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：第一個功能是定位。衛(wèi)星定位系統(tǒng)是一種使用衛(wèi)星對某物進(jìn)行準(zhǔn)確定位的技術(shù)。比如，我們在地球上，只要有能接收衛(wèi)星信號的終端，就能知道具體位置。第二個功能是導(dǎo)航。衛(wèi)星導(dǎo)航是指采用導(dǎo)航衛(wèi)星對地面、海洋、空中和空間用戶進(jìn)行導(dǎo)航定位的技術(shù)。現(xiàn)在，我們無論是航空、航海，還是陸路交通都需要衛(wèi)星導(dǎo)航。第三個功能是授時。衛(wèi)星授時是指通過衛(wèi)星提供的時間信息，進(jìn)行時間同步和授時操作的一種技術(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)定的時間頻率基準(zhǔn)信號。它決定了衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的定位、導(dǎo)航及授時精度，是一個國家能否具備獨(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)是中國著眼于國家安全和經(jīng)濟(jì)社會發(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年代啟動研制，按“三步走”發(fā)展戰(zhàn)略，先有源后無源，先區(qū)域后全球，走出了一條中國特色的衛(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)的通訊問題，大大提高救援效率。北斗二號衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)于2012年12月份正式向我國及亞太地區(qū)提供導(dǎo)航、定位、授時和短報(bào)文通信服務(wù)，服務(wù)區(qū)內(nèi)系統(tǒng)性能與國外同類系統(tǒng)相當(dāng)，達(dá)到同期國際先進(jìn)水平。2017年11月，北斗三號首發(fā)雙星升空，開始了系統(tǒng)組網(wǎng)。在北斗一號、北斗二號兩代系統(tǒng)基礎(chǔ)上，北斗三號技術(shù)更先進(jìn)、優(yōu)勢更明顯。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)是中國航天人走出自主創(chuàng)新之路的縮影，也是中國科技自立自強(qiáng)的典范。第二，我國建造北斗系統(tǒng)的一個重要原因是為了提高國家安全和國防能力，不依賴于美國的GPS。GPS是美國開發(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)時受到美國政府的干擾或限制。第三，全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在國民經(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)星對它們進(jìn)行實(shí)時定位、監(jiān)測。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，通過北斗技術(shù)對農(nóng)田信息進(jìn)行空間定位，配合遙感系統(tǒng)獲取農(nóng)作物的生長環(huán)境、生長狀況等大量信息，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，我國建成了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)，使中國成為世界上第三個擁有自主衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的國家。從2000年到2007年，北斗一號共發(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。北斗二號衛(wèi)星的研制成功解決了很多的關(guān)鍵技術(shù)問題，比如，北斗二號衛(wèi)星搭載的銣原子鐘可以做到300萬年只有1秒誤差。2012年，北斗二號系統(tǒng)建成，我們具有了面向亞太地區(qū)提供無源定位服務(wù)的能力。第三步，2020年，北斗三號系統(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、最簡系統(tǒng)、基本系統(tǒng)、完整系統(tǒng)五個階段。北斗三號衛(wèi)星核心器部件國產(chǎn)化率到達(dá)100%。北斗三號衛(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競相建設(shè)和應(yīng)用的系統(tǒng)。第三，高精定位功能。比如，南極科考、珠穆朗瑪峰測高、遠(yuǎn)洋科學(xué)作業(yè)等都需要精確的定位功能。第四，國際搜救功能。國際搜救服務(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)還具有信號覆蓋范圍廣、無通信盲區(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)市場競爭力、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，就會對人們的交通安全帶來不利影響。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，時時刻刻受到空間環(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)星長期失效。因此，需要根據(jù)實(shí)際情況適時發(fā)射備份衛(wèi)星。世界主要航天大國的導(dǎo)航星座中通常會有備份星運(yùn)行。

2023年5月17日，我國在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心用長征三號乙運(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，是我國北斗三號工程的首顆備份衛(wèi)星，入軌并完成在軌測試后，將接入北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。