艰苦卓绝的“北斗”发展历程

庞之浩 王东（北京神舟航天文化创意传媒有限责任公司）

经过26年的努力，2020年6月23日，我国第55颗“北斗”导航卫星顺利升空，6月30日成功定点于地球静止轨道（GEO），终于使北斗三号全球卫星导航系统星座在太空落成。它是我国着眼于国家安全和经济社会发展需要，自主建设、独立运行的全球卫星导航系统，是为全球用户提供全天候、全天时、高精度的定位、导航与授时（PNT）服务的国家重要时空基础设施。

2020年7月31日，北斗三号全球卫星导航系统建成暨开通仪式在北京举行。习近平总书记铿锵有力地宣布：“北斗三号全球卫星导航系统正式开通！”

回首中国“北斗”自主创新的发展历程，中国空间技术研究院研制团队作为“北斗”导航卫星研制的“国家队”，汇聚了各方力量，同舟共济，携手拼搏，走出了一条独特的探索道路。

1 别开生面的“双星定位”试验系统

我国早在20世纪60年代末就准备研制导航卫星—“灯塔”，但后来由于多种原因而终止。20世纪80年代初，随着我国经济和技术的飞速发展，综合国力的不断增强，我国又开始积极探索适合国情的卫星导航定位系统的技术途径和方法。1983年，中国科学院陈芳允院士创造性地提出采用“双星定位”的设计方案，即利用2颗GEO轨道卫星实现国内导航定位。

所谓“双星定位”就是通过采用卫星无线电测定业务（RDSS）方式来确定用户的位置。它是以2颗卫星的已知坐标为圆心，各自以测定的本星至用户机距离为半径，形成2个球面，用户机必然位于这2个球面交线的圆弧上。电子高程地图提供一个以地心为球心、以球心至地球表面高度为半径的非均匀球面，求解圆弧线与地球表面交点即可获得用户位置。

要想率先实现这种卫星导航定位是一项有较大风险的创新工程。为此，陈芳允院士、童凯院士等专家对这种“双星定位”系统方案展开了积极的立项论证。

1989年，我国首次利用通信卫星进行了“双星定位”演示验证试验，实现了地面目标利用2颗卫星快速定位、通信、授时的一体化服务，证明了该技术的正确性和可行性，为我国第一代北斗卫星导航系统—北斗一号启动实施奠定了基础。1993年初，中国空间技术研究院提出了卫星总体方案，初步确定了卫星技术状态和总体技术指标。1994年，我国第一代卫星导航系统北斗一号工程立项。

经过不断攻关，2000年，我国建成了由2颗北斗一号GEO轨道卫星组成的国内导航卫星试验系统。2003年和2007年，我国又发射第3颗、第4颗北斗一号GEO轨道卫星，进一步增强了系统的性能。它采用有源定位体制，服务范围为5°（N）～55°（N）、70°（E）～145°（E）；定位精度为20m；授时精度为100ns；支持用户每次能发120个字的短信。

由2颗北斗一号导航试验卫星组成的“双星定位”系统示意图

这2颗北斗一号卫星运行在经度相距60°的GEO轨道上，使我国成为世界上第三个拥有卫星导航系统的国家。此外，北斗一号也是世界上第一个有源卫星导航定位系统。所谓有源方式又叫主动式，即用户进行导航定位时要主动向卫星发送信号。

北斗一号“双星定位”系统具有周期短、投资少等优点，它不仅可全天候、全天时提供有源导航定位和精密授时，还能进行双向数字区域短报文（RSMC）通信服务；不仅能使用户知道自己的所在位置，还可以告诉别人自己所在的位置，特别适用于需要导航与移动数据通信相结合的用户，是一个十分符合当时中国国情的卫星导航系统。

2 惊险绝伦的北斗二号区域系统

不过，北斗一号系统也存在一些明显的先天不足，例如，它在定位精度、用户容量、定位的频率次数、隐蔽性等方面均受到限制，而且无法测速。为此，我国于2004年立项研制了北斗二号卫星导航系统，其方案是在国际上首次实现采用卫星RDSS业务和卫星无线电导航业务（RNSS）相结合的集成体制方式来为用户提供PNT等服务。

北斗二号系统由运行在3种轨道的卫星组成，其中，GEO轨道卫星具备卫星无线电导航业务、卫星无线电测定业务功能；倾斜地球同步轨道（IGSO）卫星、中圆地球轨道（MEO）卫星具备卫星无线电导航业务功能。所以，北斗二号系统既能为用户提供卫星无线电导航服务（低、中、高动态连续服务，用户自主完成连续定位和测速），又具有位置报告及短报文通信功能，弥补了北斗一号的不足之处。

该系统具体工作过程：用户被动测量来自至少4颗在卫星时钟控制下的导航卫星连续发送的无线电导航信号，并根据这些卫星信号的不同传输时间来测定用户到这些卫星的不同距离，然后通过用户终端的数学运算得到用户的三维坐标与速度。

