北斗“收网”：全球组建速度最快的卫星导航系统

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　　原标题：北斗“收网”

　　来源：21世纪经济报道

　　作者：骆轶琪

　　2020年6月23日，西昌卫星发射中心成为万众瞩目的焦点。

　　上午9：42，长征三号乙运载火箭自主供电；9：43火箭正式升空，46分开始助推器分离……10：09星箭分离，10：15经西昌卫星发射中心主任张学宇确认，第五十五颗北斗导航卫星发射圆满成功。这成为中国卫星导航系统的历史性时刻。

　　伴随这最后一颗静止轨道卫星（GEO）成功上天，北斗三号全球卫星导航系统完成全球组网。自此，一群来自中国自主研发的卫星得以覆盖全球信号源，形成一片“星座”海。得到这个“果”，我们国家仅走了二十余年。

　　提到导航，距离大众最近的可能就是手机了。一个耳熟能详的场景是地图软件中提示“GPS信号弱”云云，虽然跟美国全球卫星导航系统GPS撞了名，但实际上今天应用到手机中的GPS已是“全球定位系统”的简称，是已经融合了全球四大卫星导航系统综合性判断的产物。

　　除中国北斗和美国GPS之外，全球卫星导航系统（GNSS）核心供应商还有欧盟Galileo、俄罗斯GLONASS，基于各自发展进程、部署技术落点、频谱资源的差异，而在地球大气层之外的高空联合编制了多层大网，四大系统之间相互兼容，共同为人类提供高精度卫星导航服务。

　　相比之下，中国的北斗系统虽然起步较晚，但具有独创的中高轨混合星座架构，在获取位置信息外更有独有的功能设置。2019年底的一次会议中，中国卫星导航系统管理办公室主任、北斗卫星导航系统新闻发言人冉承其表示，“我们建设的北斗三号系统，完全是自主创新、自主设计、自主建造、自主可控，是响当当的中国创造产品。”

　　但这远非终点，按照中国卫星导航定位协会首席科学家曹冲的总结，未来十年，卫星导航在技术上依然有软肋需要克服，而更广阔的应用市场尚被人类的想象力所限制。

　　全球四大卫星导航系统关于下一代技术和服务的部署早已开启，并相继选择以2035年前后作为新的节点，期待着进一步泽陂寰球。

　　1、二十六年三步走

　　早在上世纪七十年代，我国曾提出过建立自己的卫星导航定位系统——灯塔系统。按照北斗二号卫星系统总指挥李长江的回忆，由于当时的国民经济无力支撑，这一系统最终无奈退出了历史舞台。

　　在此后一段时间内，中国在诸多应用领域曾一度采用美国的GPS导航技术。但这些代表个人时间和空间精准定位的信息管道被掌握在他人之手，并不让人轻松。其不仅关乎对自主安全性的掌控力，也会在一定历史阶段后面临可能“被卡脖子”的困境。

　　关键起点发生在1994年，主客观条件相对成熟后，我国下定决心启动了北斗一号卫星导航系统的建设。

　　这是一个从无到有的过程，但诉求也愈发迫切。就在这一年，美国GPS卫星导航系统建成并开始投入应用，从历史节点来说，他们跑在了相对前面，也在后续很长时间内，成为全球卫星导航系统中发展最为成熟者。

　　对于建设初期的中国北斗来说，从技术条件到财力支持，很多都是未知的。但中国的卫星技术系统已经涌现出人才，为接下来北斗系统的独特性奠定了基础。

　　1985年，中国科学院院士、“863计划”的倡导者陈芳允刚刚被选为国际宇航科学院院士，并提出利用地球同步卫星进行定位和通信的设想，也即双星定位原理系统，又称“有源定位服务”的技术体制，后来成为北斗计划的最初理论来源。

　　这一技术路线可以让北斗系统在初期仅用两颗同步定点卫星和地面高程数据库，就能够实现对目标范围内的定位；除此之外，用户还能结合位置发送短信，并有位置报告等功能，至今这都是北斗系统独有的功能。

　　不过也有短板，通过有源服务要实现定位，需要由终端机通过卫星与地面控制站实现交互，同时要地面控制站解决中间算法的问题，这导致接入北斗一号系统的用户数有一定限制。

　　2000年，我国首次发射了属于自己的2颗地球静止轨道卫星并旋即投入使用，北斗一号正式开启部署。也是从那时起，中国成为继美国、俄罗斯之后，全球第三个拥有独立卫星导航系统的国家。

　　北斗一号卫星导航系统实现了主要面向中国用户，提供定位、授时、广域差分和短报文通信等服务，踏稳了第一步。

　　为走向更广阔的空间、发挥更大效用，迭代很快来临。2007年至2012年间，北斗二号系统先后发射了16颗卫星，形成中国独有的“地球静止轨道卫星（GEO）+倾斜地球轨道卫星（IGSO）+中圆地球轨道卫星（MEO）”中高轨混合星座架构，从精密度、抗遮挡能力、覆盖范围等方面为后续发展奠定了扎实基础。

　　此外，保留了北斗一号的技术体制，增加“无源定位服务”技术，开始面向亚太地区提供相应服务。相比“有源服务”，“无源”这一技术体制对于用户数量不再有限制，也是与美国GPS系统一致的路线。

　　“北斗二号的定位就是要跟GPS差不多，要做全球的定位系统。但那时候一些技术条件国内还没有达到全球最领先的水平，比如原子钟、全球测控点等方面，所以北斗二号的卫星轨道定位能力和精度会面临挑战。”在接受21世纪经济报道记者专访时，中海达董事长廖定海如此总结道。

