中国北斗步入全球组网新时代

□ 崔恩慧

中国北斗步入全球组网新时代

□ 崔恩慧

11月5日19点45分，在我国西昌卫星发射中心，北斗三号首发双星在长征三号乙/远征一号运载火箭的托举下顺利升空。卫星入轨后，经测试及入网验证，可对外提供服务。本次发射的卫星也是北斗卫星导航系统的第24颗、25颗卫星。

这次北斗三号全球组网卫星首次发射取得圆满成功，开启了北斗卫星导航系统全球组网的新时代，北斗卫星导航系统“三步走”发展战略进入“最后一步”。

根据北斗卫星导航系统“三步走”发展战略，我国于2000年迈出“第一步”建成北斗卫星导航试验系统；“第二步”建成由14颗组网卫星和32个地面站天地协同组网运行的北斗二号卫星导航系统；“第三步”是到2020年前后建成由30颗左右卫星组成的北斗卫星导航全球系统，即北斗三号。这一次，北斗从区域走向了全球。

▲ 北斗三号转场 高剑 摄

北斗三号首组卫星的成功发射为其后续全球组网建设奠定了良好基础。“该系统建成后，我们在世界上任何一个地方都可以享受到北斗服务。”中国航天科技集团公司五院北斗三号卫星总设计师王平憧憬道。

据介绍，早在北斗二号正式提供区域导航定位服务前，我国就开始了北斗三号全球导航系统的论证研制工作，确定了建设独立自主、开放兼容、技术先进、稳定可靠的全球卫星导航系统的发展目标。针对全球导航服务需求，北斗三号采用了一系列创新技术，力争使该系统建成后性能与GPS等世界一流卫星导航系统相当，达到国际先进水平。

▲ 整装待发 谢奇勇 摄

技术篇

新一代铷原子钟精度大幅跃升

作为关键载荷产品的原子钟，素有“导航卫星的心脏”之称，在导航卫星上发挥着提供时间基准的作用，其准确度和稳定度将直接影响导航卫星的定位、测速和授时精度。目前，国际上导航卫星使用的原子钟主要有铷原子钟、氢原子钟、铯原子钟等，我国早期发射的北斗卫星多采用铷原子钟。

为了提高全球服务的精度，北斗三号首发双星上配置了新一代高精度铷原子钟。该铷钟体积更小、质量更轻，通过电路噪声抑制技术、温控电路改进等措施，大幅提升了关键性能指标。新一代高精度铷原子钟每天的频率稳定度比过去提高了10倍，达到世界先进水平。相对于北斗二号优于10米的定位精度，北斗三号全球导航系统的定位精度将提升1～2倍，达到2.5米～5米水平，测速和授时精度也同步提高一个量级，为北斗卫星导航系统更深入广泛的社会应用打下基础。

除了铷原子钟，北斗全球卫星导航系统的后续组网卫星上还将配置性能更高的新研国产氢原子钟。氢原子钟虽然质量和功耗比铷原子钟大，但稳定性和漂移率等指标更优。2015年，我国首次在轨应用验证氢原子钟，截至目前其功能、性能稳定，为北斗全球卫星导航系统的建设进行了技术探索。

10年以上长寿命保持连续服务

一般用户可能不会想到，每次享受北斗服务，都需要动用至少4颗导航卫星。北斗作为一个覆盖全球的系统工程，要提供连续、稳定的服务，至少需要20多颗卫星同时运行，且信号不中断。这样的特性使北斗卫星导航系统对产品可靠性的要求更为严苛。

开放的北斗卫星导航系统不仅关系着我国国家安全和经济发展，也将是为全人类提供时间坐标和空间坐标的重要基础设施。“就像停水、停电影响城市生活一样，北斗导航服务一旦中断，国家和社会的正常运行也会受到很大影响。”五院北斗三号卫星总指挥迟军说。

为提高卫星在轨服务的可靠性，北斗三号卫星的设计寿命由原来的8年提升至10～12年。更重要的是，研制队伍首次提出“保证服务不间断”的指标。目前，北斗系统非计划中断指标压缩至每年0.4次，低于国际其他卫星导航系统。在总结北斗二号经验的基础上，科研人员进一步提升了对北斗三号连续性、稳定性和可用性的要求：为卫星元器件选择设置了更高门槛，使卫星具备自主修复功能，对软件检测进行了更多保障等。

