中国科技体制下北斗导航的成长与不足

田原 张书雨

摘 要：北斗卫星导航系统是我国自主研发、独立运行的卫星导航系统，它能够提供全天候、全天时、高精度、高可靠的定位、导航、授时服务，并具备独特的短报文通信功能。20世纪70年代，为了打破美国的GPS在卫星导航领域的垄断地位，确保我国在国防、林业、渔业、运输等领域的战略安全，我国组织开展了衛星导航系统的论证和研究工作。北斗是由国家主导的大型工程，在每一次重大决策中，集体决策均充分发挥了作用。自研发至今，国家组织投入了大量的科研经费，并调用了党政军各大部门配合实施工程建设。经过40多年的努力，北斗二号区域卫星导航系统已经稳定的向我国及周边地区提供连续的定位导航授时服务。然而，伴随着这些的巨大成就，北斗卫星导航系统在全球监测、精度可靠度、用户机成本、星座稳定性等方面，都存在一些可以改进的问题和需要加强的地方。目前全球一共有4个规模较大、技术成熟的卫星导航系统，分别是GPS、GLONASS、Galileo和北斗，在未来，北斗必将面临其他卫星导航系统全面的竞争，它必须在安全性、便捷性、可靠性、精确性等方面发展处自己独特的优势。

关键词：卫星导航 科技体制 北斗 成就 发展

中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）05（b）-0021-03

早在1973年4月，美国国防部就提出了研究、创建新一代卫星导航与定位系统的计划。1991年，美国的卫星导航系统GPS首次被美国空军使用于美伊海湾战争，并在战争中展示了其卓越的性能和非凡的价值。GPS也被誉为人类继登月计划和航天飞机后在空间技术领域的又一大重大成就，是美国军方继internet之后为全球做出的另一大贡献。

卫星导航系统可以广泛的应用于国防、林业、渔业、运输、通信等关乎国计民生的重大领域，并带来极其显著的经济政治效益。因此，对于一个国家而言，拥有独立的卫星导航系统，就意味着能够摆脱美国对GPS的控制，在经济政治军事上不受美国的制约。不尽如此，正如美国拥有GPS后能对GPS使用者形成制约那样，拥有独立的卫星导航系统，便能对导航系统使用者保持某种程度的制约性。所以，尽管研制建设一个卫星导航系统需要巨大的资金和漫长的时间，那些拥有足够实力的国家和地区还是在积极发展自己的卫星导航系统。

研制建设卫星导航系统，要求在现代计算机、微处理器、固态半导体、原子钟、信号处理、大功率通信、运载火箭等领域拥有先进的技术，并且拥有强大的政治经济资源。目前，全球能够满足这一条件的，目前只有美国、欧盟、俄罗斯和中国。他们无一例外的都先后开始了独立的卫星导航系统研制建设。

北斗的系统研制建设秉持先解决有无问题，再解决好坏问题，抓住了全球卫星导航系统的核心安全问题为突破口，一期工程先解决了我国区域内独立自主导航的问题，消除了安全隐患。二期工程着手于发展高精度高质量的全球导航系统，开始与GPS竞争。

1 北斗一号的成就与问题

一个国家或地区，要发展自己的卫星导航系统，需要具备强大的政治经济科技力量。我国早在20世纪70年代就开始了导航卫星的论证和研究工作，接着在80至90年代制定并开展了被称为“北斗一号”的工程建设。工程的任务是利用少量地球静止同步轨道卫星来完成卫星导航的试验任务，并为北斗卫星导航系统的建设积累技术经验和培养人才，并开始研制建设一些地面应用基础设施设备等。

经过十几年的努力，我国在2002年正式开通运行了北斗一号试验系统，使得我国成为继美国、俄罗斯之后的第三个拥有自主卫星导航定位系统的国家。完整的北斗一号系统包括4颗地球静止同步轨道卫星和若干个地面中心站、监测站。北斗一号的用户在使用时，需要向卫星发送定位请求信号，请求信号经过卫星转发至地面站后，地面站通过数据处理，将该用户请求的结果再次通过卫星转发至用户。用户通过卫星与地面站进行交互，在这种交互中，用户被允许发送一些文字信息，这些文字信息可以根据用户要求发送至其他指定用户。

