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中國為什么要建北斗全球系統？還首創用IGSO衛星定位

2019-05-17 10:15:41來源：科學大家

徐穎北斗導航系統科學家、中國科學院空天信息研究院研究員、博士生導師

2018年12月27日，北斗三號基本系統完成建設，開始提供全球服務,北斗系統服務范圍由區域擴展為全球，正式邁入全球時代。

中國為什么要建北斗全球系統？

北斗衛星導航系統“三步走”戰略（圖片來源：中國青年網）

北斗衛星導航系統“三步走”戰略(圖片來源：中國青年網)

上世紀九十年代，北斗系統啟動研制，按照“三步走”發展戰略，先有源后無源，先區域后全球，先后建成北斗一號、北斗二號、北斗三號系統，走出了一條中國特色的衛星導航系統建設道路。

北斗系統衛星總指揮李長江曾說過，第一代衛星導航系統是起步階段，用很少的資金投入，打破了國外衛星導航領域的壟斷，但由于自身原理上的限制，無法發展成全球衛星導航系統，所以在第一代導航系統建設的同時，開始了第二代導航系統的建設認證。

第一代北斗星座接收機是有源的，存在著暴露用戶位置的缺陷，因而，在某些特殊領域的用途受限。如果大家看過劉慈欣的《三體》，應該都記得里面最重要的話：“不要回答，不要回答，不要回答”，因為一旦回答返回信號，你的位置就可能存在暴露的風險。另外，當你向我發送信息后，我需要來響應你，而如果剛好此時還有其他人也給我發送信息，就可能造成信息堵塞，無法及時回復所有人。

在這樣的情況下，建設一個無源的定位系統迫在眉睫，該怎么建設呢?第一步,在2003年左右建成北斗導航一號系統，解決我國衛星導航系統有無問題，為我國及周邊地區中低動態用戶提供快速定位、短報文通信和授時服務;第二步，在2012年左右建成北斗二號系統，為我國及周邊國家提供穩定的導航、定位、測速和授時服務;第三步，在2020年，建成“獨立自主、開放兼容、安全可靠、技術先進、突出重點”的北斗三號系統，開拓國際導航市場。

2018年12月27日，中國北斗衛星導航定位系統正式具備全球定位能力，可在全球范圍內為各類用戶提供高精度、高可靠的定位、導航、授時服務，北斗三號除了提供全球服務以外，繼續保留了傳統的北斗特色服務：短報文和位置報告。北斗三號很好地把導航和通信技術聚合在一個系統中，這個特色服務是美國的GPS、俄羅斯的GLONASS、歐洲的GALILEO三大系統所不具備的。

未來，北斗三號將繼續發射衛星，直到2020年建成由30顆衛星覆蓋的北斗全球系統。北斗全球系統星座由3顆GEO衛星，24顆MEO衛星和3顆IGSO衛星組成;地面段包括主控站、注入站和檢測站等若干地面站;用戶段包括北斗用戶終端以及與其他衛星導航系統兼容的終端。

北斗建設有哪些基本原則？

我們建設北斗系統有四個基本原則，第一個是開放。北斗會向全球用戶免費提供這樣一個服務，就是在北斗官網可以下載相應的ICD文件，自己做北斗的接收機，可以享受國家建設的衛星地面站給你帶來的導航服務。

你可能會問，那我要買這個終端還是要花錢呢?這其實是因為該終端是相應的廠商做的。比如說我們把手機比做成一個服務商的話，你買了手機之后，每個月還需要繳納一定的通訊費用手機才能使用，無論你用的是聯通、移動還是電信。但我們把北斗比作成一個導航位置服務商的話，你使用這個導航服務是不用花錢的，不會每個月向你收取導航位置服務費，這是北斗系統的開放原則。當然開放并不是全部開放，主要開放的是民碼頻點和服務，類似軍碼不會開放，還有通信服務需要授權才可以獲取。

第二個原則是自主，自主這一點不用太多解釋，比如說之前提到的各種“卡脖子”技術等等，都指向了自主這個問題。所以北斗從最開始建設的時候，就有了獨立自主的原則。什么才算獨立自主?第一點是本系統不依賴其他系統，能夠獨立運行，不會因為GPS關閉后系統就不能運行了;第二點是北斗系統里所有核心器件，都百分之百實現了國產化，不能費盡九牛二虎之力建立一個系統，結果核心器件卻要依靠外國進口。

