北斗三号顺利完成全球组网

魏航

作为我国迄今为止规模最大、覆盖范围最广、服务性能最高、与百姓生活关联最紧密的巨型复杂航天系统，以及我国第一个面向全球提供公共服务的重大空间基础设施，北斗系统历经30多年的实践探索，走过了一段艰辛而又伟大的发展历程。随着北斗三号全球卫星导航系统星座部署全面完成，北斗系统全面落地应用的意义越发重大，不但可以为关乎国计民生的各个领域保驾护航，还将直接影响到老百姓的日常生活。

30多年“三大步”

早在上世纪80年代，中国便开始探索适合国情的卫星导航系统发展道路。1983年，以“两弹一星”元勋、中国科学院院士陈芳允为代表的专家学者提出了利用2颗地球同步轨道卫星来测定地面和空中目标的设想，通过大量理论和技术上的研究工作，双星定位系统的概念逐步明晰。

在此基础上，中国北斗按照“三步走”战略 ，先有源后无源，先区域后全球，走出了一条中国特色的卫星导航系统建设道路。

第一步是建设北斗一号系统（又叫北斗卫星导航试验系统），目标是实现卫星导航从无到有。

1994年，北斗一号系统建设正式启动。2000年，发射2颗地球静止轨道（GEO）卫星，北斗一号系统建成并投入使用。2003年，又发射了第3颗地球静止轨道（GEO）卫星，进一步增强系统性能。

北斗一号系统的建成，迈出了探索性的第一步，初步满足了中国及周边区域的定位、导航、授时需求。当时采用的是有源定位体制，也就是说，用户需要发射信号，系统才能对其定位，这个过程要依赖卫星转发器，所以有时间延迟，且容量有限，满足不了高动态的需求。但北斗一号巧妙设计了双向短报文通信功能，这种通信与导航一体化的设计是北斗的独创。

北斗一号的建成，使中国卫星导航系统实现了从无到有的跨越，中国成为继美国、俄罗斯之后第三个拥有卫星导航系统的国家。

第二步是建设北斗二号系统，目标是从有源定位到无源定位，区域导航服务亚太。

2004年，北斗二号系统建设启动。北斗二号创新构建了中高轨混合星座架构，到2012年，完成了14颗卫星的发射组网。这14颗卫星中，有5颗地球静止轨道（GEO）卫星、5颗倾斜地球同步轨道（IGSO）卫星和4颗中圆地球轨道（MEO）卫星。

北斗二号系统在兼容北斗一号有源定位体制的基础上，增加了无源定位体制，也就是说，用户不用自己发射信号，仅靠接收信号就能定位，解决了用户容量限制，满足了高动态需求。北斗二号系统的建成，不仅服务中国，还可为亚太地区用户提供定位、测速、授时和短报文通信服务。

第三步是建设北斗三号系统，目标是实现全球组网。

2009年，北斗三号系统建设启动。到2020年，完成30颗卫星发射组网，全面建成北斗三号系统。这30颗卫星中，有3颗地球静止轨道（GEO）卫星、3颗倾斜地球同步轨道（IGSO）卫星，和24颗中圆地球轨道（MEO）卫星。这次发射的卫星，是一颗地球静止轨道（GEO）卫星，也是北斗全球卫星导航系统星座部署的收官卫星。

北斗三号系统继承了有源定位和无源定位两种技术体制，通过“星间链路”——也就是卫星与卫星之间的连接“对话”，解决了全球组网需要全球布站的问题。北斗三号在北斗二号的基础上，进一步提升性能、扩展功能，为全球用户提供定位导航授时、全球短报文通信和国际搜救等服务；同时在中国及周边地区提供星基增强、地基增强、精密单点定位和区域短报文通信服务。

目前，北斗的服务由北斗二号系统和北斗三号系统共同提供，2020年后，将平稳过渡到以北斗三号系统为主提供。下一步的計划是到2035年，建设完善更加泛在、更加融合、更加智能的国家综合时空体系。

关键技术突破服务全球

目前，在全世界范围内，能够被称为“全球系统”的，只有中国的北斗、美国的GPS、俄罗斯的GLONASS以及欧盟的伽利略定位系统。可以说，完善的卫星导航系统是一个国家综合实力的展示。

相对于北斗二号区域系统，北斗三号服务区域将扩展至全球，同时，实现了下行导航信号升级与改造等关键技术方面的一系列重大突破，实现了与北斗二号下行导航信号的平稳过渡，并在此基础上增加了新的导航信号，从而为用户提供更为优质的服务。

首先是新突破实现联通无极限。我国北斗系统不能像美国GPS那样，在全球建立地面站，为了解决境外卫星的数据传输通道，航天科技集团五院北斗三号研制团队攻克了星座星间链路技术，采取星间、星地传输功能一体化设计，实现了卫星与卫星、卫星与地面站的链路互通，这就是说，虽然“看不见”在地球另一面的北斗卫星，但用北斗卫星的星间链路同样能与它们取得联系。

用星间链路技术实现“太空兄弟间手拉手，心相通”，不仅实现了相互间的通信和数据传输，还能相互测距，自动“保持队形”，可以减轻地面管理维护压力。星间链路技术的应用中，设计了全新的网络协议、管理策略和路由策略，解决了不能全球布站进行卫星境外监测的难题，是北斗全球导航系统建设的一大特色。