与GPS系统或GLONASS系统相比，北斗一号试验系统主要有5个特点，一是包含的卫星数量很少，二是地面监测站的分部范围较小，三是定位服务覆盖区较小，四是用户定位需要主动发送请求，五是用户之间可以进行简单交流。

北斗一号的论证时期是20世纪70年代，研制建设运行时期主要是20世纪80至90年代。北斗论证的时代背景是国家刚从十年浩劫中解脱出来，百废待举，直到1979年正式改革开放，中国才走上了一条漫长的经济复兴之路。北斗论证时期，中国的GDP总量与美国相比，如图1、图2所示，不可同日而语，这制约了北斗试验系统的规划空间和系统规模。中国不得不采用双星主动定位模式来进行卫星导航试验和验证工作。与美俄相比，我国只发射了4颗卫星用于试验，这种模式迫使地面的用户机必须具备强大的发射功率，而目前的电池技术完全无法支持这种大功耗用户机长时间工作。更严重的是，这种主动定位式导航方式会暴露用户机位置，不论军方还是民间，均无法接受这一安全问题。

可以看到，由于初期经济实力的限制，要推进卫星导航工程的研制建设，可以说是步履维艰，不断需要面对预算不够和发展不足的两难问题。北斗一代的发展之路，可以说是非常艰难的。

另一方面，由于我国外交政策中不结盟的承诺，我国在海外并没有军事基地，这使得中国的北斗无法像美国或俄罗斯的卫星导航系统一样，获得来自全球的地面监测信息。而恰恰是这些信息，能够让一个卫星导航系统拥有较高的定位精度，并积累下大量宝贵的数据用于后期周边研发。

北斗一代的成功运行，使得我国突破了美国GPS的安全枷锁，拥有了独立自主导航定位能力。但是，由于综合国力、发展经验、国家安全等限制，北斗一代的主要用户来自军队、林业、渔业、运输、探测等重大民生领域，并未能在普通居民的日常生活中发挥作用。北斗一代的信号由于安全限制，普通接收机无法将其解调得到有用的信息。而系统的运行管理、研制建设均由国家主导，集体决策。所以，北斗一代没有为民所享、为民所有、为民所治。

2 北斗二号的成就与问题

北斗二号卫星导航系统是中国在北斗一号积累的宝贵经验的基础上，独立开发的全球卫星导航系统。北斗二号并不是北斗一号的简单延伸，它克服了北斗一号系统存在的缺点，能够提供海、陆、空全方位的全球导航定位服务，类似于美国的GPS和欧洲的伽利略定位系统。根据系统研制计划，中国预计在2020年建成由30多颗卫星组成的，覆盖全球的北斗二号卫星导航定位系统。

北斗二号卫星导航系统空间段由5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成，目前可以提供被动定位导航、测速、授时和通信服务，并且在服务精度、准确度、频度上，都较北斗一号有了质的飞跃。不仅如此，和GPS相比，北斗导航系统还有如下重要特点。一是北斗导航系统由我国自主控制，而GPS系统则是由美国军方控制。GPS是由美国军方掌控的系统，其可用度受制于美国的GPS政策，可在需要的时候局部关闭GPS信号。所以对于我国而言，北斗卫星导航定位系统是真正安全可靠，能够为我国提供全天候、全天时服务的卫星导航定位系统。二是北斗导航系统卫星高度约为GPS卫星的1.8倍，接收机遮蔽角比GPS小，信号不易被接收机附近的高大物体遮蔽，北斗导航定位系统是真正适合于我国的无服务盲点的卫星导航定位系统。三是授时体制好、授时精度高，北斗地面控制中心具有多台原子钟并与国家授时中心组成北斗守时中心，为北斗系统提供高精度时间基准。北斗授时用户终端只需接收任意一颗卫星的任意一个波束信号，即可获得授时信息。四是北斗具有双向通信能力，北斗导航系统具备定位与双向通信能力可以独立完成移动目标的定位与调度功能。而GPS系统本身不具备通信能力需要和其他通讯系统结合才能实现移动目标的远程定位。

