从卫星导航系统的发展看我国北斗系统的后发优势

何若枫

(国防科学技术大学人文与社会科学学院，湖南 长沙 410073)

从卫星导航系统的发展看我国北斗系统的后发优势

何若枫

(国防科学技术大学人文与社会科学学院，湖南 长沙 410073)

以美国的全球定位系统(GPS)和中国的北斗卫星导航系统为例，论述了两种卫星导航系统的发展模式并分析了从中体现出的后发优势的实质。认为后发优势主要体现为一种学习优势，而中国要进一步发展北斗系统，需要充分利用好这一优势，从而实现弯道超车。

卫星导航系统；GPS；北斗；后发优势

截至2016年，投入使用的全球卫星导航系统包括美国的全球卫星定位系统(GPS)和俄罗斯的全球卫星导航系统(GLONASS)。中国的北斗卫星导航系统提供区域无源定位导航服务，并将在2020年前建成北斗全球导航系统。欧盟研发的“伽利略”系统还处于初始部署阶段，预计最快在2020年投入使用。此外，法国、印度、日本等国也在计划发展各自的区域卫星导航系统。

美国GPS作为全球发展最完善、应用最广泛的卫星导航系统，成为了解世界卫星导航系统发展的最佳典型案例。北斗卫星导航系统作为中国自主研制的大型航天系统工程，利用后发优势、努力自主创新，形成了独特的发展模式，使得中国迅速缩小与其他国家之间的差距，成为少数拥有自主导航系统的国家。

1 北斗卫星导航系统发展模式

北斗卫星导航系统依据“先区域、后全球，先有源、后无源”的建设思路，实施“三步走”的发展战略，用较短的时间形成覆盖亚太地区的区域服务能力，建立起自主的高精度时空基准。“三步走”发展战略表明中国北斗卫星导航的发展是一种渐进式发展，螺旋式发展，遵循从无到有，从弱到强，系统逐渐成熟完善的发展路径。

1.1 国家需要与现实国情的结合

“三步走”发展战略将国家需要和现实国情阶段性匹配。以美国为例，从1973年项目立项到1995年1月美国国防部宣布具有完全作战能力，GPS计划的建设历时23年，耗资130多亿美元。若根据GPS的设计方案，不少于24颗星的星座布局和高达百亿美元的工程建设预算，对当时刚刚改革开放的中国来说，是一笔极大的开支。相对的，陈芳允提出的“双星快速定位系统”只需要两颗静止同步轨道卫星即可满足定位需求，同时地球静止同步轨道卫星提供了在本国版图内迸行长期跟踪测量的有利条件。北斗导航试验的最初立项使用的是其他卫星计划备用星的预算指标，节省了经费开支。北斗导航试验建成后，终结了中国无导航可用的历史，对于抢险救灾，渔船跟踪等方面都发挥了巨大作用。

北斗导航试验系统，解决了中国无卫星导航的问题，但缺点也相当明显，生存能力、用户容量、定位精度等都与世界主流卫星导航系统有所差距。北斗二号一期项目是区域卫星导航系统，既针对北斗导航试验系统有了大幅度的提高，又因主要服务于中国及周边地区，通过区域信号增强，提高了区域定位精度，改善了用户体验，又不需要全球布站，建设速度快，技术也在不断发展成熟。

随着中国科学技术的不断发展，人才团队力量的不断积累，经济实力的稳步提升，北斗系统发展迈进全球系统阶段，星座卫星数量提升至35颗，服务范围扩展至全球。

1.2 指标需求与技术发展的结合

北斗二号卫星导航系统的星座设计区别于其他卫星导航系统，由地球静止同步轨道、地球倾斜同步轨道、中圆地球轨道三种轨道卫星构建的混合星座。北斗区域卫星导航系统采用了5颗地球静止同步轨道卫星、5颗地球倾斜同步轨道卫星、4颗中圆地球轨道卫星共14颗卫星的星座构成；北斗全球卫星导航系统采用了5颗地球静止同步轨道卫星、27颗中圆地球轨道卫星、3颗地球倾斜同步轨道卫星共35颗卫星的星座构成。

许其凤院士将北斗卫星导航系统的星座设计比作“避短扬长”。在北斗发展全球系统的过程中，技术与现实的瓶颈制约了系统发展。由于高精度定轨需要卫星全弧段监测，在没有监测数据的情况下，定位误差将会以累加形式增长。类似GPS，对于由单一中圆地球轨道卫星构成星座，监测站必须要实现全球分布，才能满足定轨需求。另一方面，卫星定位导航依靠测距来解算定位，在光速一定的情况下，测距精度与传播时间精度成正比，卫星上的所有信号根据星载原子钟发播，因此星载原子钟的优劣直接影响卫星导航系统的定位精度。在北斗系统建设初期，中国星载原子钟技术发展相对滞后，国产星载原子钟的时间精度和频率稳定度较之美国和欧洲的原子钟还有较大差距，美国、欧洲也对中国实行原子钟禁运。监测站的布局困境和星载原子钟的技术发展困境成为了制约北斗全球卫星导航系统发展的两个关键瓶颈。