相控阵星间链路监测境外卫星

导航卫星的精度需要地面站实施测量和标定。长期以来，我国无法像美国一样在全球建立地面站。为解决境外监测卫星的难题，相较于区域卫星导航系统，北斗全球卫星导航系统的一大特色就是首次配置了星间链路。这是北斗三号提高全球导航服务质量的重要手段。所谓星间链路，就是在卫星之间搭建起通信和测量的链路。星间链路能够让我们看不见的、在地球另一面的北斗卫星，与我们头顶的北斗卫星取得联系。

北斗三号导航系统采取了星间传输、星地传输功能一体化设计，实现了高轨、中轨卫星及地面站的链路互通。目前，国际卫星导航系统中也只有GPS导航系统具备星间链路。星间链路还是北斗卫星实现自主导航的关键。自主导航是指即使地面站全部失效，北斗导航卫星也能通过星间链路提供2个月的精准定位和授时。

▲ 北斗卫星导航系统模型 刘淮宇 摄

▲ 北斗三号首发星合罩（上）北斗三号整流罩被吊上发射塔架（下） 高剑 摄

自主完好性监测提高安全系数

作为中国自己的全球导航卫星系统，北斗三号在立项之初便被赋予了更多期待。除了能提供定位、导航和授时服务以外，北斗三号还在世界上首次实现了卫星的在轨自主完好性监测功能。所谓完好性，就是当导航系统服务精度误差超限时，向用户发出及时、有效告警的能力。这一其他卫星不太考核的指标，对于重视用户体验的北斗导航卫星来说，却是极其重要的。

以航空领域为例，目前，其导航综合利用了微波导航、卫星导航等多种手段来保证飞行、着陆的安全性。在传统的卫星导航中，以往国际上所有导航卫星的完好性都是基于地面对于卫星的监测。由于北斗导航卫星的地面站较少，地面系统的全球连续完好性监测与实时告警时间一般需要数十秒到几小时。飞机偏离航线或者跑道，较难被快速发现和纠正，存在巨大安全隐患。

具备自主完好性监测功能的北斗三号能星上自主判断错误，在几秒之内向用户终端发出告警信号，终端会自动优选信号更完好的北斗卫星进行导航，避免事故的发生。这一功能对民航、自动驾驶等生命安全领域用户来说，具有极强的实用价值。

新导航信号体制在轨维护重构

卫星导航信号是导航卫星为用户提供服务的载体，决定着导航卫星系统提供的导航定位精度。为解决实际使用中遇到的导航信号定位精度不高等诸多问题，北斗三号设计了全新的导航信号体制，采用将导航测距和数据信号分离的新型调制方式进行下行导航信号生成，并在同一个频点中播发多路信号，服务于不同用户。新体制不仅兼容北斗二号导航信号，还增加了新的导航信号，能提供更优质、便捷的服务。

区别于以往的北斗导航系统，北斗三号的有效载荷系统还创新设计了强大的在轨重构功能，用来对卫星进行维护和升级。“导航信号不够用”“信号质量不好”等各种问题，都可以通过注入软件来解决。随着北斗的应用越来越广泛，用户对于导航卫星可提供的服务需求也会随之增加。到那时，只要改变有效载荷中的部分软件，就能实现新的导航功能。

3轨道卫星构型实现功能拓展

中国的北斗可以说是全世界唯一一个由3种轨道卫星构成的导航系统。北斗三号全球导航系统的卫星主要分布在中圆地球轨道（MEO），少量也分布在地球静止轨道（GEO）和倾斜地球同步轨道（IGSO）。

北斗三号首发双星作为中圆地球轨道卫星可以游走全球，是GPS等卫星导航系统使用的通用轨道；地球静止轨道一般是通信卫星使用，未来运行于该轨道的北斗卫星还可以发挥其独具特色的短报文通信和星基增强功能；倾斜地球同步轨道卫星则更侧重于区域导航。

北斗三号作为一个星座，未来发展既要向下兼容，也要向上兼容。“上下兼容”指的是北斗三号后续除了具备导航、定位、授时等基础功能，还将有增量发展方案。下一步北斗三号的导航和通信功能也会结合起来，增加卫星的搜救、全球位置报告、星基增强甚至对高轨卫星的空间导航功能。