2012年12月27日，北斗系统空间信号接口控制文件正式版1.0正式公布，北斗导航业务正式对亚太地区提供无源定位、導航、授时服务。2013年12月27日，北斗卫星导航系统正式提供区域服务一周年新闻发布会在国务院新闻办公室新闻发布厅召开，正式发布了《北斗系统公开服务性能规范（1.0版）》和《北斗系统空间信号接口控制文件（2.0版）》两个系统文件。2014年11月23日，国际海事组织海上安全委员会审议通过了对北斗卫星导航系统认可的航行安全通函，这标志着北斗卫星导航系统正式成为全球无线电导航系统的组成部分，取得面向海事应用的国际合法地位。

北斗二号的研制建设阶段正值我国经济腾飞时期，所以不论在系统规划论证上还是在研制规模上，都可以立足于实际需求和未来发展来布局。这使得北斗二号能够提供全球范围的安全服务，用户可以在安全的情况下得到准确的导航信息。

然而，和北斗一号相似的是，北斗二号依然存在地面监测站数量不够的情况。北斗系统在境外依旧没有监测站，这影响了北斗卫星的及时控制，也降低了卫星监测数据的质量。

北斗二代在北斗一代完全不同，它的导航信号体制规范文件已经发布，能够支持大范围内的高精度无源导航，普通居民完全可以在日常生活中随意使用导航信号。不但如此，由于导航信号的体制文件的公布，任意接收机在接收到信号后都可以进行解调，得到自己需要的信息。可以说，北斗二代真正做到了为民所享和为民所有。但由于北斗二代是我国重要的战略设备，其运行维护一直由军方负责。同样，世界上任何一个国家的全球卫星导航系统均由军方负责。由于卫星导航系统的特殊性，为民所治永远不会发生。

北斗导航由一代到二代的巨大发展，需要大量的实质性创新成果及成功应用。北斗导航的创新模式并不是单一的某类创新。在北斗的研制建设中，我国采取的自主创新、模仿创新和合作创新三种模式都产生了明显成果。由于发达国家对我国的技术封锁，在关键的技术领域我国一没有工业基础，二没有科研经验，北斗的科研团队积极采取自主创新的工作模式，解决了大量难题，取得了成果；美国的GPS和俄罗斯的GLONASS都是成熟的全球卫星导航定位系统，科研团队根据我国具体情况，充分研究借鉴了另外两个卫星导航系统的成功之处。目前欧盟也在组织开发Galieo系统，我国也抓住机会，与欧盟合作，产生了科研成果。可以说，在北斗的研制建设中，我国根据具体问题的特点，灵活的采用了不同创新模式，顺利解决了一系列技术难题，这是北斗二代能够成功运行服务的一个重要保障。

3 北斗未来的发展方向

北斗目前的用户使用量还不如GPS多，还有巨大的经济效益没有发挥出来，北斗导航系统未来的发展，我认为有两个需要关注的方向。一是一定要解决全球建立监测站的问题；拥有全球范围的监测站，就能够为导航卫星进行及时高效的维护和修正，使得卫星导航系统一直工作在一个良好的状态中。这些都是一个卫星导航系统得到全球用户认可的必要条件。二是需要进一步提高卫星系统的智能程度；GPS已经开始发展卫星智能运行，卫星可以在地面不干预的情况下根据预设信息依然正常运行一段时间。这种智能运行模式不但极大降低了卫星导航系统的运行成本，也提高了系统的稳定程度和精确程度。

而在北斗未来的研制建设和发展中，科研创新体系也存在一系列问题。北斗的快速发展，是建立在众多国家部委和众多军队机关的配合上的。但这种多部门协作的方式也会带来三类问题。在众多平级部门之间、军方地方之间，资源的分配不均和利用率不高，创新主体定位不清，政策执行力度不够始终是一个令人遗憾的问题。

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