考察三种轨道卫星的星下点轨迹特性，中圆轨道卫星的星下点轨迹为地球表面逐圈向西移动的大圆，地球静止同步轨道卫星的星下点轨迹为位于赤道上的定点，地球倾斜同步轨道卫星的星下点轨迹为通过赤道的某一固定交点的“8”字。在确立国内设立监测站的情况下，对于地球静止同步轨道卫星和地球倾斜同步轨道卫星可以实现全弧段监测，而对于中圆轨道卫星，观测弧段只占全弧段的40%，对应定位精度降低。同时，在国内设立监测站，可以加强星载原子钟与地面监测站之间的时间同步，这样降低了对星载原子钟的技术要求，为中国发展高精度原子钟争取了时间。

此外，相较于中圆地球轨道卫星40%的利用率，地球静止同步轨道卫星和地球倾斜同步轨道卫星的利用率可达80%，高利用率意味着运用较少的卫星可以达到较高的效能，节约项目经费，提高性能投入比。

中国创立的由地球静止同步轨道、地球倾斜同步轨道、中圆地球轨道三种轨道卫星构建的混合星座方案，充分利用区域的有利条件，绕过发展阶段技术瓶颈，利用高利用率轨道卫星，提高了系统的性能投入比。

2 GPS发展模式

美国GPS采用了24颗星的全球系统星座构成，必须要24颗星组网成功后才能发挥卫星导航定位功能。负责领导GPS研发和建设的美国空军对GPS的效能认识不足，GPS在系统建设阶段采用的是一体化发展模式。

按照美国空军关于GPS系统的研制进度表，只有等到所有的BLOCK-Ⅱ型导航卫星全部发射部署完成之后，才会给作战部队同步配备相应的GPS接收装置，按计划24颗BLOCK-Ⅱ型导航卫星发射完成在1990年代中期。到1990年8月，伊拉克入侵科威特时，美国空军先后只发射了8颗BLOCK-Ⅱ型导航卫星，在1991年空袭行动开始前，美国空军又发射了2颗导航卫星。在这之前，利用BLOCK-Ⅰ型卫星的测试已经进行了将近10年。但美军高层并没有考虑过给部队配备使用BLOCK-Ⅰ型卫星的GPS接收装置来训练部队的联合作战能力。对应的，在伊拉克入侵科威特时，美国陆军一共才有500部试验用GPS接收装置。

海湾战争“沙漠风暴”行动正式开始之前，美国利用发射的10颗BLOCK-Ⅱ型导航卫星和在轨道上超期服役的BLOCK-Ⅰ型卫星，组成了一个不完整的GPS导航星座，可以提供每天24小时的二维导航定位服务和19小时的三维导航定位服务。在美国军方认识到GPS的巨大作用后，开始努力试图缓解军用GPS接收装置短缺的问题。解决方案是购买民用GPS接收装置。为此美国关闭了选择可用性技术以提高民用接收机的定位精度。因此，到了“沙漠盾牌”军事行动的时候，美国国防部就提前购买了数千套民用GPS接收装置装备各参战部队。截至1991年2月初，Trimble Navigation公司已经向美军提供了3000多台小型、高精度的导航设备，并正在赶制自海湾战争以来联合GPS计划办公室追加的6300台订货。Magellan系统公司也已经向美军的其他多国部队交付了大约2500台NAV1000M型手提式GPS。

因此，尽管美国国防部在海湾战争结束后的分析报告中对GPS大加赞赏，但却不得不承认这样一个令人尴尬的事实，在战争初期只有很少士兵见过GPS设备。对于大部分参战的美军部队而言，在海湾战争之前根本都没有听说过GPS系统，只是到了战争的末期，才开始接触这一新鲜事物。

GPS的高精度导航定位功能，可以使不同的作战部队之间发生偶然性火力接触的次数减少，降低了战斗协同部队的误伤概率，在“沙漠风暴”行动中，装备有GPS定位设备的作战部队的误伤事件远少于未装备GPS设备的部队。十年之后的“自由伊拉克”军事行动中，盟军作战部队借助于著名的“蓝军跟踪系统”，把发生误伤事件的几率降到了一个更加低的水平。在建立一套有效的避免发生协同部队攻击事件的训练机制方面，美军高层也没有制定明确的计划。战前日常训练的时候，可以在作战部队中推广诸如GPS系统等新技术的应用，加强各作战部队之间的配合和协同。但是，海湾战争之前，由于GPS接收装置的数量很少，很多作战部队都不知道GPS为何物，更勿论利用GPS提升作战能力。