然而，北斗一号虽已完成了“双星定位”，但按照国际电信联盟（ITU）的标准，它仍是“试验系统”，与北斗二号卫星播发的导航信号技术体制完全不同，所以使用信号的频率资源也不同。

2000年4月18日，国际电信联盟批准了我国申报的导航卫星频率和轨道，北斗二号卫星导航系统正式取得了合法地位。不过，根据国际规则，应在登记后的7年里（即在2007年4月17日之前）使用该频率，否则就视为过期。

由于北斗二号是2004年才立项的，所以留给它的研制时间只有3年，而当时研制一颗卫星需要5年，因此时间紧、任务重。为此，“北斗人”不断拼搏，并且优化流程，攻克了以导航卫星总体技术、高精度星载原子钟等为代表的多项关键技术，终于在2007年4月初，把首颗北斗二号卫星与发射火箭运到了西昌卫星发射中心。

北斗二号区域卫星导航星座

2007年4月14日，我国第一颗北斗二号卫星顺利升空。经过3天的在轨测试，北京终于收到了首颗北斗二号卫星发射的信号，并得到了国际电信联盟的官方认定，使我国正式合法拥有了申报的空间位置和频率资源。

2012年，我国建成了由14颗北斗二号卫星（5颗GEO卫星＋5颗IGSO卫星＋4颗MEO卫星）组成的区域导航卫星星座。北斗二号系统在兼容北斗一号系统基础上，采用了混合星座，增加了无源定位体制，为亚太地区用户提供定位、测速、授时和短报文通信服务。其服务范围为55°（E）～180°（E），55°（N）～55°（S）；定位精度为10m；测速精度为0.2m/s；授时精度为50ns；短信的字数每次仍为120个字。

3 性能优异的北斗三号全球卫星导航系统

在“北斗”卫星导航系统的发展战略上，专家们通过对不同发展方式的论证，最终决定采用“先国内有源、再区域无源、最后全球无源”这一“三步走”的“北斗”发展战略。 作为“三步走”发展战略的最后一步，我国在2009年正式启动了北斗三号的建设。建设高性能、高可靠的北斗三号全球卫星导航系统作为我国科技领域中长期发展规划的16项重大专项之一，可使我国卫星导航系统达到国际先进水平。

3种轨道卫星

从2017年11月5日发射首批北斗三号MEO轨道卫星起，我国正式开始建造“北斗”全球卫星导航系统。2020年6月23日，我国终于建成了由30颗北斗三号卫星（3颗GEO卫星＋3颗IGSO卫星＋24颗MEO卫星）组成的全球卫星导航星座。其中，MEO卫星具备卫星无线电导航业务和星间链路功能，IGSO卫星、GEO卫星具备卫星无线电导航业务、卫星无线电测定业务、星间链路功能。北斗三号全球卫星导航系统全球范围定位精度优于10m，根据最新测算，全球实测定位精度均值为2.34m。

2020年6月23日发射的最后一颗北斗三号卫星是GEO卫星，它与前2颗北斗三号GEO卫星分别定点在80°（E）、110.5°（E）和140°（E），具备无线电导航、无线电测定、星基增强、精密单点定位、功率增强、站间时间同步和定位六大本领。

北斗三号GEO卫星与IGSO卫星都采用东方红三号B平台。该卫星平台能集成多种载荷，成为天基数据传输网络的中心节点；具备位置调整能力；在轨工作寿命12年。卫星有效载荷包含导航、天线和转发3个分系统，平台包含综合电子、控制、推进、测控、电源、总体电路、自主运行、热控、结构和监视测量分系统。

北斗三号全球卫星导航星座

性能明显提高

与北斗二号系统相比，北斗三号系统除了把服务区域由区域扩大到全球覆盖外，在定位精度和授时精度明显提高，短信字数、卫星寿命大大增加。例如，卫星寿命由8年提高到10～12年，区域短报文提升至1000个汉字。北斗三号系统还按照国际标准，增加了全球搜救、全球位置报告和星基增强等拓展服务。由于有星基增强服务功能，所以可为应急通信、飞机起降提升热点服务能力，满足特殊用户的需求。北斗三号系统的服务能力较北斗二号拓展了10倍，在通信、电力、金融、测绘交通、渔业、农业、林业等领域，更多的人可以享受到北斗三号系统的普惠服务。

北斗三号系统有不少重大技术创新或改进，突破了新型导航信号生成、星间链路、卫星自主健康管理、全桁架式卫星平台、导航卫星高精度光压建模、导航星座健康评估及预测等关键技术，实现了导航大型星座高效管理和我国导航卫星能力的提升和跨越。

其最大特色就是星座首次采用了星间链路技术，实现了星间数据传输和精密测量，可快速建立与中轨卫星、高轨卫星、地面之间的信息链路，满足卫星一站式测控需要，从而大幅提高卫星测定轨精度，提升电文注入频度，并解决了境外监测卫星的难题，大大减少了对地面站的依赖，提高了卫星自主导航的能力。掌握星间链路技术是“北斗”卫星系统实现自主导航的关键，用它不仅实现了北斗卫星相互间的通信和数据传输，还能相互测距，自动“保持队形”，从而减轻了地面管理维护压力，有效降低了系统的运行管理成本。

