北斗三號順利完成全球組網

魏航

作為我國迄今為止規模最大、覆蓋范圍最廣、服務性能最高、與百姓生活關聯最緊密的巨型復雜航天系統，以及我國第一個面向全球提供公共服務的重大空間基礎設施，北斗系統歷經30多年的實踐探索，走過了一段艱辛而又偉大的發展歷程。隨著北斗三號全球衛星導航系統星座部署全面完成，北斗系統全面落地應用的意義越發重大，不但可以為關乎國計民生的各個領域保駕護航，還將直接影響到老百姓的日常生活。

30多年“三大步”

早在上世紀80年代，中國便開始探索適合國情的衛星導航系統發展道路。1983年，以“兩彈一星”元勛、中國科學院院士陳芳允為代表的專家學者提出了利用2顆地球同步軌道衛星來測定地面和空中目標的設想，通過大量理論和技術上的研究工作，雙星定位系統的概念逐步明晰。

在此基礎上，中國北斗按照“三步走”戰略 ，先有源后無源，先區域后全球，走出了一條中國特色的衛星導航系統建設道路。

第一步是建設北斗一號系統（又叫北斗衛星導航試驗系統），目標是實現衛星導航從無到有。

1994年，北斗一號系統建設正式啟動。2000年，發射2顆地球靜止軌道（GEO）衛星，北斗一號系統建成并投入使用。2003年，又發射了第3顆地球靜止軌道（GEO）衛星，進一步增強系統性能。

北斗一號系統的建成，邁出了探索性的第一步，初步滿足了中國及周邊區域的定位、導航、授時需求。當時采用的是有源定位體制，也就是說，用戶需要發射信號，系統才能對其定位，這個過程要依賴衛星轉發器，所以有時間延遲，且容量有限，滿足不了高動態的需求。但北斗一號巧妙設計了雙向短報文通信功能，這種通信與導航一體化的設計是北斗的獨創。

北斗一號的建成，使中國衛星導航系統實現了從無到有的跨越，中國成為繼美國、俄羅斯之后第三個擁有衛星導航系統的國家。

第二步是建設北斗二號系統，目標是從有源定位到無源定位，區域導航服務亞太。

2004年，北斗二號系統建設啟動。北斗二號創新構建了中高軌混合星座架構，到2012年，完成了14顆衛星的發射組網。這14顆衛星中，有5顆地球靜止軌道（GEO）衛星、5顆傾斜地球同步軌道（IGSO）衛星和4顆中圓地球軌道（MEO）衛星。

北斗二號系統在兼容北斗一號有源定位體制的基礎上，增加了無源定位體制，也就是說，用戶不用自己發射信號，僅靠接收信號就能定位，解決了用戶容量限制，滿足了高動態需求。北斗二號系統的建成，不僅服務中國，還可為亞太地區用戶提供定位、測速、授時和短報文通信服務。

第三步是建設北斗三號系統，目標是實現全球組網。

2009年，北斗三號系統建設啟動。到2020年，完成30顆衛星發射組網，全面建成北斗三號系統。這30顆衛星中，有3顆地球靜止軌道（GEO）衛星、3顆傾斜地球同步軌道（IGSO）衛星，和24顆中圓地球軌道（MEO）衛星。這次發射的衛星，是一顆地球靜止軌道（GEO）衛星，也是北斗全球衛星導航系統星座部署的收官衛星。

北斗三號系統繼承了有源定位和無源定位兩種技術體制，通過“星間鏈路”——也就是衛星與衛星之間的連接“對話”，解決了全球組網需要全球布站的問題。北斗三號在北斗二號的基礎上，進一步提升性能、擴展功能，為全球用戶提供定位導航授時、全球短報文通信和國際搜救等服務；同時在中國及周邊地區提供星基增強、地基增強、精密單點定位和區域短報文通信服務。

目前，北斗的服務由北斗二號系統和北斗三號系統共同提供，2020年后，將平穩過渡到以北斗三號系統為主提供。下一步的計劃是到2035年，建設完善更加泛在、更加融合、更加智能的國家綜合時空體系。

