北斗“天眼”瞰世界

文｜彭训文

“认星先从北斗来，由北往西再展开。”小时候，父母总是教孩子辨认北斗星，只要找到了北斗星，即使在野外迷路也能找到回家的方向。

如今，当人们抬头仰望夜空时，也许很少有人知道，一颗新的“北斗星”正在天空闪耀——2015年3月30日，我国成功发射首颗新一代北斗导航卫星。

这颗卫星是我国发射的第17颗北斗导航卫星，也是北斗系统全球组网的首发星，其发射成功具有里程碑意义——它标志着我国北斗卫星导航系统建设迈出了由区域运行向全球拓展的第一步，开启了实现2020年全球组网的新征程。

为人类贡献了“司南”的中华民族，如今通过“北斗”，傲然屹立于世界导航先锋之林——“北斗”已成为继美国GPS、俄罗斯格洛纳斯、欧盟伽利略之后的全球第四大导航系统。

那么，从研制到问世，北斗导航系统都经历了哪些蝶变？它又将如何在2020年实现导航全球的目标？

三大自主创新

北斗系统全球组网首发星甫一亮相，就引发了国人的强烈关注，这颗新一代卫星，凝聚着无数航天人在研制过程中的自主创新。

首先是首次实现星间链路。我国前期的导航卫星之间并没有导航通信链路。从这颗首发星开始，北斗导航卫星都将实现星间链路，多颗卫星将互联在一起，实现卫星之间的信息传输和交换，从而实现北斗卫星的自主导航。

那么，为什么要进行卫星互联呢？

“目前各导航系统严重依赖地面站支持，如果遭遇自然灾害、战争，这些导航系统将毫无用处。”上海微小卫星工程中心副总设计师沈学民表示，通过星间链路组网，即使失去地面支持，导航卫星仍然能生存相当一段时间，用互相测距的方法进行定位；在常规状态下，星间链路还有助于提高定位精度，使北斗系统的精度达到与GPS相当的水平。

其次是高精度。由此前的10米定位到现在的2.5米定位，这是这颗首发星实现的一大飞跃。其中的关键，是新信号体制的运用。信号体制为什么要不断更新呢？这是因为未来一段时间，新老北斗导航卫星将在太空中共同运行，这就需要既能兼容过去的版本、又能带来更高的性能的新信号体制。

最后是“减肥强身”。卫星绝非越重越好，小型化、轻量化都是未来导航卫星的方向。由于首发星更换了全新的平台，采用了框架面板式轻量化构型设计，这使其在重量上比“哥哥辈”的北斗卫星轻了一半（约0.8吨），体态更加轻盈小巧。同时，这颗首发星的“身体”更加硬朗。它采用的铷原子钟、大功率微波放大器、“龙芯”CPA等95%的关键部件均为国产，未来的国产化率将达100%，质量更为优异。

以被誉为卫星导航定位系统“心脏”的铷原子钟为例，为解决确定铷原子含量与铷钟寿命问题，北斗导航卫星系统总设计师谢军养成一个持续多年的习惯：定期到研制单位查看铷量消耗评价试验，确定星载铷钟的充铷量安全范围，预估铷钟寿命。正是依靠无数航天人多年如一日的艰苦攻关，新一代高精度星载铷原子钟终于研制成功，它不仅体型更小，而且性能提高了一个数量级，实现了铷原子钟技术的自主可控。

“该卫星采用全新导航卫星专用平台，集多项新技术于一身，将开展新型导航信号体制、星间链路等试验验证工作，为北斗卫星导航系统全球组网建设提供依据。”沈学民说。

2015年3月30日，我国成功发射首颗新一代北斗导航卫星——这标志着我国北斗卫星导航系统建设迈出向全球拓展的第一步，开启了实现2020年全球组网的新征程

逐梦“北斗”二十载

提到卫星导航，人们首先可能会想到生活里经常用到的、美国研制的GPS。那么，我国为何还要建设自己的北斗导航系统呢？

“发展自己的卫星导航系统，就是为了在关键时刻不受制于人。”曾任解放军总参谋部测绘局局长、我国北斗计划的创始人之一卜庆君说，早在1996年台湾海峡局势紧张时，我国军队的一次大规模军事演习便曾受到GPS信号人为中断的干扰。

全球四大卫星导航系统

正是出于国家安全的考虑，世界各大国与国家集团开始考虑对策，由此诞生了俄罗斯的格洛纳斯、欧盟的伽利略等卫星导航定位系统。从上世纪80年代末开始，我国科学家开始致力于研制自己的“GPS”。

1994年，中国本土的卫星导航系统——北斗计划，经过8年的论证后正式立项。该计划主要依据我国科学家陈芳允提出的与GPS不同的双星定位理论而制定的，这是我国因经济基础薄弱而提出的“低调”卫星导航梦想。

