中國航天發展史（三）

杜駿豪

為什么要建設北斗

在北斗之前，全球使用最為廣泛的導航系統是美國20世紀70年代開始研制，1994年正式建成的全球定位系統，也就是我們熟知的GPS。GPS經過幾十年的建設已經非常成熟，使用成本也十分低廉。但是，GPS本質上是美國軍方的定位系統，其最核心的功能是不可能對我國開放的。若是一個國家沒有自己的衛星導航系統，那么在軍事領域便處于被動地位——如果戰爭發生，美國將這一地區的GPS突然關閉，會使該地區陷入無助的混亂之中，不少依賴GPS定位的導彈、飛機會在瞬間失靈，變成無頭蒼蠅。這并非危言聳聽，類似的場景已經在1999年印巴軍事沖突等事件中發生過了，所以建設我國自己的衛星導航系統十分必要。

我國在1994年正式啟動北斗一號系統工程建設，并于2000年10月31日發射了北斗一號衛星的第一顆，隨后在同年12月、2003年5月和2007年2月發射了其余三顆北斗一號衛星，初步建成了覆蓋全中國的初級導航系統，向特殊用戶開放授時和定位功能。

與此同時，歐盟也意識到沒有自己的衛星導航系統將會受制于人，1999年終于下定決心建設自己的衛星導航系統——伽利略，打破美國GPS的壟斷，并邀請中國加入該計劃。當時中國的衛星技術還比較薄弱，因此我國對與歐盟的合作非常期待，希望能通過合作學到一些衛星領域的核心技術。然而，在我國提供了2.7億美元的科研經費后，卻遭到歐盟方面的排擠，很多核心技術的研究都把中國排除在外。最終在2007年，歐盟正式把我國從伽利略項目中排除出去。

我國再次感受到了自力更生的重要性，下定決心要建設完全具有中國自主知識產權的全新衛星導航系統，北斗二號應運而生。北斗二號實現了覆蓋亞太地區的無源定位，在技術上比伽利略系統更為先進，令歐盟震驚不已。時至今日，我國已經建成了覆蓋全球的無源定位系統——北斗三號，達到了與GPS比肩的世界頂尖水平。

導航衛星的基本原理

簡單來說，導航的主要目的就是為了確定“幾點了”以及“我在哪兒”。為了解決這兩個問題，導航衛星分為“有源定位”與“無源定位”兩種基本技術手段。其中，北斗一號屬于有源定位，北斗二號與北斗三號屬于無源定位。

兩種定位的基本原理都是“解方程組”。衛星會以電磁波的方式不斷發射自己的位置坐標（經度、維度、海拔高度）和時間。如果是有源定位，用戶接收到信號后可以給衛星回復信號，這樣一來一去的時間乘以光速，就可以計算出用戶到衛星的距離，幾顆衛星同時計算，就可以得出用戶的準確位置。如果是無源定位，用戶一般沒有向衛星回復信息的能力，那如何計算呢？這就需要每一顆衛星都有非常統一的時鐘，接收設備接收到每一顆衛星的坐標和時間，電腦就會了解到多顆衛星的坐標和這些衛星信號到達接收設備的時間差，把這些數據代入方程，就可以計算出準確的坐標和時間了。

衛星都運行在確定的軌道上，因此經度、緯度和海拔高度都可以較簡單地確定。那么時間應當如何確定呢？我們日常生活中使用的手表或者手機里的時鐘是不行的，因為這些鐘表的精度達不到定位需求。在衛星導航系統中，1微秒（百萬分之一秒）的時間誤差將導致300米的距離誤差，真可謂差之毫厘，謬以千里。能夠滿足衛星定位的時鐘非“原子鐘”莫屬——最好的銫原子鐘可以達到2000萬年相差1秒的極高精度。

北斗一號

在研制北斗一號的年代，我國的原子鐘技術還比較落后，只能依賴進口。但是進口的原子鐘價格高昂，精度也不夠理想。受限于預算不足，北斗一號只能采取有源定位技術。

有源定位技術首先需要擁有原子鐘的地面總站向衛星發送具有時間信息的第一段信號，而后衛星向用戶轉發帶有時間信息的第二段信號，收到信號的用戶向導航衛星回復第三段信號，收到回復的衛星向地面總站轉發第四段信號，地面總站收到信號之后就可以計算出總的信號傳輸時間，利用光速計算用戶與衛星的距離，最終告知用戶的具體位置。簡單來看，信號的傳輸流程為：地面總站→衛星→用戶→衛星→地面總站→用戶。這種定位方式里，衛星與用戶需要兼具發射信號與接收信號的功能，因此衛星能夠一次性處理的信號較少，再加上用戶需要使用的能發射信號的終端設備較為昂貴，所以難以向公眾推廣。此外，該技術需要進行多次數據傳輸，定位速度慢、精度較低，定位精度在100米左右。

北斗一號總共發射了四顆衛星，都位于地球靜止軌道（GEO）。在這種軌道上能夠保持與地面（特別是地面總站）相對靜止，使數據處理量降低。雖然北斗一號的總體技術水平較低，覆蓋范圍小、定位精度一般、用戶數量有限制，但是它成功打破了美國GPS的技術壟斷，使我國建成了覆蓋全國的初級衛星導航系統。在2008年汶川地震后的抗震救災中，北斗一號起到了不可替代的作用。如今，北斗一號已經完成了歷史使命，功成身退。