關鍵技術突破服務全球

目前，在全世界范圍內，能夠被稱為“全球系統”的，只有中國的北斗、美國的GPS、俄羅斯的GLONASS以及歐盟的伽利略定位系統。可以說，完善的衛星導航系統是一個國家綜合實力的展示。

相對于北斗二號區域系統，北斗三號服務區域將擴展至全球，同時，實現了下行導航信號升級與改造等關鍵技術方面的一系列重大突破，實現了與北斗二號下行導航信號的平穩過渡，并在此基礎上增加了新的導航信號，從而為用戶提供更為優質的服務。

首先是新突破實現聯通無極限。我國北斗系統不能像美國GPS那樣，在全球建立地面站，為了解決境外衛星的數據傳輸通道，航天科技集團五院北斗三號研制團隊攻克了星座星間鏈路技術，采取星間、星地傳輸功能一體化設計，實現了衛星與衛星、衛星與地面站的鏈路互通，這就是說，雖然“看不見”在地球另一面的北斗衛星，但用北斗衛星的星間鏈路同樣能與它們取得聯系。

用星間鏈路技術實現“太空兄弟間手拉手，心相通”，不僅實現了相互間的通信和數據傳輸，還能相互測距，自動“保持隊形”，可以減輕地面管理維護壓力。星間鏈路技術的應用中，設計了全新的網絡協議、管理策略和路由策略，解決了不能全球布站進行衛星境外監測的難題，是北斗全球導航系統建設的一大特色。

其次，新技術實現衛星長壽命。“北斗是一個開放的系統，中國的北斗，世界的北斗，中國發展衛星導航技術是國民經濟的重要基礎設施，也是為全人類提供時間坐標和空間坐標的基礎設施，服務的連續性和穩定性十分重要”，航天科技集團五院北斗三號衛星總指揮遲軍介紹說，就像停水停電影響城市生活一樣，衛星導航服務一旦中斷，國家和社會的正常運行會受到很大的影響，因此，對衛星導航的可靠性、連續性提出了苛刻設計的要求。為了提高衛星在軌服務的可靠性，北斗三號衛星采取了多項可靠性措施，使衛星的設計壽命達到12年，達到國際導航衛星的先進水平，為北斗系統服務的連續、穩定提供了基礎保證。

第三個是新“神器”讓服務“零誤差”。為了提高服務的精度，北斗三號配置了新一代原子鐘，通過提升原子鐘指標，提升衛星性能、改善用戶體驗。原子鐘是利用原子躍遷頻率穩定的特性保證產生時間的精準性，目前國際上主要有銣原子鐘、氫原子鐘、銫原子鐘等。我國北斗衛星采用銣原子鐘，同時還配置了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，但穩定性和漂移率等指標更優。盡管2015年我國研制的氫原子鐘才首次在軌應用驗證，為北斗全球導航系統進行了技術探索，但至今功能、性能都十分穩定。由于銣原子鐘和氫原子鐘的精度極高，使得北斗的“最強心臟”可以達到每300萬年到1000萬年才偏差1秒。

如今的北斗系統，星座中的每一顆“星”都獨具特色，都有自己的功用。北斗三號全球星座由地球靜止軌道（GEO）、傾斜地球同步軌道（IGSO）、中圓地球軌道（MEO）三種軌道衛星組成，北斗人稱這三種衛星為“北斗三兄弟”。根據三種軌道衛星名稱英文首字母的發音，又被親昵地稱作“吉星”、“愛星”和“萌星”。3顆“吉星”，3顆“愛星”，以及24顆“萌星”，共同構成了北斗三號星座大家族。每顆衛星根據各自運行軌道特點和承載功能，既各司其職，又優勢互補，共同為全球用戶提供高質量的定位導航授時服務。

“北斗應用只受制于想象力”