第三個原則是漸進，北斗系統建設分三步走，即上面提過的建設無源導航系統的三步走計劃，有人問北斗三號2020年建成后，后續會不會有四號五號呢?先舉個例子，GPS系統建成已經過去很多年了，現在美國仍在對GPS進行升級，所以說更新換代和升級這個過程一定會持續，主要取決于國家的經濟和技術水平;

第四個建設原則是兼容，致力于實現與其他衛星導航系統的兼容與互操作，讓用戶獲得更好的服務。

2018年，北斗和GPS簽署了兼容協議，之前北斗也和GLONASS簽署過兼容互操作協議。有很多人問為什么要和GPS兼容呢?這其實并不是說兩個系統兼容就相當于合并成一個系統了，兼容和獨立自主之間不矛盾，兼容的意思主要是指在民用頻點和信號的兼容。因為ITU分給導航的頻段有限，所以在這個頻段當中要兼容這些系統，如北斗，GPS、GLONASS等，需要世界各國的導航系統進行協調頻率、調制方式等，最后讓民用的用戶能夠在終端上方便地使用所有可以接收到的導航系統來為其提供更高性能的服務。

所以這四個建設原則下，2004年,北斗二號系統區域系統開始建設，我國的衛星導航定位系統走向了發展新時期。

2007年，北斗二號系統建設穩健推進，發射了第一顆試驗星04星用于接替北斗一號01星，以保證系統聯系穩定運行和不間斷提供服務。衛星壽命有限，北斗一號組網衛星的預期壽命是8年。

2009年，北斗二號G2星升空，預備替換已經工作9年的北斗一號02星。

2010年，接替北斗一號01、03星的北斗二號G1、G3星發射成功，順利接入北斗一號系統，操作時間比預計縮短一半，系統中斷服務僅1秒鐘，圓滿實現平穩過渡。

北斗二號系統：首創用IGSO衛星定位

平穩過渡后，北斗二號系統的建設開始著重解決北斗一號的部分不足，其中，星座結構設計成為后期工作的重中之重。

美國、俄羅斯的導航系統采用的是中圓軌道，MEO衛星均勻分布在軌道面，這樣的對稱星座，軌道面均勻，相位也均勻，是覆蓋全球的最優星座。

對于要形成區域導航服務能力的中國，到底什么樣的星座可行?科研人員發現，MEO衛星繞地球旋轉，每天只有30%的時間位于中國的國土上空，其他時間不能為中國提供服務。最終北斗區域系統沒有以MEO衛星為主，更多采用了傾斜地球軌道衛星IGSO、地球靜止軌道衛星GEO。這兩種衛星的活動范圍，相對固定。

GEO同步衛星軌道傾角為0度，相對地面不動，但有時會處于同一直線上，不能計算定點的位置，因此還需要IGSO衛星，也是同步衛星，但軌道傾角是55度呈“8”字形，有70%-80%的時間停留在中國的國土上空，用IGSO衛星定位，這在世界上是第一次。

目前，北斗區域星座的結構是“5GEO+5IGSO+4MEO”，這是一個星地一體的衛星網絡，對大型復雜星座控制與管理也是確保北斗導航系統可靠性的關鍵。這樣的星座設計可以邊建邊用、以用促建，對于逐步實現衛星導航的構想是必由之路，也更符合中國國情。

重中之重的“原子鐘”

如果說要通過導航衛星直接精確測量出物體空間坐標，這是一件目前還無法完成的技術問題。但衛星導航可以把距離測量轉換成時間測量，以精確的時間信息來表達精確的距離信息，這就是衛星導航的秘密武器。

精確的時間測量，前提要有精確的時間基準，簡單說，就是要高精度的時鐘，這個精度是如此的苛刻，以至于要達到幾十萬年、甚至幾百萬年才能誤差一秒的時鐘，這是當前任何機械時鐘、電子時鐘都不可能達到的精度。

機械表一天差不多有1秒誤差，石英表一天大概有0.1秒的誤差，都無法滿足高精度時鐘的要求。

科學家們在實驗室里驚奇地觀察到，原子鐘電子從一個能級狀態躍遷到另一個能級狀態時，所發射出的電磁波頻率異常的穩定。如果以這個頻率作為鐘擺，就能做出令人難以置信的高精度時鐘，這就是原子鐘的由來。

目前，GPS定位精確度主要取決于衛星上的原子鐘精度，以及各衛星和地面站，衛星間的原子鐘時間同步精度。如果測量的時間誤差達到百萬分之一秒，那么位置就相差300米。

基于時間的基礎性和重要性，我國迫切需要建設獨立自主的時間系統，而其中的關鍵就是高精度的原子鐘。

星載氫原子鐘。來源：裝備科技微信公眾號

北京大學、中科院、中國航天科技集團等多個部門空間物理、空間無線電等領域專家組成的課題組，經過兩年研究試驗，原子鐘的難題終于解決了，我國自己生產的原子鐘可以精確到十億分一秒。

