北斗之光照亮中国自主导航路

申超波 /文

北京时间6 月23 日上午，国内几乎所有媒体的目光都对准了四川大凉山腹地的中国西昌卫星发射中心。9 时43 分，万众期待，山呼海啸般腾空而起的长征三号乙运载火箭底部喷射出着耀眼的尾焰，托举着北斗三号最后一颗全球组网卫星飞向太空，约30 分钟后，卫星顺利进入预定轨道。这是北斗三号全球卫星导航系统第三颗地球同步轨道卫星，随着该卫星在北斗三号全球组网“大棋局”的落子定盘，北斗三号30 颗组网卫星已全部到位，北斗三号全球卫星导航系统星座部署全面完成。

至此，耗时26 年、先后发射59 颗卫星的自主卫星导航系统终于建成，我国实现了卫星导航领域关键核心技术的自主可控，把创新发展的主动权牢牢掌握在自己手中，依赖国外导航系统的历史一去不复返了！

从1994 年北斗一号系统工程立项到2020 年完成全球卫星导航星座部署，中国北斗走过了非凡的26载。回望26 年北斗研发路，有核心设备被卡脖子的无奈，有蓝图绘就的豪迈，有险胜频率之战的惊险，更有创纪录密集发射的“北斗”速度，几代北斗人呕心沥血、攻坚克难，用北斗之光照亮了中国的自主创新路。

中国卫星导航“三步走”

卫星导航系统的诞生，最早源于战争需求。20 世纪90 年代初的海湾战争让中国意识到了GPS 系统的巨大威力。海湾战争中多国部队对伊拉克各个地区进行了高密度的空袭，GPS 攻击部队提供了极为精确的导航，尤其是为美军“战斧”巡航导弹的精确打击立下了汗马功劳，让这一型号的导弹名声大噪；GPS 也提高了美军如F-117 隐身战斗机、F-16 战斗机的攻击精度，为美军地面行动清除了不少障碍。

海湾战争让一些有远见的科学家意识到卫星导航系统的重要性。而此后发生的“银河号”事件，则让中国人意识到自建卫星导航系统的必要性。

1993 年7 月23 日，中国货轮“银河号”行驶在印度洋上，突然导航系统失去信号，船只无法继续前行。随行船员还以为是信号设备出了故障，结果怎么维修都无济于事。后来才得知，原来是美国怀疑中国向伊朗输送武器，故意停掉了该船所在海域的导航信号。

这一消息传回国内，让中国科学家意识到自主导航的重要性。随后，中科院院士孙家栋找到时任国防科工委副主任的沈荣骏，称“发展卫星导航，刻不容缓，势在必行。”结果两人不谋而合，联名向国家“上书”，建议启动中国北斗卫星导航系统。

1994 年12 月，北斗导航实验卫星系统工程获得国家批准。北斗导航工程的大幕正式拉开！

万事开头难，北斗工程刚刚上马，不得不正视与美国的巨大差距：彼时，美国已在GPS 工程上投入了超过200 亿美元，且每年维护费用高达5 亿美元；但当时中国的经济基础仍十分薄弱，研发包括航天在内7 大领域技术的“863”计划预算也才只有100亿人民币。

开弓没有回头箭！中国不会被困难吓倒，中国人从不缺少智慧：既然不能一口吃个胖子，那就分三口吃。

于是，我国将导航卫星的建设分为三步：第一步仅覆盖国内区域，第二步逐渐覆盖亚太区域，第三步再覆盖全球。这也是59 颗北斗卫星分属北斗一号、北斗二号、北斗三号的由来——北斗一号为试验阶段，共发射了4 颗实验卫星，覆盖国内区域；北斗二号有14 颗组网卫星（实际上共发射了23 颗），实现亚太地区的覆盖；北斗三号则包含30 颗组网卫星（实际发射32 颗），实现全球覆盖。

“从国内到亚太再到全球，北斗系统建设发展的三步走方案，充分结合了中国国情，极具中国特色，彰显了中国智慧、中国速度和中国精度，为世界卫星导航的发展贡献了中国方案。”北斗总设计师杨长风说。

经过六年的艰苦攻关，新千年来临，2000 年10月31 日和12 月21 日，在不到两个月的时间内，我国相继发射两颗北斗导航试验卫星，北斗一号系统建成。凭借这两颗卫星，中国成为继美国、俄罗斯之后世界上第三个拥有自主卫星导航系统的国家。

虽然，北斗一号与GPS 依然差距明显，北斗一号的定位精度为20 米，授时精度为单向100 纳秒。相比之下，此时GPS 不仅已覆盖全球，且民用定位精度和授时精度分别达到10 米和10 纳秒级别；军用定位甚至已经精确到1 米。但是，中国人在自主研制导航定位系统的征程上终于迈出了坚实而自信的第一步。