北斗系統第一次被人記住是在2008年汶川地震的時候。當時位于震中的映秀鎮由于地面通信信號盲區或其他通信手段全部失效，導致20多小時音訊全無，突破死亡線趕到的部隊官兵通過北斗系統第一時間發出100余字短報文，成為緊急時刻拯救生命的最后“保險索”。至今，北斗依舊是唯一可以進行短報文通信的全球衛星導航系統。

今年7月以來，受連日強降雨影響，全國多地出現洪澇災害。7月6日，湖南石門縣潘坪村雷家山地質災害隱患點突發山體滑坡，災情發生前，石門縣就已接到北斗衛星監測系統發布的橙色預警，14戶33人均已提前撤離。北斗系統在抗洪救災中又立下大功一件！

目前，北斗系統在全球范圍內實測定位精度優于5米，還可以實現實時米級、分米級、厘米級導航定位增強服務。除定位導航授時基本服務外，北斗系統還可提供包括星基增強、地基增強、短報文通信、國際搜救、精密單點定位等多元特色服務。

在實際的應用上，北斗系統目前已經在交通運輸、公共安全、農林漁業、水文監測、氣象預報、通信時統、電力調度、救災減災等領域，產生了顯著的經濟效益和社會效益。資料顯示，2019年中國衛星導航與位置服務產業總體產值達3450億元人民幣，其中北斗系統貢獻率超八成。

近年來，北斗系統不斷融入自動駕駛、民用航空、智能手機、電子商務及物流配送以及智慧農業、地理測繪等等多個方面的應用，此次北斗三號的組網完成，對于以上這些方面將產生積極的推動作用。

在北斗的高精度技術成熟后，將其運用至智能駕駛產業，可以加速推動 L3、L4 級別自動駕駛快速落地，廣義上也能推進L5級全自動駕駛破局和落地。同時，在導航定位終端方面，北斗也將為車主提供LBS、道路救援、導航、定位等服務，必然給汽車導航帶來前所未有的機遇。

在通航領域，全國目前共有300架通航飛機安裝和使用了北斗終端，實現了通用航空飛行動態信息實時監視，為通航飛行任務審批、安全監管和應急救援等工作提供了技術支撐。

在電子商務領域，物流貨車、配送員已普及應用北斗車載終端、手環，實現了車、人、貨信息的實時調度和業態優化。

作為衛星導航最大的大眾消費領域，在智能手機方面國內外主流芯片廠商均選擇推出了兼容北斗的通導一體化芯片。

目前，北斗系統已經廣泛應用到農業生產各領域，從播種到田間管理再到采收，北斗在農業生產全過程大顯身手。

此外，北斗定位與短報文通信功能，廣泛應用于防火、天然林保護、森林資源調查、病蟲害防治，氣象測報型北斗終端提升了高空氣象探空系統的觀測精度、自動化水平和應急觀測能力，多山地域水文測報信息實時傳輸提高了災情預報的準確性，為防洪調度提供重要支持。

北斗三號全球組網還將有力促進測繪和地理信息技術的發展和變革，高效助力國家坐標框架維護、快速更新。今年，北斗衛星導航系統就全方位應用于珠峰高程測量。得益于北斗數據，登頂的國產GNSS接收機測量精度大幅提高。

除此以外，北斗系統還已經在全球超過一半的國家和地區得到應用，基于北斗系統的土地確權、精準農業、智慧施工、機場授時、車輛船舶監管、智慧港口等解決方案，已在東盟、南亞、東歐、西亞、非洲等得到成功應用。

業內人士指出，從本質上看，北斗是未來萬物聯網的重要傳感器之一。而一旦北斗衛星與5G、物聯網、工業互聯網等“新基建”技術方向互聯融合，將徹底變革國內通信網絡設施形態，并且為人工智能、數據中心、智算中心等新基建提供精準的時空信息。這種技術上的深度融合，也將為大眾消費領域帶來大規模的商業創新。

對此，北斗人自信滿滿：“衛星導航定位系統的應用只受制于想象力！”