2020年09月26日 星期六
中国北斗,东方传奇
第8版:北斗让星辰覆盖大海 2020-06-29

中国北斗,东方传奇

刘朝晖

我国第一颗人造地球卫星“东方红一号”。

1980 年5 月18 日,我国向太平洋预定海域发射运载火箭,图为测量控制中心的工作人员在进行调度指挥。

2003年5月25日零时34分,我国在西昌卫星发射中心用“长征三号甲”运载火箭,成功地将第三颗“北斗一号” 导航定位卫星送入太空。

2013年10月21日,技术人员对北斗车载用户终端的天线进行抗振动试验。

北斗卫星导航全球组网星座系统模型。

6 月23 日上午,北斗三号最后一颗全球组网卫星在西昌卫星发射中心“重启” 发射后成功布阵太空,我国提前半年全面完成北斗全球卫星导航系统星座部署。

北斗三号团队在发射塔前合影。

从先驱者的“灯塔计划”,到双星定位系统概念的提出; 从北斗一号系统从无到有,到北斗三号的服务全球,中国人用自己的智慧,自力更生,自主创新,自我超越,趟出了一条独特的探索道路,让北斗系统成为了真正的东方传奇。

记者|刘朝晖

“孤月沧浪河汉清,北斗错落长庚明”,中国古代诗人对北斗七星有着无限遐思,如今,中国的北斗卫星导航系统,将诗句变为了人间现实。

在仅用一周的时间排除了火箭的技术故障后,北斗卫星导航系统的最后一颗组网卫星于6 月23 日9 时43 分,在西昌卫星发射中心用长征三号乙火箭成功发射,至此北斗三号全球卫星导航系统星座部署全面完成。

当今世界共有四大全球卫星导航系统,分别是美国的GPS、俄罗斯的格洛纳斯、欧盟伽利略和中国的北斗,正是因为有了北斗,中国才在卫星导航领域骄傲地占有了一席之地。习近平总书记在联合国全球卫星导航系统国际委员会第十三届大会的贺电中评价道:“北斗系统已成为中国实施改革开放40年来取得的重要成就之一。”

从先驱者的“灯塔计划”,到双星定位系统概念的提出;从北斗一号系统从无到有,到北斗三号的服务全球,中国人用自己的智慧,自力更生,自主创新,自我超越,趟出了一条独特的探索道路,让北斗系统成为了真正的东方传奇。

“三步走” 明确发展战略

中国开展卫星导航与定位研究最早可以追溯到上世纪六七十年代,立项于上世纪60 年代末的“灯塔计划” 可以称得上是中国卫星导航计划的先驱者,但由于当时的技术条件和时代背景制约,这项计划不得不终止。不过, 初期的研究,为我国日后实施卫星导航计划积累了宝贵的工程经验。

1983 年,我国“两弹一星” 元勋、卫星测量技术的奠基人之一陈芳允院士,提出了研制双星快速导航系统,即利用两颗地球静止轨道通信卫星,实现区域快速导航定位的设想。通过大量理论和技术上研究,双星定位系统的概念逐步明晰。这也是当时大家公认的最优方案,但因经济条件等种种原因又搁置了十年。

1991 年的海湾战争,美军利用GPS 卫星导航,在战场上摧枯拉朽,让全世界都看到了卫星导航系统的巨大作用与价值。与此同时,时任航空航天工业部副部长的孙家栋与当时的国防科工委副主任沈荣骏中将敏锐地发现,拥有自主知识产权的卫星导航定位系统,对国家安全和军队保障至关重要。随后,二人联名致信当时的中央军委委员、总装备部部长曹刚川,阐明了他们对国家发展卫星导航系统重要意义的分析以及实现方法的建议。

在多方力量的积极推动下,1993 年初,我国提出卫星总体方案,初步确定卫星技术状态和总体指标。1994 年,中国的卫星导航工程获批立项,研制工作全面展开,并以炎黄子孙的祖先们用于识别方向的北斗星命名。孙家栋被任命为工程的总设计师。自此,中国开始了第一代卫星导航系统的研制建设。

北斗卫星导航系统起步了,但是该一步跨到全球组网还是分阶段走?这在当时引发了争议。最终,“先区域、后全球”的思路确定了下来。按照“三步走” 的计划,2000 年年底,建成北斗一号系统,向中国提供服务;2012 年年底,建成北斗二号系统,向亚太地区提供服务;在2020 年前后,建成北斗全球系统,向全球提供服务。2035 年前还将建设完善更加广泛存在且无所不在、更加融合、更加智能的综合时空体系。