北斗二號

2004年，我國啟動了北斗二號系統工程建設。目前已經成功發射了20顆衛星，其中6顆為試驗和備份衛星，其余14顆衛星仍在役。這20顆衛星中包含了8顆地球靜止軌道（GEO）衛星、7顆傾斜地球同步軌道（IGSO）衛星和5顆中圓地球軌道（MEO）衛星。與美國的GPS、俄羅斯的格洛納斯、歐盟的伽利略三大定位系統相比，北斗二號同時采用了三種不同軌道的衛星搭配，而其余三者只有一種。

北斗二號使用了更為先進的無源定位技術，這項技術要求每一顆衛星都擁有原子鐘。2006年9月，“實踐八號”衛星攜帶著約215千克種子和一臺國產銣原子鐘飛向太空，這臺屬于中國的銣原子鐘工作一切正常，為北斗二號按時升空奠定了堅實的技術基礎。在攻克一系列技術難關后，2007年4月14日，首顆北斗二號衛星搭載著四枚國產銣原子鐘發射升空，這四枚銣原子鐘就是北斗二號的心臟。此后，一枚枚火箭托舉著一顆顆擁有中國心的衛星直沖藍天，我國逐步建立起覆蓋亞太地區的無源定位系統。

在無源定位技術中，每顆衛星都攜帶著高精度原子鐘，因此無須建設地面總站，其處理機制比有源定位技術簡潔快速。如果在太空中同時有多顆衛星，這些衛星就可以不斷向地面發射信號：我的時間是多少、我的位置在哪里。而后地面的手機、汽車、軍用設備等終端就可以接到所有衛星的信號，通過分析信號的時間差，計算出與衛星的距離。最少只需要四顆衛星，就可以列出四個方程，從而求解時間、經度、緯度、海拔高度這四個未知數。因為只需要地面用戶終端接收衛星信號，所以理論上來說，無源定位技術可以為無數終端提供定位服務。

北斗二號的定位精度達到了國際先進水平，除此之外，還具備了短報文通信服務，一次可傳送多達120個漢字的信息——別看僅有短短的一百多字，在地震、洪澇等災害發生后，地面的手機信號完全中斷的情況下，北斗的短報文通信服務將會是最有力的對外聯絡通道。

北斗三號

2009年，北斗三號工程啟動。截至2020年6月23日，我國成功完成了5顆北斗三號試驗衛星和30顆北斗三號衛星的發射組網工作，已經全面建成了北斗三號系統。

與北斗二號類似，北斗三號也包含了三種不同軌道的衛星：3顆地球靜止軌道（GEO）衛星、5顆傾斜地球同步軌道（IGSO）衛星（包含2顆試驗星）和27顆中圓地球軌道（MEO）衛星（包含3顆試驗星）。從地球上來看，這三種軌道的形態各異：GEO衛星與地面保持相對靜止，IGSO衛星在亞洲上方畫著大大的“8”，MEO衛星則每天繞地球飛行2圈。

在北斗二號的基礎上，北斗三號配備了更高性能的星載銣原子鐘和氫原子鐘，與北斗二號協同合作，通過3顆GEO衛星播發精密單點定位信號，使定位精度提高到水平方向優于20厘米，垂直方向優于35厘米，測速精度優于0.2米/秒，授時精度優于20納秒。目前，北斗三號已經全天候為全球提供授時與定位服務，步入世界一流行列。后續，我國還將繼續發射北斗三號的備份星，進一步提高北斗三號的穩定性與精確性。在短報文通信服務方面，北斗三號相較北斗二號也有了質的提升，最大單次報文長度可以達到1000個漢字。

如今，北斗三號已經為全球一百多個國家與地區提供服務，影響了我們生活的方方面面：在日常生活領域，北斗系統提供的手機導航已經成為我們日常出行不可或缺的工具;在自動駕駛領域，北斗系統為自動駕駛汽車提供了高精度、安全可靠的定位服務;在自然災害預警領域，通過在易滑坡的山區地帶布設北斗終端，檢測山體的微小變形，可以預測山體滑坡、泥石流等重大災害，提前疏散群眾。2020年7月6日，湖南省常德市石門縣雷家山發生特大型山體滑坡，300萬立方米的山體向山村崩塌而去，房屋與道路在幾秒鐘內被埋，卻沒有造成一人傷亡，在這背后北斗系統功不可沒。有了北斗系統的預警，受災地區的群眾才能提前撤離，人民群眾的生命財產安全才能得到保障。

“北斗”這樣一個充滿詩意的名字背后，是中國航天人自強不息的精神。在不斷的努力之下，中國已經成為世界上第三個獨立擁有全球衛星導航系統的國家。全球已經有120多個國家和地區正在使用北斗衛星導航系統。可以預見的是，北斗衛星導航系統在我國建設社會主義現代化強國的過程中，在與“一帶一路”沿線合作伙伴的團結協作中，在推動共建人類命運共同體的歷程中將大有作為！