北斗卫星导航系统篇

叶峰屹 高晓雷 （北京空间飞行器总体设计部）

1 概述

北斗卫星导航系统（简称北斗系统）是中国着眼于国家安全和经济社会发展需要，自主发展、独立运行的卫星导航系统，是为全球用户提供全天候、全天时、高精度的定位、导航和授时服务的国家重要空间基础设施。系统的建立将促进卫星导航产业链形成，在测绘、电信、减灾救灾等诸多领域产生显著的经济效益和社会效益，推动卫星导航在国民经济社会各行业的广泛应用。

中国空间技术研究院（简称研究院）作为中国空间事业的主力军，一直把“争当创新型国家建设排头兵”作为自己的目标，通过实施“体系引领、集成创新、专业振兴、协调共享”的创新发展策略，使创新的脚步不断加快。研究院抓总研制的国家重大科技专项北斗卫星导航系统，截至目前，已经研制发射了27颗北斗导航卫星。从北斗立项之初，我们就瞄准着世界一流的建设目标，按照北斗卫星导航系统“三步走”的发展战略，秉承“探索一代，研发一代，建设一代”的创新思路，围绕“原始创新、集成创新、自主创新”的理念，开展工程整体建设，不仅成为落实我国创新驱动发展战略的重要成果，又为加快实施这一战略提供了有益经验。

2 发展历程

我国北斗卫星导航系统建设发展的总体思路是“先区域”再“全球”，坚持“三步走”的发展战略，遵循开放性、自主性、兼容性、渐进性的建设发展特点。

北斗卫星导航系统发展路线

第一步，建设北斗一号系统（也称北斗卫星导航试验系统）。1994年，启动北斗一号系统工程建设；2000年，发射2颗地球静止轨道卫星，建成系统并投入使用，采用有源定位体制，为中国用户提供定位、授时、广域差分和短报文通信服务；2003年，发射第三颗地球静止轨道卫星，进一步增强系统性能。

研究院面对专项人才、资金短缺，关键技术薄弱，基础工业能力不足等困难，通过科学论证，确定了采用有源定位体制，进行双星导航定位的总体方案，通过研制成功新一代卫星平台，攻克三轴稳定等一系列的关键技术，使电源、测控、姿态、轨道控制、推进、热控、结构分系统能满足导航卫星的“苛刻要求”，建成了北斗导航试验系统，使我国成为世界上继美国、俄罗斯之后第三个拥有自主卫星导航系统的国家，打破了国外卫星导航领域的垄断，填补了我国卫星导航领域的空白。

第二步，建设北斗二号系统（也称北斗卫星区域导航系统）。2004年，启动北斗二号系统工程建设；2012年年底，完成14颗卫星（5颗地球静止轨道卫星、5颗倾斜地球同步轨道卫星和4颗中圆地球轨道卫星）发射组网。北斗二号系统在兼容北斗一号技术体制基础上，增加无源定位体制，为亚太地区用户提供定位、测速、授时、广域差分和短报文通信服务。针对这一阶段目标，研究院自主设计了国际上首个以GEO/IGSO卫星为主、有源与无源导航等多功能服务融合的卫星方案，攻克了以高精度星载原子钟、上行抗干扰为代表的多项关键技术，打破了国外技术封锁和垄断，建成了国际上首个由地球静止轨道、倾斜地球同步轨道、中圆地球轨道三种轨道卫星构建的混合星座区域卫星导航系统。2012年系统开通服务，服务区覆盖亚太，定位精度10m，测速精度0．2m，单向授时精度优于50ns。导航定位性能与GPS系统相当，优于GLONASS系统。

研究院不仅成功建设了北斗区域导航系统，更为重要的是通过航天科技创新，牵引、支撑了我国国防科技工业的创新发展，辐射、带动起我国国民经济相关领域、行业的技术变革。

第三步，北斗卫星全球导航系统具有星间链路和自主导航功能，系统主要特点为全球、三维、无源导航定位，系统建成后可在全球范围内提供高精度、全天候、全天时的导航、定位、授时服务，并兼具短报文通信能力。研究院对标国际科技前沿，自主研制新一代北斗导航卫星，并于2015年成功发射3颗卫星，全面验证了全新的导航信号体制、验证新型导航卫星平台，突破了星间链路等关键技术，稳扎稳打开展全球组网建设。2017年11月5日，研究院抓总研制并成功发射北斗三号第一、二颗组网卫星，开启了北斗卫星导航系统全球组网的新时代。

北斗 系统的发展特色

北斗系统的建设实践，实现了在区域快速形成服务能力、逐步扩展为全球服务的发展路径，丰富了世界卫星导航事业的发展模式。

北斗系统具有以下特点：一是北斗系统空间段采用三种轨道卫星组成的混合星座，与其他卫星导航系统相比高轨卫星更多，抗遮挡能力强，尤其低纬度地区性能特点更为明显。二是北斗系统提供多个频点的导航信号，能够通过多频信号组合使用等方式提高服务精度。三是北斗系统创新融合了导航与通信能力，具有实时导航、快速定位、精确授时、位置报告和短报文通信服务五大功能。

关键 技术

（1）高精度原子钟

高精度原子钟是北斗二号卫星的核心产品，其国产化打破了国外垄断，突破了国外技术封锁，使我国导航卫星核心部件摆脱了受制于人的困境，其技术指标达到国内领先、国际先进水平，为导航卫星提供连续、稳定、高精度的导航服务提供了时间与频率基础。