另外，在加快推进军事技术革新、研究基于GPS系统的战术战法和缩短新技术向战斗力同步转化等方面，美国国防部同样失去了最佳的机会。空袭行动的最初几分钟内，一支名为“诺曼底”的直升机分队在执行攻击任务时，充分结合战机的性能特点，创造性的采用了新战术，利用不具备攻击能力，但装备有高精度的GPS导航设备的MH-53特种直升机和火力强大，但飞行导航和目标定位精度低的AH-64武装直升机配合。在MH-53的引导下，整个攻击分队利用夜幕作为掩护，采用低空飞行的方式，突破了伊军防线，一举摧毁了伊军的2个早期预警雷达营。这次任务的成功完成，具有非常重要的意义。因为它打开了伊军防线，使得后续一波接一波对敌军腹地的大规模轰炸任务能够顺利实施，也确保了其它作战飞机的安全。这次行动只不过是美军士兵许多大胆创新的成功战例中的一个，类似的战例还有很多。但在10年之前美国审计署的专家们评估GPS系统效能的时候，根本没有预见到这些极富创意的作战模式。其实加快军事技术变革的最佳方法，就是让一线作战部队尽早的在日常训练环境下使用这种新装备。只有这样，美军士兵才能在日后从容应对战场上的各种突发问题。

如果当初GPS系统的研制模式采用螺旋形开发方式的话，那同样也可以加快该项技术向现实战斗力转化的速度。螺旋形开发方式的基本概念就是在整个系统的研制过程中，分步骤、分阶段实施，每个阶段推出一版功能完整的系统，而且功能一版比一版更加强大。换句话说，虽然第一版系统的功能要比最终版系统的功能弱很多，但是它的完成时间却比最终版提前了许多。尽管采用螺旋形开发方式会延长最终版完成的时间，但是它可以加快新系统向应用转化的速度。而且对于美国国防部而言，如果能够尽早让作战部队试用GPS系统，哪怕是第一版原型系统，那么凭借广大官兵的想象力和创造力，必定可以通过充分挖掘和利用GPS系统的特点，摸索出一套新颖先进的战法战术，而且其中很多都将远远超出人数规模有限的GPS研发团队的预期。所以，与其等到功能强大的GPS系统最终完成后再装备部队，还不如在原型系统完成之后就让作战部队试用。因为通过积极训练摸索出的基于GPS技术的新战法，相比于刚刚接触但还不熟悉的功能强大的最终版GPS系统，它可能发挥更大的作用。

3 后发优势

后发优势是指后起国家由于其后发地位的特殊有利条件所带来的益处。这一条件在先发国家是不存在的，是与其经济的相对落后性共生的，是来自于落后本身的优势。

后发优势是中国实现自主创新战略的战略优势，同时要想后发优势转换为真正的技术上优势必须以加强自主创新来把握和实现。有学者认为，中国实现自主创新战略的5大战略优势包括巨大规模优势、产业体系优势、举国体制优势、后发优势、成本优势。

北斗在自主创新发展过程中逐渐形成了人才团队平台优势特色，人力资本已经成北斗系统发展过程中的助力。国防科技大学电子科学与工程学院卫星导航研发中心作为卫星导航系统重大专项导航技术方向专家组组长单位，同时承担了系统核心体制、卫星关键载荷、运控主体、测试设备研制等多项重大任务，它的科研团队平均年龄不到30岁。负责新一代北斗导航卫星研制的中国科学院上海微小卫星工程中心研制团队共81人，平均年龄不到31岁，80后占76%，85后占61%。美国航空航天局前局长迈克尔·格里芬曾感慨，“现在领军和主导中国航天的这些人太年轻了。”这种团队年轻化现象实际上也是中国自主创新能力建设“年轻”的最好体现。

北斗产业历经十多年培育和发展，已形成包括基础产品研发与生产、应用终端、系统集成与运维服务等较为完整的产业体系。据估计，2015 年北斗相关产业的总规模达877亿元左右，比2014 年增长48%；占中国卫星导航产业规模的33%左右。其中：在航空领域，商用航空设备市场规模为8.15亿元，通用航空设备市场规模为0.33亿元；海洋渔业规模为0.56亿元；交通运输领域的市场规模为650亿元；通信领域的产值为79.8亿元；在其它领域和运营服务业所创规模为100亿元左右。北斗产业链也在不断完善，北斗的上游产业已基本实现全面配套，进入规模化生产阶段；中游产业已部分实现规模化生产；下游产业在监测监控、数据采集、指挥调度和军事等领域已实现探索性应用。