在2008 年的汶川地震抗震救灾中，北斗一号系统就发挥了重要的作用。地震发生后，指挥中心为救援部队紧急配备了1000 多台“北斗一号”终端机，实现了各点位之间、点位与北京之间的直线联络。在灾区通信没有完全修复，信息传送不畅的情况下，各救援部队利用北斗一号及时准确地将各种信息发回，为指挥部指挥抗震救灾提供了重要的信息支援。北斗一号系统的优秀表现坚定了我国发展更先进卫星导航系统的决心。

北斗二号险胜频率保卫战

挑战接踵而来！

中国作为导航系统战场的后来者，面临着一个现实挑战——缺频率。国际电信联盟（ITU）分配给卫星导航系统的频率资源是有限的，这是世界上想要发展自己的卫星导航系统的国家必争的宝贵资源，而取得合法的轨位，需要先向ITU 申报。

2000 年4 月17 日，中国向ITU 正式提出了频率申请。

根据ITU 的规则，频率资源要“先用先得”和“逾期作废”，有效期以申请日期开始计算，只有7年。这意味着，中国必须在2007 年4 月18 日零点之前成功发射导航卫星有成功播发信号。而且中国不仅要和时间竞赛，还和一个不容小觑的对手竞争，那就是欧洲的伽利略系统。这是因为中欧双方虽然分别向ITU 申请了频段，但是双方导航系统的频率在1164MHz～1215MHz 段内高度重合。按照IUT 的“先用先得”原则，双方需要竞争频率。

这就给北斗带来了第二道时间门槛——必须比伽利略更快。

2004 年，北斗导航系统的第二步——北斗二号启动。此时，北斗二号在进度上已比欧洲的伽利略系统晚了2年。眼看北斗进展直追伽利略计划，因种种原因，没占到频率的欧洲又使出了另外一招——用核心设备限制中国。原本欧洲已经同意向中国出售导航卫星的核心设备——原子钟，但在临签署合同时突然反悔。“实际上它（欧洲）是禁运，要控制这种高精尖的东西，不卖给我们。”北斗卫星导航系统总设计师杨长风在回忆这一风波时说。

那么，原子钟在卫星导航系统里到底是起什么作用呢？简单说，原子钟就是导航系统的心脏，就如同一块手表，是一种精确测量时间的时钟，它以原子共振频率标准来计算及保持时间的准确，这是世界上已知最准确的时间测量和频率标准。它直接决定着卫星导航系统的精度。没有原子钟，就没有校准的时间，导航卫星基本上就没用了。

数次被“卡脖子”的北斗研发人员，终于铁了心要攻克这一关。哪怕技术弱一点，也要把主动权牢牢攥在自己手里。按杨长风制定的目标，中国自己研发的原子钟误差要达到10 的-12 次方，即原子钟每十万年只出现一秒的误差。

为了赶工期，北斗汇聚了中科院、航天科技、航天科工三支队伍，同时攻关，并在基础理论、材料、工程等领域同步进行推进。最终两年之后，国产星载原子钟被成功研制出来。

让人欣喜的是，这款中国自主研发的原子钟，性能指标比当初想买的欧洲原子钟还要好。消息传到欧洲人那里，此时欧洲又同意卖给中国原子钟，而且价格还比原来降了一半。但中国仍坚持用自己的原子钟。“我们造出了核心关键器部件，国产化的信心也增强了。”杨长风说。

2007 年4 月上旬，赶在频率失效前的最后几天，卫星被运到发射基地，搭上发射塔架。数年紧绷神经的北斗人，眼看就可以松一口气了。卫星最后的发射日期定在4 月14 日。这个日期已经很紧张了，如果一切顺利的话，该星升空并回传信号，北斗就能赶在4 月18日频率失效前完成频率占用。

可是，好事总是多磨。

在发射前三天的第三次总检查时，工作人员突然发现卫星上的应答机异常。这个应答机，相当于人们用的手机，它让天上的卫星和地面接收站形成互联互通。应答机坏了，卫星就不能发射无线电信号，那就拿不到合法的频率资源。这一消息就像一盆冷水，泼在正沉浸于喜悦中的北斗人头上。“最关键的时候，出了这个问题，我们非常揪心。”北斗卫星导航系统总设计师杨长风说。

由于这颗卫星带着占领频率资源的“使命”，只能背水一战。北斗科研人员只有3 天的时间来解决这个问题。为了确保卫星万无一失，研发人员在细细研究后决定对卫星“开膛破肚”。工作人员先爬上塔架打开火箭、拨开卫星，然后进去拿出有问题的应答机设备，这过程不能有丝毫的不当操作，否则其他系统受到损害麻烦将更大。

