中國為什么必須有“北斗”

榮智慧

對北半球的國家來說，“北斗”意味著黑夜里識別方向最顯眼的標志。中國的“北斗”衛星導航系統，也終將發揮這樣的作用，無論是黑夜，還是白天，它們將成為中國人觀察世界的“眼睛”。

6月23日9時43分，中國在西昌衛星發射中心用長征三號乙運載火箭，成功發射北斗系統第55顆導航衛星。至此，中國“北斗三號”全球衛星導航系統星座部署提前半年全面完成。

自1994年“北斗一號”系統工程立項至今，中國用26年的時間實現了59顆北斗衛星（包括55顆北斗導航衛星和4顆北斗導航試驗衛星）的發射。

對北半球的國家來說，“北斗”意味著黑夜里識別方向最顯眼的標志——大熊星座里七顆明亮的恒星，組成一把北天中心的“勺子”。中國的“北斗”衛星導航系統，也終將發揮這樣的作用，無論是黑夜，還是白天，它們將成為中國人觀察世界的“眼睛”。

三代歷程

北斗衛星導航系統（簡稱北斗系統或BDS）是中國自主建設、獨立運行的一個衛星導航系統，能為全球用戶提供全天候、全天時、高精度的定位、導航和授時服務。

北斗系統（BDS）、美國全球定位系統（GPS）、俄羅斯全球導航衛星系統（GLONASS）和歐盟伽利略定位系統（Galileo），合稱全球衛星導航系統四大核心供應商。

北斗系統迄今共有三代，其中第一代也被稱為“北斗衛星導航試驗系統”，第二代開始的北斗系統被正式稱為“北斗衛星導航系統”。

北斗一號系統（第一代北斗系統）由三顆衛星提供區域定位服務。從2000年開始，該系統主要在中國境內提供導航服務。2012年12月，北斗一號的最后一顆衛星壽命到期，北斗衛星導航試驗系統停止運作。

北斗二號系統（第二代北斗系統）是一個包含16顆衛星的全球衛星導航系統，分別為6顆靜止軌道衛星、6顆傾斜地球同步軌道衛星、4顆中地球軌道衛星。2012年11月，第二代北斗系統開始在亞太地區為用戶提供區域定位服務。

北斗三號系統（第三代北斗系統）由三種不同軌道的衛星組成，包括24顆地球中圓軌道衛星（覆蓋全球），3顆傾斜地球同步軌道衛星（覆蓋亞太大部分地區）和3顆地球靜止軌道衛星（覆蓋中國）。北斗三號于2018年提前開放了北斗系統的全球定位功能。2020年6月23日，北斗三號最后一顆全球組網衛星順利進入預定軌道，發射任務取得圓滿成功。

北斗三號系統已經覆蓋“一帶一路”國家，2020年完成建設提供全球定位服務，2035年將建成以北斗為核心的綜合定位、導航、授時體系。

保證安全

第一代北斗系統，是在“海灣戰爭”的“刺激”下誕生的。1991年，以美軍為主的多國部隊在GPS的帶領下，迅速穿過被伊拉克軍隊視為禁地的沙漠地區，打了伊拉克一個措手不及。

最初，不少軍事專家都預測打成一場雙方僵持不下的“持久戰”，然而，戰爭以美軍42天的空襲加上100小時的地面作戰收尾，伊拉克軍隊全面潰敗。

美國軍隊加上GPS，就相當于開了“上帝視角”，海陸空力量的指揮控制、部隊調動、物資保障、戰場救援和精確制導武器發射，都如身使臂、如臂使指。

國防安全，首先要保證有一雙“太空中的眼睛”。這是北斗系統的重要使命所在：哪怕花費巨大，也要自行研發。

蘇聯1976年開始組建格洛納斯衛星導航系統，1995年時建成由24顆衛星組成的衛星星座，第一次實現衛星信號的全球覆蓋。2002年，歐盟批準建設伽利略衛星導航系統。后續的維護費用動輒數十億歐元。

美國的GPS就是一個以軍用為主的衛星導航系統，所有權、控制權、運營權都屬于美國國防部。其他國家的民用用戶不可避免地擔心，美國軍方可以隨時剝奪其他人使用衛星的權利。

而且GPS通常精度不夠。GPS包含軍碼和民碼兩種信號，二者精密級別不同，前者是毫米級別，后者是分米級別。美國軍方就曾對GPS發布的民用信號進行干擾，降低民用信號提供精度，保護信息安全。

無論如何，“放衛星”這條路都要自己走。

除此之外，導航衛星發射上天的前提是，國家必須要申請合法的軌道位置和頻率資源——這才是稀有資源，而且美國的GPS和俄羅斯的格洛納斯衛星導航系統“先到先得”，占去了80%的“黃金導航頻段”。

直到2000年，中國才在國際電聯組織爭取到了暫時的軌道位置和頻率資源。更緊張的是，《無線電規則》對衛星頻率和軌道做的充分解釋和分配方式中有一條規定：申請者在7年內必須使用該頻率，否則收回。

2007年4月14日，首顆北斗二號衛星成功發射，4月17日傳回了信號——距離國際電聯規定的失效期限僅剩不到4個小時。

民用趨勢

很多人都在開車時，聽到導航軟件說"GPS信號弱”，這就是衛星導航最常見的用處之一。如果沒有衛星導航，汽車業很難“火爆”，旅游業也將少了“自駕游”這一重要份額，“路癡”在大城市生活的難度也大大提高。

在電網系統，想要實現全電網的時間源統一、時間源相互備份，建立集中統一的電力系統時間同步系統，是很重要的事情。

推進電力自動化，故障測距裝置、同步相量測量裝置、雷電定位系統、電子式互感器的合并單元等對時間同步精度要求在1微秒內，沒有衛星導航系統的“授時性”，就沒法保證時間的精確和一致，電網安全也得不到保障。

時間的精確這么重要嗎？

確實。因為導航的核心是時間測量。在由導航衛星搭建的星地坐標系中，每個星座都有自己的坐標信息，通過測量我們與星座問的距離，就能解算出我們在該坐標系的位置。在信號傳播速度（光速）已知的前提下，時間測量越精密，位置解算就越精確。

在衛星導航系統中，1納秒（十億分之一秒）的時間誤差將導致0.3米的距離誤差。要實現如此精密的時間測量，只有原子鐘能做到。原子鐘的計時表現為一種電磁波形式，通常聽不見，只有通過微波信號處理技術才能輸出。更重要的是，原子鐘是導航衛星的心臟，如果原子鐘有1秒誤差，就意味著衛星定位會偏離30萬公里。

北斗三號衛星上配置的新一代國產原子鐘，精度比北斗二號上的原子鐘高出一個數量級，據稱300萬年只有1秒的誤差。就是說，從南方古猿開始到2020年的今天，原子鐘的誤差也只有1秒。

汶川地震救災時，北斗一代設備發出了來自震區的第一條消息。中國渤海、黃海、東海、南海等海域的數萬條漁船都已經裝上了北斗終端。中國的各個超級工程，比如港珠澳大橋，都是靠衛星定位建設，展現“中國速度”。世界主流手機芯片大都支持北斗系統;共享單車配裝北斗系統實現定位管理;支持北斗系統的手表、手環、交通卡早已成了生活中的必需品。

夏季正是夜觀銀河的好時候。當你抬頭看見“北斗七星”時，記得天空上還有“北斗”在默默守望。