星载铷钟采用非自激型光轴运汽泡式铷频标方案，基本原理是：利用87Rb原子基态超精细能级0-0跃迁具有极窄的谱线和极稳定的中心频率的特性，通过铷原子光抽运系统和电路的作用，将量子跃迁频率的高稳定性和准确度传递给晶振，从而获得高稳定的晶振输出频率，为时频系统提供频率基准源。

星载铷原子钟提出并设计了高精度微波功率自动控制技术（ALC），有效地解决了微波功率波动造成频移的难题；采用热辐射控制和多层隔热垫技术，实现了对产品热阻的精确调整；采用多层磁屏蔽控制技术，解决了卫星环境中存在强磁力源及磁力场变化对铷钟性能影响的难题；首次采用球形铷灯结构和低温指形吸收泡，提高了铷光谱灯的稳定性；首次采用基于直接数字频率合成技术的铷钟扫描捕获辅助锁定方法，实现了快速捕获锁定。

（2）星间链路

全球卫星导航系统增加了星上自主运行功能，采用星间链路技术，设计合理的网络协议和任务规划，实现导航星座的自主运行管理，并保证导航星座星间链路长寿命、高可靠、高精度测量。

（3）导航卫星专用平台

研发了适用于导航卫星的专用平台，采用综合电子技术实现对整星的信息综合和功能控制；提出我国第一个主承力结构桁架式卫星平台方案，使卫星能够适应多种运载的一箭多星发射，确保了星座快速组网，实现了我国导航卫星平台能力的提升和跨越。该平台经与国外导航卫星对标，在载荷平台质量比、平台功率质量比及结构承载效率上均具有明显优势，达到了国际一流的水平。

（4）快速组网要求的卫星系统设计与集成技术

为保障北斗导航卫星研制、发射组网，借助多种信息化手段，完成了卫星组批研制生产的管理体系和技术体系建设，缩短了研制周期，提高了设计质量。

北斗二号卫星系统研制过程中构建了全新的组批生产与测试模式，提高了卫星研制效率，三年内完成了14颗卫星组批生产、密集发射的任务，较单星生产模式缩短研制周期近三分之一，降低研制成本近20%，实现了我国卫星研制模式由单星生产向组批生产的转型。

北斗二号组批生产面对多星并行、状态耦合、组织复杂等难题，创造性利用信息网络，实现信息共享，状态受控；首次采用一颗初样星完成GEO/MEO/IGSO三种轨道卫星的热平衡、力学试验等环境试验，缩短了研制周期，节省了研制经费。

系统 应用

随着北斗系统建设和服务能力的发展，相关产品已广泛应用于交通运输、海洋渔业、水文监测、气象预报、测绘地理信息、森林防火、通信时统、电力调度、救灾减灾、应急搜救等领域，逐步渗透到人类社会生产和人们生活的方方面面，为全球经济和社会发展注入新的活力。

北斗团队成员探讨技术细节

目前，正在运行的北斗二号系统发播B1I和B2I公开服务信号，免费向亚太地区提供公开服务。服务区为55°(S）～55°(N)、55°(E）～180°(E）区域，定位精度优于10m，测速精度优于0．2m／s，授时精度优于50ns。

国内 外对标

与GPS相比，北斗系统的优势如下：

首先是兼容互操作。这将会给用户带来很多好处，因为用户在同一时间可以收到更多导航卫星的信息，解算自己的位置、速度、时间就更加方便，同时精度也更高。北斗系统做到与其他系统兼容后，你可以在北斗信号强的时候使用北斗，用GPS来帮助你修正，辅助提高导航服务精度。

其次，GPS现在所提供的服务是无源定位，也就是说用户不需要发射任何信号，就可以免费接收卫星的信号，实现对自己位置的定位。北斗系统提供的是两种服务，一种就是跟GPS相当，可以让用户免费直接接收卫星信号；另一种是有源定位，用户可以把自己的位置报告给其他的网络或指挥控制中心，最终实现定位。北斗导航系统的目标之一就是在2020年建成有源导航定位、短报文功能，这是目前GPS，GLONASS等没有的功能。短报文功能，是卫星定位终端和北斗卫星或北斗地面服务站之间能够直接通过卫星信号进行双向的信息传递，GPS只能单向传递（终端从卫星接收位置信号），短报文功能最典型的例子就是在汶川地震过后，通讯基站遭到破坏，北斗终端通过短报文进行紧急通讯，对于抗震救灾起到了关键作用。有源定位在调度系统及指挥系统上应用非常广泛，它能实现地面快速定位。这个优势在农牧业领域中有广泛应用，比如，为了防止羊走丢，可在羊身上安装北斗系统的芯片，实时监控。

第三，用自主研发的系统更安全。任何一个系统设计，就包括现在网络都有后门，用别人的系统后门钥匙在别人手里掌握，自主研发的系统更安全放心。现在，我们卫星上的一些大的部件都是我国自主研发的。

3 未来展望

根据北斗卫星导航系统建设“三步走”的发展战略，在2020年前后，计划建成北斗全球系统，向全球提供服务。目前，研究院着手论证《2030-2050年导航卫星领域发展战略研究报告》，为今后40年我国卫星导航系统发展谋篇布局。未来，卫星导航系统正朝着高精度、高可靠性、强抗干扰能力、综合型、多元化的方向发展。在北斗全球导航卫星任务的能力基础上，研究院正对深空导航、自主导航、脉冲星导航等一大批前沿课题进行探索和研究。