其次，新技术实现卫星长寿命。“北斗是一个开放的系统，中国的北斗，世界的北斗，中国发展卫星导航技术是国民经济的重要基础设施，也是为全人类提供时间坐标和空间坐标的基础设施，服务的连续性和稳定性十分重要”，航天科技集团五院北斗三号卫星总指挥迟军介绍说，就像停水停电影响城市生活一样，卫星导航服务一旦中断，国家和社会的正常运行会受到很大的影响，因此，对卫星导航的可靠性、连续性提出了苛刻设计的要求。为了提高卫星在轨服务的可靠性，北斗三号卫星采取了多项可靠性措施，使卫星的设计寿命达到12年，达到国际导航卫星的先进水平，为北斗系统服务的连续、稳定提供了基础保证。

第三个是新“神器”让服务“零误差”。为了提高服务的精度，北斗三号配置了新一代原子钟，通过提升原子钟指标，提升卫星性能、改善用户体验。原子钟是利用原子跃迁频率稳定的特性保证产生时间的精准性，目前国际上主要有铷原子钟、氢原子钟、铯原子钟等。我国北斗卫星采用铷原子钟，同时还配置了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。尽管2015年我国研制的氢原子钟才首次在轨应用验证，为北斗全球导航系统进行了技术探索，但至今功能、性能都十分稳定。由于铷原子钟和氢原子钟的精度极高，使得北斗的“最强心脏”可以达到每300万年到1000万年才偏差1秒。

如今的北斗系统，星座中的每一颗“星”都独具特色，都有自己的功用。北斗三号全球星座由地球静止轨道（GEO）、倾斜地球同步轨道（IGSO）、中圆地球轨道（MEO）三种轨道卫星组成，北斗人称这三种卫星为“北斗三兄弟”。根据三种轨道卫星名称英文首字母的发音，又被亲昵地称作“吉星”、“爱星”和“萌星”。3颗“吉星”，3颗“爱星”，以及24颗“萌星”，共同构成了北斗三号星座大家族。每颗卫星根据各自运行轨道特点和承载功能，既各司其职，又优势互补，共同为全球用户提供高质量的定位导航授时服务。

“北斗应用只受制于想象力”

北斗系统第一次被人记住是在2008年汶川地震的时候。当时位于震中的映秀镇由于地面通信信号盲区或其他通信手段全部失效，导致20多小时音讯全无，突破死亡线赶到的部队官兵通过北斗系统第一时间发出100余字短报文，成为紧急时刻拯救生命的最后“保险索”。至今，北斗依旧是唯一可以进行短报文通信的全球卫星导航系统。

今年7月以来，受连日强降雨影响，全国多地出现洪涝灾害。7月6日，湖南石门县潘坪村雷家山地质灾害隐患点突发山体滑坡，灾情发生前，石门县就已接到北斗卫星监测系统发布的橙色预警，14户33人均已提前撤离。北斗系统在抗洪救灾中又立下大功一件！

目前，北斗系统在全球范围内实测定位精度优于5米，还可以实现实时米级、分米级、厘米级导航定位增强服务。除定位导航授时基本服务外，北斗系统还可提供包括星基增强、地基增强、短报文通信、国际搜救、精密单点定位等多元特色服务。

在实际的应用上，北斗系统目前已经在交通运输、公共安全、农林渔业、水文监测、气象预报、通信时统、电力调度、救灾减灾等领域，产生了显著的经济效益和社会效益。资料显示，2019年中国卫星导航与位置服务产业总体产值达3450亿元人民币，其中北斗系统贡献率超八成。

近年来，北斗系统不断融入自动驾驶、民用航空、智能手机、电子商务及物流配送以及智慧农业、地理测绘等等多个方面的应用，此次北斗三号的组网完成，对于以上这些方面将产生积极的推动作用。

在北斗的高精度技术成熟后，将其运用至智能驾驶产业，可以加速推动 L3、L4 级别自动驾驶快速落地，广义上也能推进L5级全自动驾驶破局和落地。同时，在导航定位终端方面，北斗也将为车主提供LBS、道路救援、导航、定位等服务，必然给汽车导航带来前所未有的机遇。

在通航領域，全国目前共有300架通航飞机安装和使用了北斗终端，实现了通用航空飞行动态信息实时监视，为通航飞行任务审批、安全监管和应急救援等工作提供了技术支撑。

在电子商务领域，物流货车、配送员已普及应用北斗车载终端、手环，实现了车、人、货信息的实时调度和业态优化。

作为卫星导航最大的大众消费领域，在智能手机方面国内外主流芯片厂商均选择推出了兼容北斗的通导一体化芯片。

目前，北斗系统已经广泛应用到农业生产各领域，从播种到田间管理再到采收，北斗在农业生产全过程大显身手。

此外，北斗定位与短报文通信功能，广泛应用于防火、天然林保护、森林资源调查、病虫害防治，气象测报型北斗终端提升了高空气象探空系统的观测精度、自动化水平和应急观测能力，多山地域水文测报信息实时传输提高了灾情预报的准确性，为防洪调度提供重要支持。

北斗三号全球组网还将有力促进测绘和地理信息技术的发展和变革，高效助力国家坐标框架维护、快速更新。今年，北斗卫星导航系统就全方位应用于珠峰高程测量。得益于北斗数据，登顶的国产GNSS接收机测量精度大幅提高。

除此以外，北斗系统还已经在全球超过一半的国家和地区得到应用，基于北斗系统的土地确权、精准农业、智慧施工、机场授时、车辆船舶监管、智慧港口等解决方案，已在东盟、南亚、东欧、西亚、非洲等得到成功应用。

业内人士指出，从本质上看，北斗是未来万物联网的重要传感器之一。而一旦北斗卫星与5G、物联网、工业互联网等“新基建”技术方向互联融合，将彻底变革国内通信网络设施形态，并且为人工智能、数据中心、智算中心等新基建提供精准的时空信息。这种技术上的深度融合，也将为大众消费领域带来大规模的商业创新。

对此，北斗人自信满满：“卫星导航定位系统的应用只受制于想象力！”