上世纪90 年代初期,中国经济情况刚刚有所好转。在卫星导航系统建设上,中国的经验也非常浅,处于尝试和探索的初期,所以格外小心谨慎。作为解决“有无” 问题的第一步,北斗一号需要花小钱办大事,验证系统设计思想的正确性。参与了技术路线讨论的北斗一号卫星总设计师范本尧院士后来评价说:“全球组网需要大量的时间和资金。当时用户还集中在国内、周边,因此‘先区域、后全球’的技术途径更符合中国国情。”

2000 年10 月31 日零时02 分,我国长征三号甲运载火箭在西昌卫星发射中心托举着我国首颗北斗导航试验卫星升入茫茫夜空,27 分钟后星箭分离,卫星进入预定轨道。

这是中国卫星导航系统发展史上一个值得铭记的日子。“北斗卫星导航系统是全天候、全天时提供卫星导航信息的区域导航系统,该系统主要为公路交通、铁路运输、海上作业等领域提供导航服务。北斗导航系统首发星的成功发射,解决了我国自主卫星导航系统从无到有的问题,将对我国国民经济建设起到积极的推动作用。”《中国航天报》当时刊登了这样一段话,概括了那颗卫星的重要意义。

就在第一颗北斗导航试验卫星成功入轨仅50 天后,当年岁末,长三甲火箭又将第二颗北斗导航试验卫星送入地球同步轨道。2003 年5 月25 日,第三颗北斗导航试验卫星成功升空,作为备份星与前两颗工作星组成中国完整的第一代卫星导航系统——北斗一号。这标志着我国成为继美、俄之后第3 个拥有自主卫星导航系统的国家。

无论是从军事还是民用角度来讲,呱呱坠地的北斗导航,作为我国自主建设、独立运行的卫星导航系统,打破了美国GPS 系统垄断的局面,增强了我国在国际卫星导航领域的话语权和主动权。

合作波折坚定自主决心

中国北斗一号的出现,也吸引了世界目光。当时,正在研发欧洲伽利略全球卫星导航系统的法、德、意等欧盟国家邀请中方加入“伽利略计划”。

虽然有了北斗一号,但是如果能够在合作中学习到西方国家的先进技术与经验,对中国卫星导航技术的发展,无疑有极大的帮助。本着对高科技的渴求,中国以极大的诚意与欧方在2003 年草签合作协议,成为第一个加入“伽利略计划” 的非欧盟国家,并且将拥有这一系统的部分所有权和全部使用权。与此同时,中国承诺投入2.3 亿欧元的巨额资金用以研发工作。

然而好景不长,进入2005 年,欧洲政治开始转向,在美国用技术支持的诱惑下,突然亲美的欧盟对中国进行了排挤,连“伽利略计划” 的决策机构都不对中国开放,更不用说参与到研发工作中了。中国和欧盟的这次合作可以说是无疾而终,中国投入的2.3 亿欧元也打了水漂,连个响都没听到。

死了张屠夫,也不吃带毛猪,有骨气的中国人经过这次波折,明白了一个道理,这种尖端的技术,花钱是买不来的,由此也更坚定了独立自主发展北斗系统的决心。

2005 年,6 位院士就发展我国独立自主的卫星导航系统提出建议,起草了《关于促进北斗导航系统应用的建议》。该建议于2005 年2 月2 日送呈国务院后,仅两天后就得到国务院批示。国家发展和改革委员会有关司、局积极落实国务院批示,不仅将北斗导航系统建设列为国家基础设施规划,还解决了资金问题,为北斗卫星导航系统应用的自主创新创造了十分有利的条件。

按照“三步走”的发展战略,全力建设北斗二号卫星系统、快速形成区域导航服务能力成为当务之急。2004 年北斗二号卫星工程正式立项研制,随后导航系统工程被列入我国16 项国家重大专项工程。与此同时,作为北斗卫星导航系统的抓总研制单位,航天科技集团首次开始批量研制生产卫星和运载火箭。从2004 年项目启动开始,北斗系统进入了为期4 年的初样研制阶段。

研制道路上最大的“拦路虎” 是高精度时间基准技术,这项核心技术直接决定着定位精度,决定着整个工程的成败。研制团队咬紧牙关,全力啃下了这块“硬骨头”,使国产星载铷钟从无到有,从粗到细,性能指标不断提高,成功突破了国外的技术封锁。同时,研制团队突破了国际上其它卫星导航系统均由中圆轨道卫星构建的惯例,创造性提出了国际上首个多轨道混合导航星座方案,可以用较少的卫星数量实现较高的性能指标,用较低的投入实现亚太大部分地区的导航覆盖,既满足国家战略需求,又为国际卫星导航系统建设提供了新的技术路线。