最后，应答机拿出来了，另外一个问题也来了：应答机的科研单位在上海，发射地所在的西昌彼时还没有高速公路和机场，想在3 天内往返于西昌和上海并修复应答机，绝无可能。

在各方协调之下，北斗指挥人员决定在成都一家科研单位修复应答机。“颠簸了四五个小时，都是怀里抱着的，防止车的震动损坏应答机，像个孩子一样保护着。”杨长风说。

工作人员终于赶在发射前将应答机装回卫星。2007 年4 月14 日4 时11 分，这颗肩负着保频率使命的北斗卫星成功发射。接下来的三天，十多家北斗卫星研制厂家集中在一个大操场上，把卫星信号接收机摆成一线，等待着信号的传回。工作人员不分白天黑夜地调试地面设备，接收信号。但直到4 月17 日白天，地面站仍未收到卫星信号。

这三天，对年近50 岁的杨长风而言度日如年。“维修的那三天说句实在话，心情紧张、沉重、压力也很大，72 小时基本上没合眼。”他说。

17 日晚，眼看着ITU 的“七年之限”即将到期，地面信号接收机仍毫无动静。到了晚上八点，十几个用户接收机界面突然跳动，北斗卫星终于下发了第一组信号。看到这一幕，“我们整个操场欢呼跳跃，同志们互相拥抱，来祝贺这个胜利。”杨长风回忆称。

悬着的心终于落下了。

北斗二号首颗卫星圆满完成使命，不仅成功入轨，还占到了频率。等待了7 年的北斗卫星，最后在离ITU 的“7 年之限”不到4 个小时的时候迎来合法化。

“一说起这个场景，我就要流泪。这是一种压力的释放，更是完成任务的一种喜悦。这项工作关系到整个北斗系统，关系到它未来的发展。接收不到信号，就没有现在的北斗系统。”多年后在接受媒体采访时，杨长风回忆当时的场景仍激动不已。

在整个北斗工程中，这颗星充当着承上启下的作用：既是前13 年努力的结晶，也为接下来13 年的建设作好铺垫。

北斗三号冲刺全球组网

2012 年10 月25 日，第十六颗北斗导航卫星发射升空并进入预定轨道，标志着北斗二号系统星座部署完成。2012 年12 月27 日，北斗二号系统正式向亚太地区提供区域服务。北斗二号系统作为北斗系统“三步走”战略的中的第二步，实现了承前启后的关键一步。

在第二颗北斗二号卫星发射的2009 年，北斗三号也启动了。8 年后的2017 年11 月5 日，我国成功以“一箭双星”的方式发射2颗北斗三号中圆轨道卫星。这是北斗三号卫星的首次发射，标志着中国北斗卫星导航系统步入全球组网时代。

接下来的一年，北斗三号进入卫星高密度发射期。2018 一整年，北斗三号共发射了18 颗卫星，这在世界导航卫星史上破了先例，缔造了“北斗速度”。这年的12 月27 日，中国卫星导航系统管理办公室主任、北斗卫星导航系统新闻发言人冉承其正式对外宣布，北斗三号基本系统完成建设，开始提供全球服务。

而北斗系统依然势头不减，2019 年又接连发射了10 颗卫星。此次发射的最后一颗北斗组网卫星，是第32 颗北斗三号卫星，同时也是第55 颗北斗全球组网卫星。至此，整个北斗系列共发射了59 颗卫星，它们分别分布在地球静止轨道（GEO）、倾斜地球同步轨道（IGSO）和中圆地球轨道（MEO）。在最后用以支撑北斗系统全球覆盖的30 颗北斗三号组网卫星中，3 颗是GEO 卫星，3 颗是IGSO 卫星，24 颗是MEO 卫星。三类卫星相互配合——3 颗GEO 卫星可基本实现对中国区域的三重增强覆盖，可降低整个星座的卫星数量，以控制成本，且GEO 卫星还具备短报文通信功能，一星多用；3 颗IGSO 卫星则可弥补GEO 卫星在高纬度地区仰角过低的问题，可对高纬度地区进行有效的信号增强；24 颗MEO 卫星则构成了北斗全球组网的核心星座，GPS、格洛纳斯和伽利略导航系统的卫星均部署在该轨道上。

北斗三号系统建成后，将形成满足我国国民生产建设需要的导航、定位、授时的系统设施。随着应用的发展，北斗系统必将面对更多、更新、更高的需求。2035 年，我国还将建成以北斗系统为核心的综合定位导航授时体系，届时中国北斗将以再次升级闪耀全球。

杨长风说，我国卫星导航从无到有，从有到优，从弱到强，目前，北斗已向包括“一带一路”沿线国家和地区的全球用户提供连续、稳定、可靠的定位、导航和授时服务。中国的北斗已成为世界的北斗、一流的北斗，服务全球用户。