计划实施之初，技术、经费、人才、包括办公条件等都十分困难。这些研究浩瀚宇宙的科学家甚至没有一间像样的办公室。北斗系统副总设计师谭述森戏称，办公只能“打游击”。

然而，办法总比困难多。最终，科学家们硬是在美国的GPS之外，研究出了北斗系统的诸多创新功能。例如北斗系统独有的短报文通信（采用摩斯信号代码进行无线电报通信）功能，使用户之间可以互相联系。汶川地震时，在常规通信中断的情况下，各个救援队就是依靠该功能实现了信息联系，实时传递最新灾情，最大限度地保证了救援工作的顺利进行。

2000年，两颗北斗导航试验卫星发射。2003年，我国第一代卫星导航试验系统正式开通运行，双星定位理论实现区域导航定位成为世界首创。

2004年，北斗卫星导航区域系统工程正式立项。此后3年时间里，北斗在解决覆盖范围有限、用户数量受限、定位精度不高、不适用于高速移动的用户等方面进行了大量科技攻关。

2007年，首颗中圆轨道卫星发射成功，拉开了北斗区域导航系统建设的序幕。随后，我国以难以置信的速度，密集发射多颗卫星、快速组网，并在2012年以16颗卫星为依托，全面完成覆盖亚太大部分区域导航的系统建设。

近几年，北斗导航系统则在定位精度和稳定性上不断取得进步。目前的总体定位精度优于10米，授时精度优于20纳秒，测速精度每秒0.2米。近日，我国科研人员利用北斗/GPS双系统四频率接收机的定位分析判定，北至天津、南至南极内陆昆仑站之间的地区，北斗系统信号质量总体与美国GPS相当。

而拟于2018年底前建成的全国范围的北斗区域加密网基准站网络，将使我国的实时定位服务达到米级/分米级以及区域厘米级。

北斗导航，导航全球

目前，北斗系统正在稳步实施第三步规划——全球组网。到2020年，北斗将发射5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星，成为一个向全球提供服务的卫星导航系统。

在这一过程中，实现快速全球组网和不断开拓北斗的国际应用，将是北斗全球扩张的“两条腿”。

一方面，积极推动北斗系统地面站的建设。据了解，北斗卫星导航系统首个海外组网项目——巴基斯坦国家位置服务网（CORS）一期工程，已于2014年顺利完成。该网覆盖整个卡拉奇地区，实时定位精度达到2厘米，后处理精度5毫米，为巴基斯坦提供实时可靠的北斗高精度定位服务。而我国在俄罗斯境内的3个北斗系统地面站、南极北斗系统基准站等也在谈判、论证当中。

另一方面，北斗系统正在积极进入国际民航、国际海事、移动通信等国际组织。去年底，国际海事组织海上安全委员会正式将北斗系统纳入全球无线电导航系统。这意味着继美国的GPS和俄罗斯的格洛纳斯后，中国的导航系统已成为第三个被联合国认可的海上卫星导航系统，也标志着我国北斗全球化应用迈出了坚实的第一步。今年3月，北斗系统与欧洲伽利略卫星导航系统频率协调达成一致意见。

有专家表示，目前正在进行的“一带一路”建设是推动北斗系统应用推广的重要契机。通过信息联网、精确位置、指挥监控等，北斗系统可以让更多国家和公众感受到其独有的特色与优势，最终实现在这些国家的落地。

“中国的北斗，世界的北斗。”从这个意义上来说，北斗服务全球之路才刚刚开始。

（来源：《人民日报》海外版 责任编辑/余风）

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北斗系统的“十八般武艺”

北斗卫星导航系统除了能在国家安全领域发挥重大作用外，还能提供监控救援、信息采集、精确授时和导航通讯等服务，可广泛应用于船舶运输、公路交通、铁路运输、海上作业、渔业生产、水文测报、森林防火、环境监测等众多行业。

短报文让人迅速获救。“短报文”功能是北斗导航系统的一大亮点，用户可以通过终端发送一条长度为120个字的信息，及时向外界告知位置信息。比如：在沙漠、山区、荒野等人烟稀少的手机信号盲区实施抢险救援时，受困者及救援人员能通过短报文及时报告所处位置和灾情，有效缩短救援搜寻时间，提高抢险救援时效。

智能导航及交通管理。2014年，我国北斗导航产业产值超过100亿元人民币；在智能手机领域，2014年三星、华为都推出了具备北斗定位功能的手机；在车载导航领域，国内外已有20多个品牌、200多款车型的北斗车载导航仪走向市场。除了导航外，通过车辆上安装的卫星导航接收机和数据发射机，车辆位置信息能在几秒钟内自动转发到中心站，为道路交通管理提供数据，从而减缓交通阻塞，监管公车私用，监控危险品运输。

“北斗手表”永不校时。向地球报告最精确的时间，是卫星导航系统的主要功能之一。目前，只要在手表里安装相关的芯片即可实现通过北斗来授时。“北斗手表”的时间精度为千万分之一秒，而且永远不需要校时。

渔业和畜牧业管家。北斗系统目前最大的民用领域是海洋渔业，应用终端在海洋渔业领域的入网用户已超过一万。系统能即使发布天气预报和预警，提供渔业信息，对渔船实施动态监控，帮助进行应急救援和防台救灾。在青海省青海湖地区，牧民通过使用北斗导航终端机，还实现了“智能放牧”。