衛星高密度發射期。2018 一整年，北斗三號共發射了18 顆衛星，這在世界導航衛星史上破了先例，締造了“北斗速度”。這年的12 月27 日，中國衛星導航系統管理辦公室主任、北斗衛星導航系統新聞發言人冉承其正式對外宣布，北斗三號基本系統完成建設，開始提供全球服務。

而北斗系統依然勢頭不減，2019 年又接連發射了10 顆衛星。此次發射的最后一顆北斗組網衛星，是第32 顆北斗三號衛星，同時也是第55 顆北斗全球組網衛星。至此，整個北斗系列共發射了59 顆衛星，它們分別分布在地球靜止軌道（GEO）、傾斜地球同步軌道（IGSO）和中圓地球軌道（MEO）。在最后用以支撐北斗系統全球覆蓋的30 顆北斗三號組網衛星中，3 顆是GEO 衛星，3 顆是IGSO 衛星，24 顆是MEO 衛星。三類衛星相互配合——3 顆GEO 衛星可基本實現對中國區域的三重增強覆蓋，可降低整個星座的衛星數量，以控制成本，且GEO 衛星還具備短報文通信功能，一星多用；3 顆IGSO 衛星則可彌補GEO 衛星在高緯度地區仰角過低的問題，可對高緯度地區進行有效的信號增強；24 顆MEO 衛星則構成了北斗全球組網的核心星座，GPS、格洛納斯和伽利略導航系統的衛星均部署在該軌道上。

北斗三號系統建成后，將形成滿足我國國民生產建設需要的導航、定位、授時的系統設施。隨著應用的發展，北斗系統必將面對更多、更新、更高的需求。2035 年，我國還將建成以北斗系統為核心的綜合定位導航授時體系，屆時中國北斗將以再次升級閃耀全球。

楊長風說，我國衛星導航從無到有，從有到優，從弱到強，目前，北斗已向包括“一帶一路”沿線國家和地區的全球用戶提供連續、穩定、可靠的定位、導航和授時服務。中國的北斗已成為世界的北斗、一流的北斗，服務全球用戶。