原子鐘邁開了從基礎科學研究到產品應用的步伐。中國自己的星載原子鐘設計總體技術方案已成熟，元器件國產化率達到100%，真正實現了技術國內自主化，徹底破除了西方的技術封鎖。現在，中國衛星上的原子鐘已全部實現了國產。這也是航天事業的發展需求推動了科技產業發展的一個真實案例。

為了北斗建設，我們發射過多少衛星？

早在2006年2月21日，根據北斗系統建設規劃和進展，我國第一顆北斗導航系統衛星使用的衛星網絡就登入國際電聯頻率總表。2007年3月26日，北斗一號04星的發射和在軌運行正式啟用了該網絡。

北斗系統在2010-2012年的3年期間共發射了15顆衛星，同期美國GPS BLOCK IIR發射組網，美國人用了八年的時間才將13可導航衛星逐一送上太空。

這一串發射時間，清晰地記錄著我國北斗工程迅猛發展的真實歷程

北斗二號的成功不僅意味著中國已經位居世界衛星導航技術強國之列，也意味著全世界近1/3人口有機會享受更加優質的導航服務，是中國科技發展對亞太地區、對世界的巨大貢獻，是中國人在世界航天史上留下的濃墨重彩的一筆。北斗歷盡磨難，走過了風風雨雨的二十年，終于達到了第一個高峰。

北斗系統廣泛應用造福于民

自2011年12月27日正式宣布提供服務以來，北斗衛星導航系統已轉入系統建設和應用推廣并舉的新階段，并逐步拓展到交通運輸、氣象、漁業、林業、電信、水利、測繪等應用領域。

漁船航運：在我國南海，大概有70%的漁船都裝載北斗系統，我們都知道海上其實沒有基站，所以沒有辦法打電話，科考船一般會有衛星電話，海事衛星會保障通信，但對于漁民，衛星電話費用昂貴，漁民一般出海就會失聯，無法保持通信。現在漁船裝載北斗系統后，漁民出海捕魚既可以通過發短信給家里人報平安，如果遇上危險還可以直接聯系海警求救。

精確授時：北斗系統的氫原子鐘精度非常高，有了這么高的精度可以來做什么呢?現實生活中，就算我們手機上時間差了一兩分鐘，對生活其實也不會有太大影響，但在關系著國計民生的行業當中，比如說金融業，如果金融結算當中的結算時間相差一毫秒，結算金額可能就會相差幾千萬美元;在電力系統中，如果不能夠做到各個地區時間和頻率高度一致的話，就有可能就在用電高峰期發生峰值疊加，從而導致整片區域斷電。

抗震救災：汶川地震時候，自然災害導致所有的通信設施不能使用，而衛星在天上不受地面災害的影響，當時災區的通信服務如移動等做通信恢復已經非常及時，一兩天的時間就能夠再次提供通信服務，但是我們也知道黃金72小時救援，所以1分1秒都非常非常寶貴，不能浪費，汶川地震后的第一條信息就是由北斗一號終端發出來的，能夠在非常危急、非常態情況下，提供緊急救援的導航和通信服務。

我們可以看到，北斗系統不管上天、入地還是下海，不管是對人還是車輛，都提供了最最基礎的時間、空間的信息服務，引用衛星導航系統業內的一句名言：衛星導航應用系統的應用只受制于人們想象力的限制!

未來的導航系統：PNT體系

最后我們來暢想下未來是什么樣子。北斗3號之后是不是還會有北斗四號、五號?一定是有的，但也許不叫這個名字，因為我們現在正在論證PNT體系。

P就是positioning，N是navigation，T是timing，也就是定位導航授時體系的意思，美國在08年開始研究PNT體系，其目的是要建設一套不依賴于GPS的隨時導航定位授時的體系，因為美國發現對于GPS太過依賴，如果沒有GPS很多東西可能都會無法使用，而GPS在某些情況下很容易被干擾或是被欺騙，這是衛星導航系統存在的天然脆弱性，無法避免。

所以我們也想研究做中國國家的PNT體系，能夠真正作為北斗系統的補充、備份增強和融合，在北斗系統現在覆蓋不到的地方，提供一個為任何人，在任何地點，任何精度的可靠服務，也包括導航和通信深度融合的技術，希望能夠在北斗系統建成之后，真正的構建一個應用更廣泛和更可靠的系統。

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