随着人力资本水平、经济发展水平和市场化水平“三个门槛”的逐步跨越，后发国家的技术发展逐渐从完全模仿性创新到完全自主创新转变，中间经历以模仿型创新为主到以自主创新为主的过渡。中国卫星导航的发展，已经进入自主创新为主的发展阶段。在新一代北斗导航卫星的研制过程中，努力掌握技术发展的主动权，加强关键技术研发和掌握和核心设备部件“国产化”。在新一代北斗导航卫星的研制过程中，攻克和掌握了卫星载荷、卫星平台和卫星运行控制等关键技术。导航卫星上国产化部件达35项，从而使得导航卫星的部件国产化率由71%提升到98%，卫星上关键器件和部件全部实现国产化。

尽管系统的整体技术与GPS还存在一定差距，但北斗卫星导航系统在某些单项技术上已经实现了“弯道超车”。

如三频信号导航卫星，北斗是第一个全星座发播三频信号的卫星导航系统。三频信号可以更有效地消除高阶电离层延迟影响，提高定位稳定性，增强数据预处理能力，显著提高模糊度的固定效率，如果某一导航信号出现了问题，可以使用传统方法，利用两个频率进行定位，提高了定位的可靠性和抗干扰能力。

北斗二号系统在无源定位的基础上保留了北斗一号系统的有源定位功能，使得北斗二号系统可以提供RDSS和RNSS双重服务。有源定位在观测的卫星质量差、数量较少时，仍然可以定位。加之，北斗独有的短报文通信服务，扩展了北斗二号系统在紧急情况或环境恶劣地区的应用能力。据资料显示，美国计划在BLOCK-Ⅲ卫星增加数据上行功能。目前的GPS卫星均为单向数据流，用户只可接收GPS卫星发送的导航信号，依次结算自己的位置，而不能通过GPS卫星发送和传递信息。GPS三代星组网完成后，配合新的双向客户端，用户将可以短信和短数据包的形式，通过BLOCK-Ⅲ卫星发送信息。届时，GPS的用户端设备也将会和北斗卫星导航系统一样，分为单向用户(小体积、低造价、只能被动定位)和双向客户端(体积和造价略高，具备双向数据能力)。

同时，在技术发展提升后，劣势也可以逐渐转变成为优势，中国北斗系统无法在全球范围内建立监控站，在设计北斗导航卫星系统时，考虑到这一现实发展的劣势，创造性地提出了地球静止轨道、倾斜地球同步轨道、中圆地球轨道三种轨道卫星混合式星座设计方案，成功解决了境内监控的难题。与此同时，北斗系统的监控站全部设在中国境内，有助提高北斗系统的抗打击能力，提升系统的安全稳定性，这意味着境内监控成为了北斗的安全优势。

[1]陈芳允.发展我国的星基定位通信系统.中国空间科学技术,1987,(8):1-8.

[2]许其凤.认识北斗 建设北斗.中国工程科学，2014,16(8):26-32.

[3]孙梅.地面部队依靠GPS导航通过沙漠地带.航天控制，1991,(4)：48-76.

[4]郑享清.论后发优势的实质、特点及其实现机制.生产力研究，2007,(14)：74-76.

[5]赵夫增，王胜光，程郁.中国自主创新的战略问题.中国科学院院刊，2014，29(2)：158-171.

[6]邱晨辉.打造新北斗首星的年轻人.中国青年报，2015-05-15(1).

[7]樊会文.2015-2016年中国北斗导航产业发展蓝皮书.北京：人民出版社，2016：13.

[8]余泳泽.我国技术进步的路径选择研究.天津：南开大学,2012.

[9]曹冲.北斗与GNSS系统概论.北京:电子工业出版社,2016:99.

[编校〗：杨 琴]

From the Development of Satellite Navigation System to See the Advantage of Backwardness of China Beidou System

HE Ruofeng

(CollegeofHumanitiesandSocialSciences,NationalUniversityofdefensetechnology,ChangshaHunan410073)

Taking the GPS and Beidou system as an example, this paper discusses the development model of the two satellite navigation systems and analyzes the essence of the late-developing advantage. The late-developing advantage is mainly reflected in a learning advantage, and China should make full use of this advantage so as to further develop Beidou system and achieve corner overtaking.

satellite navigation system；GPS；Beidou；late-developing advantage

2016-11-15

何若枫(1989- )，女, 湖南长沙人，在读硕士研究生，研究方向为国防科技工程史。

V228.4

A

1671-9654(2016)04-049-05