李成智 北京航空航天大學(xué)教授

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一、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是中國(guó)自行研制的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，也是繼GPS、格洛納斯之后的第三個(gè)成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與上述衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)相比，不但有自己的特點(diǎn)，還有領(lǐng)先的技術(shù)。

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)有三大基本功能：第一個(gè)功能是定位。衛(wèi)星定位系統(tǒng)是一種使用衛(wèi)星對(duì)某物進(jìn)行準(zhǔn)確定位的技術(shù)。比如，我們?cè)诘厍蛏?，只要有能接收衛(wèi)星信號(hào)的終端，就能知道具體位置。第二個(gè)功能是導(dǎo)航。衛(wèi)星導(dǎo)航是指采用導(dǎo)航衛(wèi)星對(duì)地面、海洋、空中和空間用戶進(jìn)行導(dǎo)航定位的技術(shù)?，F(xiàn)在，我們無(wú)論是航空、航海，還是陸路交通都需要衛(wèi)星導(dǎo)航。第三個(gè)功能是授時(shí)。衛(wèi)星授時(shí)是指通過(guò)衛(wèi)星提供的時(shí)間信息，進(jìn)行時(shí)間同步和授時(shí)操作的一種技術(shù)手段。星載原子鐘被稱為導(dǎo)航衛(wèi)星的“心臟”，其作用是為衛(wèi)星系統(tǒng)提供高穩(wěn)定的時(shí)間頻率基準(zhǔn)信號(hào)。它決定了衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的定位、導(dǎo)航及授時(shí)精度，是一個(gè)國(guó)家能否具備獨(dú)立發(fā)展衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)能力的核心技術(shù)之一。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是中國(guó)著眼于國(guó)家安全和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需要，自主建設(shè)、獨(dú)立運(yùn)行的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)自20世紀(jì)90年代啟動(dòng)研制，按“三步走”發(fā)展戰(zhàn)略，先有源后無(wú)源，先區(qū)域后全球，走出了一條中國(guó)特色的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)道路。

2000年10月，北斗一號(hào)成功發(fā)射。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)擁有獨(dú)特的短報(bào)文通訊功能。2008年汶川地震的時(shí)候，我們就是用短報(bào)文通訊功能解決了受災(zāi)地區(qū)的通訊問(wèn)題，大大提高救援效率。北斗二號(hào)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)于2012年12月份正式向我國(guó)及亞太地區(qū)提供導(dǎo)航、定位、授時(shí)和短報(bào)文通信服務(wù)，服務(wù)區(qū)內(nèi)系統(tǒng)性能與國(guó)外同類系統(tǒng)相當(dāng)，達(dá)到同期國(guó)際先進(jìn)水平。2017年11月，北斗三號(hào)首發(fā)雙星升空，開始了系統(tǒng)組網(wǎng)。在北斗一號(hào)、北斗二號(hào)兩代系統(tǒng)基礎(chǔ)上，北斗三號(hào)技術(shù)更先進(jìn)、優(yōu)勢(shì)更明顯。2020年7月31日，習(xí)近平總書記向世界宣布北斗三號(hào)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正式開通，標(biāo)志著北斗系統(tǒng)進(jìn)入全球化發(fā)展新階段。

我們?yōu)槭裁匆ㄔ毂倍沸l(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)？第一，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是中國(guó)航天人走出自主創(chuàng)新之路的縮影，也是中國(guó)科技自立自強(qiáng)的典范。第二，我國(guó)建造北斗系統(tǒng)的一個(gè)重要原因是為了提高國(guó)家安全和國(guó)防能力，不依賴于美國(guó)的GPS。GPS是美國(guó)開發(fā)和控制的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，雖然向全球公眾提供免費(fèi)服務(wù)，但也可能在戰(zhàn)時(shí)受到美國(guó)政府的干擾或限制。第三，全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域也有十分重要的作用。比如，運(yùn)鈔車、危險(xiǎn)化學(xué)品運(yùn)輸車等特種車輛在行駛中需要保證行駛安全和公共安全，這就需要衛(wèi)星對(duì)它們進(jìn)行實(shí)時(shí)定位、監(jiān)測(cè)。另外，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用正在普及，通過(guò)北斗技術(shù)對(duì)農(nóng)田信息進(jìn)行空間定位，配合遙感系統(tǒng)獲取農(nóng)作物的生長(zhǎng)環(huán)境、生長(zhǎng)狀況等大量信息，建立農(nóng)田管理、土壤作物等信息進(jìn)行管理的方式越來(lái)越流行。