这一时期,卫星系统共完成了4 颗初样星和1 颗飞行试验星的研制任务,攻克了星载原子钟、高精度星地时间比对、监测接收机和用户终端等多项关键技术,为北斗建设和可持续发展奠定了基础。经过十几年的工程实践,大量的工程管理和技术人员得到了锻炼,一批系统应用方面的人才被培养出来了,为系统的未来发展提供了保障。

值得一提的是,在卫星导航系统建设的初始阶段频率资源相对比较充沛,而到了北斗系统和伽利略系统建立的时候,频率争夺战就非常明显了。当时伽利略系统已经提前申请了频率资源,但是后来伽利略系统资金链断了。根据国际电联“先到先得” 的规定,哪一个国家能够先把这颗卫星发射上去,并且由这颗卫星发射了这个频率的信号,以后这个频率资源就属于哪个国家。

中国也向国际电信联盟申请了用于组建北斗卫星网络的公共频率资源。2007 年4 月17 日是北斗卫星所申报的频率资源生效的最后期限,必须提前发射卫星,这在我国航天史上是非常罕见的。4月14日的凌晨,第一颗北斗导航应用卫星发射成功,在频率资源失效前几个小时由卫星发送了信号,成功地把至关重要的频率资源牢牢抓在了自己手中。

“‘巨人’对我们技术封锁,不让我们站在肩膀上,唯一的办法,就是自己成为巨人。”北斗一号卫星总指挥李祖洪说,“北斗的研制,是中国人自己干出来的。”

北斗性能走在国际前列

古有司南定八方,今有北斗观天下。

作为国之重器,自主创新是北斗的必由之路。坚持自主创新,使北斗之路越走越自信。秉承“探索一代,研发一代,建设一代”的创新思路,中国北斗始终把发展的主动权牢牢掌握在自己手中,以志不改、道不移的坚守拼下累累硕果。

2012 年10 月25 日,第16 颗北斗导航卫星与先期发射的15 颗卫星实现组网,并于2012 年年底向亚太地区提供服务,标志着我国北斗区域卫星导航系统建设完成。2017 年11 月5日19 时45 分,我国在西昌卫星发射中心用长征三号乙运载火箭,成功发射两颗北斗三号全球组网卫星。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新时代。2018 年一年之内发射了10 颗卫星,这也创下了全球卫星导航系统组网最快纪录。在此之前,世界四大卫星导航系统中,美国GPS 系统最快纪录为一年6 星,苏联/ 俄罗斯格洛纳斯(GLONASS)系统为一年9 星,欧洲伽利略GALILEO 系统为一年6 星。2018 年12 月27 日,北斗三号基本系统完成建设,开始提供全球服务,这标志着北斗系统服务范围由区域扩展为全球,北斗系统正式迈入全球时代,成为了继GPS、GLONASS之后第三个成熟的卫星导航系统,是联合国卫星导航委员会已认定的供应商。

北斗系统从无到有,从有源定位到无源定位,从服务中国到服务亚太,再到全球组网,虽然建设起步比美国的GPS 晚了20 年,但设计方案和技术指标却走在了世界前列。

北斗一号系统原创性地提出双星定位方法,打破国外技术垄断,建立了国际上首个基于双星定位原理的区域有源卫星定位系统。该系统的短报文服务在国际导航领域独一无二,在汶川地震的搜救中,短报文功能就发挥了重大的作用。短报文系统,简而言之是通过卫星实现天地双向通信。其他三大系统都不存在接收机和卫星之间的双向通信,只是单向接收。作为北斗的特色,短报文服务在后续北斗卫星中保留了下来,为许多国家开展导航卫星研制提供了启发。

北斗二号系统突破了区域混合导航星座构建、高精度时空基准建立的关键技术,实现了星载原子钟国产化,并在国际上首次实现混合星座区域卫星导航系统。该系统建成后,其各项技术指标均与国际先进水平相当。中共中央、国务院、中央军委对北斗区域卫星导航系统的建成给予了高度评价,称“该系统建成并投入使用,是国家和军队信息化建设的重要里程碑,是对我国经济社会发展的重要贡献”。

到了北斗三号,性能提升更为显著,进一步增进服务拓展,提供短报文服务、星基增强服务和国际搜索救援服务。其中短报文服务在全面兼容北斗二号短报文服务基础上,容量提升10倍,用户机发射功率大大降低,能力大幅提升。研发团队率先提出国际上首个高中轨道星间链路混合型新体制,形成了具有自主知识产权的星间链路网络协议、自主定轨、时间同步等系统方案,填补国内空白;研发国内首个适于直接入轨一箭多星发射的“全桁架式卫星平台”,实现了卫星自主监测和自主健康管理;实现了星载大功率微波开关、行波管放大器等关键国产化元器件和部组件成功应用,打破核心器部件长期依赖进口、受制于人的局面,为全球组批研制快速组网建设铺平了道路。