星载原子钟被称为导航卫星的“心脏”。北斗三号卫星上的原子钟精度由北斗二号卫星的每30万年误差1s，提高到每300万年误差1s，综合指标达到国际领先水平，这对提高定位和授时精度至关重要。

4 技高一筹的几大特点

3种轨道卫星组成混合星座

美俄全球导航卫星星座都运行在MEO轨道，这样可以很好地覆盖全球。而北斗三号系统采用独特的3种轨道卫星组成混合星座，且高轨卫星更多，这样既能用MEO轨道卫星实现全球覆盖、全球服务，又可用高轨道卫星抗遮挡能力强的优点，尤其在低纬度地区性能特点更为明显，为亚太大部分地区用户提供更高性能的PNT服务，首次实现导航定位、短报文通信、差分增强3种服务融为一体。

全球首个三频信号服务的卫星导航系统

另外，美国“全球定位系统”（GPS）使用的是双频信号，它可以减弱电离层延迟的影响。而北斗三号系统是全球首个提供三频信号服务的卫星导航系统，这是北斗卫星系统的后发优势。使用三频信号可以构建更复杂模型消除电离层延迟的高阶误差，并且能提高载波相位模糊度的解算效率，理论上还可以提高载波收敛速度。所以，通过多频信号组合使用等方式，有效地提高了服务精度。

拥有美俄导航卫星各自的优点

“北斗”卫星导航系统与美国GPS系统一样用码分多址方式传输信息，而不像俄罗斯“格洛纳斯”（GLONASS）系统采用频分多址方式传输信息，目的是大大降低用户接收机的成本，以便地面应用；在MEO轨道卫星入轨方式和星座优化设计上，“北斗”卫星导航系统不像GPS系统那样把卫星布置在6个轨道面上，而是与GLONASS系统一样，采用3个轨道面均匀分布的对称星座设计，这样有利于“一箭多星”发射，从而降低发射成本。

世界上首个集定位、授时和报文通信为一体的全球卫星导航系统

免费发送短报文是其独有的一种重要功能，很多时候是“救命”的法宝。把导航与通信紧密结合起来，很适用于交通运输、调度指挥、搜索营救、地理信息实时查询等需要把导航与移动数据通信相结合的用户。其定位与位置报告最短完成时间为1s，定位与指挥调度集于一体，事件内容与发生的地点、时间在一封短信中完成，摆脱了“先定位再报告”的弊病。由于北斗三号全球卫星导航系统创新融合了导航与通信能力，所以具有实时导航、快速定位、精确授时、位置报告和短报文通信服务五大功能，兼具星基增强、国际搜救等多种服务能力。

兼容与互操作性

“北斗”卫星导航系统与其他卫星导航系统之间具有兼容与互操作。卫星导航系统有其脆弱性，单一导航系统易被干扰、遮蔽，采用GPS＋“北斗”的双卫星导航系统，可以提高系统的可用性和定位精度。

全面实施了自主可控原则

“北斗”卫星导航系统建设全面实施了自主可控原则，卫星上的全部单机产品及元器件实现了100%国产化，彻底摆脱了原子钟、行波管放大器等卫星产品长期依赖进口受制于人的局面，为我国导航卫星批产研制奠定了基础。

采用新型导航信号调制体制，具备下行导航信号体制重构能力

其实，北斗三号卫星还有许多“绝活”。例如，北斗三号卫星采用了以信号频谱分离、导频与数据正交为主要特征的新型导航信号调制体制，这能显著提高卫星导航信号的抗干扰能力和测距精度，为信号扩容提供了基础。另外，该卫星系统具备下行导航信号体制重构能力，可根据未来发展和技术进步需要进一步升级改进。此举进一步改善了北斗导航卫星信号的性能，提高了信号利用效率和兼容性、互操作性。

首次实现卫星在轨自主完好性监测功能

北斗三号卫星还在世界上首次实现了卫星在轨自主完好性监测功能，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。它能增加性能更优的互操作信号，即与世界其他卫星导航系统兼容性更好的B1C和B2a信号。其全新的导航信号体制和强大的在轨重构功能，也极大地提升了用户体验，因为通过兼容互操作技术，可为用户在终端上接收多个信号奠定基础，给用户提供多种选择方案。

5 结语

“北斗”卫星导航系统的建设实践，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。北斗三号系统的建成，形成了满足我国国民生产建设需要的PNT系统设施。随着“北斗”卫星导航系统应用的发展，其必将面对更多、更新、更高的需求。

2035年前，我国将建成以北斗卫星导航系统为核心的天地一体（包括太空、地面、水下、室内）、覆盖无缝、安全可信、高效便捷的国家综合PNT体系，显著提升国家时空信息服务能力，满足国家安全和国民经济需求，以更强的功能、更优的性能服务全球，造福人类。