按照“質(zhì)量、安全、應(yīng)用、效益”的總要求，堅(jiān)持“自主、開放、兼容、漸進(jìn)”的發(fā)展原則，我國(guó)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)按照“三步走”的發(fā)展戰(zhàn)略穩(wěn)步推進(jìn)。具體如下：第一步，2000年，我國(guó)建成了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)，使中國(guó)成為世界上第三個(gè)擁有自主衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的國(guó)家。從2000年到2007年，北斗一號(hào)共發(fā)射了4顆試驗(yàn)衛(wèi)星，實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星導(dǎo)航從無(wú)到有。第二步，建設(shè)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，2012年左右形成覆蓋亞太大部分地區(qū)的服務(wù)能力。北斗二號(hào)衛(wèi)星的研制成功解決了很多的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，比如，北斗二號(hào)衛(wèi)星搭載的銣原子鐘可以做到300萬(wàn)年只有1秒誤差。2012年，北斗二號(hào)系統(tǒng)建成，我們具有了面向亞太地區(qū)提供無(wú)源定位服務(wù)的能力。第三步，2020年，北斗三號(hào)系統(tǒng)正式建成開通，面向全球提供衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù)，標(biāo)志著北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)“三步走”發(fā)展戰(zhàn)略圓滿完成。北斗三號(hào)工程建設(shè)歷經(jīng)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)、試驗(yàn)衛(wèi)星工程、最簡(jiǎn)系統(tǒng)、基本系統(tǒng)、完整系統(tǒng)五個(gè)階段。北斗三號(hào)衛(wèi)星核心器部件國(guó)產(chǎn)化率到達(dá)100%。北斗三號(hào)衛(wèi)星“天團(tuán)”里有3類“隊(duì)員”，在不同軌道上堅(jiān)守崗位，分別是地球靜止軌道衛(wèi)星（GEO衛(wèi)星）、傾斜地球同步軌道衛(wèi)星（IGSO衛(wèi)星）和中圓地球軌道衛(wèi)星（MEO衛(wèi)星）。傾斜地球同步軌道衛(wèi)星（IGSO衛(wèi)星）比較復(fù)雜，主要是解決一些衛(wèi)星信號(hào)不易達(dá)到的地區(qū)通信功能。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的特色功能：第一，短報(bào)文功能。北斗獨(dú)創(chuàng)的“短報(bào)文”功能，實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)航+通信的功能，用戶不僅可以知道自己的位置，還可以把自己的位置通過(guò)衛(wèi)星反饋給管理中心，向外界傳達(dá)。這意味著，即使在沒有通信信號(hào)的海洋、沙漠，或者通信基站遭到破壞（地震、洪水）的地方，只要擁有一臺(tái)北斗終端，就可以與外界進(jìn)行緊急通信。第二，星基增強(qiáng)功能。星基增強(qiáng)也是北斗的特色服務(wù)之一，它可以為民航用戶提供大范圍的高精度、高完好性導(dǎo)航服務(wù)，這也是目前世界各國(guó)競(jìng)相建設(shè)和應(yīng)用的系統(tǒng)。第三，高精定位功能。比如，南極科考、珠穆朗瑪峰測(cè)高、遠(yuǎn)洋科學(xué)作業(yè)等都需要精確的定位功能。第四，國(guó)際搜救功能。國(guó)際搜救服務(wù)具備了符合全球衛(wèi)星搜救系統(tǒng)（COSPAS—SARSAT）標(biāo)準(zhǔn)的中軌搜救和北斗特色的返向鏈路服務(wù)能力，可面向全球用戶提供服務(wù)。

除了以上特色功能外，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)還具有信號(hào)覆蓋范圍廣、無(wú)通信盲區(qū)等優(yōu)點(diǎn)。

建設(shè)地基增強(qiáng)系統(tǒng)可以獲得更高的定位導(dǎo)航精度，是提高北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力、加快大規(guī)模應(yīng)用的基礎(chǔ)工程。我們知道，衛(wèi)星定位受大氣、空間等因素影響，定位易出現(xiàn)誤差，在地面建立衛(wèi)星連續(xù)參考跟蹤站，可修正衛(wèi)星定位誤差，這就是地基增強(qiáng)系統(tǒng)的“功勞”。比如，如果衛(wèi)星導(dǎo)航的精度不高，就會(huì)對(duì)人們的交通安全帶來(lái)不利影響。怎么解決？就是要靠地基增強(qiáng)解決。

眾所周知，衛(wèi)星在遙遠(yuǎn)的軌道上運(yùn)行，時(shí)時(shí)刻刻受到空間環(huán)境影響以及自身壽命和可靠性的限制，如果發(fā)生故障，較輕的短期可以恢復(fù)，嚴(yán)重的或?qū)?dǎo)致衛(wèi)星長(zhǎng)期失效。因此，需要根據(jù)實(shí)際情況適時(shí)發(fā)射備份衛(wèi)星。世界主要航天大國(guó)的導(dǎo)航星座中通常會(huì)有備份星運(yùn)行。

2023年5月17日，我國(guó)在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心用長(zhǎng)征三號(hào)乙運(yùn)載火箭，成功發(fā)射第56顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星。這顆衛(wèi)星屬地球靜止軌道衛(wèi)星，是我國(guó)北斗三號(hào)工程的首顆備份衛(wèi)星，入軌并完成在軌測(cè)試后，將接入北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。