“从国内走向国际、从区域走向全球,北斗卫星导航系统是中国自主建设、独立运行,与世界其他卫星导航系统兼容共用的全球卫星导航系统,系统总体性能在国际上处于领先水平。” 全国政协委员、北斗卫星导航系统工程总设计师杨长风说。他介绍,自2018 年底北斗三号工程建成基本系统、开通全球服务以来,北斗系统运行平稳,经全球范围测试评估,在全球区域定位精度10 米,在亚太区域定位精度5 米,满足指标要求。

服务应用惠及全球

北斗的最后这颗卫星原定于6 月16 日发射,但是在负12小时射前功能检查时,技术人员突然发现一个技术问题。身处发射现场的长征三号甲系列火箭副总设计师李聃解释:“这个问题导致压力数据低于设计指标要求,随即发射队进行了问题排查工作,并且在短时间内就找到了故障点。” 虽然经过技术排故,指标已经恢复正常,但是在发射前航天人有一个最基本的原则,就是“不带疑点加注”“不带隐患上天”,因此,北斗工程指挥部针对这个技术问题,进行了慎重研究,经过讨论决定推迟此次发射。

有惊无险。也正是中国航天人的严谨,保证了最后这颗卫星在6 月23 日顺利发射入轨,实现了北斗全球系统组网的完美收官。北斗所有卫星的发射任务也实现了100% 的成功率。

目前北斗一号4 颗试验卫星已全部退役,从北斗二号首颗星起算,我国已发射55 颗北斗导航卫星。最后发射的这颗卫星属地球静止轨道卫星,经过一系列在轨测试入网后,我国将进行北斗全系统联调联试,在确保系统运行稳定可靠、性能指标优异基础上,择机面向用户提供全天时、全天候、高精度全球定位导航授时服务,以及星基增强、短报文通信、精密单点定位等特色服务。到2035年,我国将建成以北斗系统为核心的,更加泛在、更加融合、更加智能的国家综合定位导航授时(PNT)体系。

目前,北斗系统已经被广泛应用于社会生活中,与每个人的生活都息息相关。在包括市政管理、交通服务、防灾减灾、应急救援、安保安防等在内的诸多民生领域,北斗规模化应用发展趋势明显。比如港珠澳大桥采用北斗高精度形变监测系统,保障安全运行;国内销售的智能手机大部分支持北斗。据杨长风介绍,全国已有600 多万辆道路营运车辆、近4 万辆邮政和快递车辆、8 万辆公交车、3000 多座内河导航设施、近3000 座海上导航设施使用北斗。

随着北斗卫星导航系统的更加完善,北斗的高精度定位、高精度授时、短报文发送功能将与互联网、大数据、云计算等技术相互融合,将惠及更多的行业和个人,正如业内专家所说,“在中国,高精度位置服务正成为像水、电一样的公共服务”。

孙家栋指出,全球卫星导航系统已成为经济社会不可或缺的空间信息基础设施,它将惠及人类生活和经济发展。服务50多个国家、30 多亿人口的中国北斗,已成为我国对外交往的重要合作项目,显著提升了我国的国际地位与影响力。

“自主、开放、兼容、渐进” 是北斗建设的原则,因此,我国始终秉持“中国的北斗,世界的北斗”的发展理念,服务“一带一路” 建设发展,积极推进北斗系统国际合作。目前已经成立了中俄卫星导航合作项委会,中美、中欧卫星导航合作工作组;开通中俄卫星导航联合监测平台,与美、俄分别签署系统兼容与互操作联合声明。通过双方系统兼容与互操作合作,实现了双赢。

目前,国际上已经有半数国家在应用北斗系统,在“一带一路” 建设中,中国北斗更是成为中国又一张闪亮名片。从印度尼西亚的土地确权,到科威特的建筑施工;从乌干达的国土测试,到缅甸的精准农业;从马尔代夫的海上打桩,到泰国的仓储物流;从巴基斯坦的机场授时,到俄罗斯的电力巡检。在不同国度的不同领域,都有中国北斗的身影。

北斗提供全球服务,是北斗建设的一大步,也是北斗发展的新起点。正如孙家栋所说,“北斗一定要走向国际,因为卫星本身就是全球化的”。

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