▲ 北斗导航

应用篇

坚持自主可控建设“民族的北斗”

我国开始积极探索适合我国国情的卫星导航定位系统的技术途径和方案，始于上世纪70年代末。自2000年发射第一颗北斗导航试验卫星，到去年建成北斗二号卫星导航系统——我国首个与国际先进系统同台竞技的航天系统，历时16年时间。从有源到无源，从区域到全球，中国北斗导航卫星系统走出了一条独立自主的建设之路。

随着北斗二号卫星工程建设的圆满完成，我国从根本上摆脱了对国外卫星导航系统的依赖，彻底掌握了时空基准控制权、卫星导航产业发展主动权、国际规则制定话语权，为我国经济建设和国防安全提供了有力保障。

“国产化”三个字可谓贯穿了整个北斗卫星导航系统的研制进程。近几年，我国发射的几颗新一代北斗导航卫星，目前在轨运行良好，证明了我国国产化能力已满足可靠性要求。在北斗三号前期论证中，研制团队也明确提出关键器部件国产化自主可控的目标。截至目前，北斗三号系统国产化成果丰硕：星上100多个部件达到100%国产化，十几万个元器件无论是从种类还是数量来说，国产化比例均超过90%，核心元器件都实现了自主可控。据了解，连过去极其依赖进口的行波管放大器、电源控制器等部件，在北斗三号上也实现了国产化。

以北斗三号的控制分系统为例，该分系统不仅具有“中国芯”——CPU BM3803，还被注入了“中国魂”——计算机操作系统SpaceOS2。这两款核心产品均为中国航天科技集团公司自主研制，性能处于国际先进水平。部件和元器件的国产化作为整个北斗工程的一个重要缩影，对我国基础工业有着极大的推动和牵引作用，同时，国家工业基础的进步反过来也保证了北斗系统的顺利发展。北斗三号不仅努力实现本身自主可控，其相关成果也在为其他型号的国产化默默发挥着积极作用。它的CPU、小型一体化星敏感器产品也将用于后续的嫦娥、神舟、高分等型号。

实现万物互联感受“身边的北斗”

自2013年以来，北斗迎来了高速发展期，在农业、海洋渔业、民航、交通运输、应急救援、防灾减灾、燃气等各领域得到规模化应用。用航天科技集团高级技术顾问、北斗卫星导航系统工程首任总设计师孙家栋院士的话来说：“北斗的应用，只有想不到的，没有做不到的。”

2014年3月，马航MH370航班失联，安装了北斗定位导航设备的中国海警3411船是第一个赶到失联海域的国内公务船。此前的2008年汶川地震，北斗卫星导航系统所特有的短报文功能迅速“上线”，为灾区和外界的联络起到了至关重要的作用。

自从北斗二号在亚太地区布网后，渔民们可以通过配备成本更低的北斗卫星船载终端，来代替GPS和海事卫星电话，起到遇险求救的目的。这一应用对于远洋运输中的船舶定位也同样至关重要。

在民航领域，前不久，北斗卫星导航系统首次在中国完全自主设计并制造的支线客机——ARJ21-700飞机103架机上进行了测试试飞，试验取得圆满成功，正式拉开了国产卫星导航系统在国产民用客机应用的序幕。

哪怕是燃气行业都能与北斗产生联系。北京燃气集团依靠国家北斗精准服务网，率先在燃气行业应用北斗，全市燃气泄漏主动发现率由70%提高到90%。

孙家栋在很多场合一再强调，“北斗系统的重中之重在于应用。”他指出，北斗所提供的服务正进入普通百姓的生活，北斗技术早已跳脱出单一导航技术狭义范畴，成为一项平民化的高精尖技术。

大家如今离不开的共享单车中有的就安装了北斗智能锁，使定位更加准确。共享单车还可以用北斗三号高精度定位功能提供“电子围栏”技术进行管理，大大降低其社会管理成本。然而在今年召开的智慧北斗精准应用峰会上，孙家栋也指出共享单车对北斗定位应用尚不充分的问题。“有的共享单车用的是GPS定位，国内新兴行业都没有使用北斗，确实有我们工作不到位的地方。”孙家栋反思道，“毕竟北斗在国内用好，才能走出国门。”

▲ 手持北斗终端机的护林员

▲ 武汉40座桥梁启动北斗监测安全

目前，我国已形成由芯片模块、应用终端、运行服务构成的较为完整的北斗产业链。据统计，2016年国内导航定位终端产品总销量突破5.3亿台，其中具有卫星导航定位功能的智能手机销量达5.1亿台。汽车导航后装市场终端销量达到800万台，前装市场终端销量突破550万台。北斗三号上天后，出口汽车前装导航会更多地安装北斗系统，未来是很大的市场。

不仅如此，北斗产业链还可以继续延伸，从而实现位置服务的各种新型服务模式。实际上，“北斗+智慧城市”“北斗+智慧旅游”“北斗+智慧养老”已经出现在大众身边。随着北斗系统与大数据、云计算、移动互联网等信息技术的融合，“北斗+”创新应用更将推动生产方式和发展模式的变革。

据2016年度《中国卫星导航与位置服务产业发展白皮书》显示，2016年北斗产业总产值突破2000亿元大关，达到2118亿元。其中，包括与卫星导航技术直接相关的芯片、器件、算法、软件、导航数据、终端设备等在内的产业核心产值达到808亿元，北斗对产业核心产值的贡献率已达70%。“北斗产业产值很大，但要做好并不容易。”一些常年在一线卫星应用市场打拼的从业者认为，“首先要提高北斗在国内市场的接受度。”

▲ 北斗气象观测终端

▲ 宿迁市泗阳县农机局正在为秸秆还田机安装北斗“电子眼”

▲ 运用北斗技术的无人驾驶清扫车

服务“一带一路”成为“世界的北斗”

除了对内挖掘市场，另一个扩大北斗应用的方式就是让北斗走出国门。“必须着力做好北斗系统的海内外应用推广。”中国卫星导航系统管理办公室主任冉承其等北斗建设者们在各种北斗专业论坛上曾反复呼吁道。

已经建成的北斗二号卫星导航系统是继GPS、格洛纳斯之后世界上第三个提供运行服务的卫星导航系统，可服务50多个国家、30多亿人口。据预测，待北斗三号全球导航系统建成，我国卫星导航与位置服务产业用户规模将成为世界第一。

我国“一带一路”倡议为中国北斗成为“世界的北斗”，提供了极佳的渠道。2016年6月，《中国北斗卫星导航系统》白皮书发布，明确指出“卫星导航系统是全球性公共资源，多系统兼容与互操作已成为发展趋势。中国始终秉持和践行‘中国的北斗，世界的北斗’发展理念，服务‘一带一路’建设发展，积极推进北斗系统国际合作”。

实际上，“稳步推进北斗系统走出去”早已被写入共建“一带一路”愿景与行动文件中。目前，北斗已经陆续走进了巴基斯坦、沙特、缅甸、埃及、印尼等“一带一路”沿线和周边国家。缅甸的农业、林业、土地规划、大湄公河监管，老挝的精细农业和病虫灾害监测管理，文莱的智慧旅游，印尼的海上集成应用等，都有中国北斗的身影。

中国还与美国、俄罗斯、欧盟等国家开展双边合作，建立合作机制，同时也与各国磋商合作建设北斗/GNSS中心。北斗已成为我国对外交往的重要合作项目，显著提升了我国的国际地位与影响力。

中国的北斗，最终的目标是服务全球、造福人类。北斗要与其他卫星导航系统相互兼容、共同发展，这是我国发展北斗系统的一项原则。在这一原则指导下，北斗卫星在设计建造过程中，就已考虑到对其他系统的兼容性。北斗、GPS、格洛纳斯、伽利略等卫星导航系统建成以后，全球导航卫星将达到100颗以上。北斗全球用户能有更多选择，接收到更多可用的卫星信号。北斗导航系统兼容、互操作的便利性，将保证全球用户利益的最大化。

随着推动北斗进入国际民航、海事、移动通信等标准化组织步伐加快，北斗系统将实现与其他全球导航定位系统的完全兼容，充分与世界接轨。而持之以恒地推动北斗国际标准化进程，也是北斗国际化的必由之路。

责任编辑：吴琳