　　自2020年开始，完成30颗卫星发射组网后，北斗三号系统已全面建成。延续多年来的技术路线之外，中国采用Ka星间链路的频段，这能够得到更高保密性和通信速率，中国正式开启了完善的全球范围卫星导航应用服务。

　　北斗星，中国传统上用来指引方向的星座矩阵，正以另一种经过精密测算的协作方式，走进万家灯火，辅助保卫家国。

　　2、兼容并蓄的全球四大系统 

　　从卫星导航系统的部署和演进速度来看，中国无疑是最快的，也因部署路线的不同，独特性明显。

　　“美国、欧盟和俄罗斯的卫星导航系统都是以动态卫星为主，策略是让最少数量的卫星运动起来，每个地方保证3颗以上卫星。而我们的北斗系统采用了静止轨道卫星+非静止轨道卫星组合的方式，其原理叫做‘后方交汇’。”廖定海分析道，卫星分布越分散，卫星构成的空间立方体体积就越大，对用户的定位精度也会更高。

　　非静止轨道卫星又分为中圆轨道卫星和倾斜地球同步轨道卫星，廖定海认为，中圆轨道卫星的轨道高度一般在2万千米左右，距离地面较远会导致定位精度表现不甚好，而北斗系统由于有同步轨道卫星跟随，结合起来相比单纯依靠某一类卫星的定位精度会表现更优，也即几何分布因子更好。“所以北斗系统的定位会比GPS表现更精准。”他指出。

　　因此综合来看，廖定海表示，北斗三号从高精度定位、频率和通道数等各方面性能来说，已经不亚于美国GPS系统，相关系统的部署和建设速度也十分迅速。当然在北斗系统不断追赶的这些年，GPS系统也在不断更新，增加了不少新的卫星通道。

　　国金证券也在研报中指出，相比前代，北斗三号应用了更为先进的新一代铷原子钟与全球领先的“星间链路”模式，这令北斗三号将定位精度提升2-3倍，达到优于4米左右的服务精度；频率稳定度较之前提高了10倍，直接推动精度、测速与授时提升一个量级；实现可靠的自主导航，即使地面站全部失效，北斗系统仍能通过星间链路为用户提供精准定位与授时。

　　该机构认为，北斗系统已实现天地一体化布局，构筑起网络状的精准时空体系。组网完成后将与国外导航系统不分伯仲，并具独特优势。

　　不过，全球四大卫星通信系统绝非完全对立或独立的竞争关系，这些大国重器型的技术实际上一直属于竞合关系，看起来“割据一方”的四大系统反而是兼容并蓄的。

　　这是源于，通信世界的频谱资源不会取之不尽，占得时间先机者更有优势。全球四大系统之间掌握的频谱资源不同，共享是必由之路。

　　“以前有说法认为，将来北斗系统会替代、打败GPS系统，全球几大系统孤立来看是不对的。”廖定海指出，实际上对民用体验来说，全球四大卫星导航定位系统一起使用效果会最好。

　　对于产业界的公司来说，则是在芯片设计层面开放兼容更多功能，包括射频、基带、信号处理和算法等方面，从而可以接收来自四大全球卫星导航系统的信息。

　　“通过这四个系统可以获取到来自几十颗卫星的信息，可靠性会好很多。这也是建立GNSS全球导航卫星系统的意义所在。”廖定海续称。

　　3、下一步挑战

　　兼容并蓄是一方面，从自身发展来说，四大系统已经“划定”了接下来的“竞赛”跑道。

　　中国卫星导航定位协会首席科学家曹冲就指出，“未来十年，卫星导航还有什么要做的？简单地说，就是要用好、用足北斗，并且将其升级换代实现新时空体系的跨越发展。”

　　其中涉及两个方面，其一是技术迭代的深化，其二则是应用落地扩围。这成为产业链探索的趋势所在。

　　曹冲解释道，实际上卫星导航的软肋依然明显：日地空间的太阳黑子与地磁等地球物理异常扰动变化，物理遮挡、屏蔽与多径和反射，以及有意无意的干扰威胁和扰乱欺骗攻击，都将会导致GNSS信号接收的异常中断和操纵失败。

　　为此，我们国家已经在推动大范围的地基增强系统落地，在此基础上对星基增强系统的加速部署也在计划表中。

　　简言之，这两类技术分别从地面基准站信号增强和空中卫星间信号增强着手，全球四大系统其实都在坚定执行中。

　　廖定海告诉21世纪经济报道记者，“除了区域性增强系统，发展组合导航技术将成为卫星导航技术的又一重要方向。”

　　具体来说，一方面卫星导航技术自身会不断发展，通过升级核心元件，从而减少功耗、降低成本。中海达在已推出射频芯片的基础上，目前在着手基带芯片研发。

　　另一方面，卫星导航和惯性导航技术可以更深入地结合。由于卫星导航系统要接收来自天空的信号，在信号中断的地方无法定位；而惯性导航技术不受外界影响，可以自主定位；但随着时间增长，惯性导航定位的误差会逐渐变大，这又需要卫星导航的实时定位来消除误差积累。因此二者的有效融合能解决实际应用中的关键问题。

　　技术和应用从来相辅相成。正扑面而来的“新基建”浪潮，显然已对“北斗+”和“+北斗”打开巨大想象空间。

　　廖定海就认为，5G为北斗系统打开了产业新生态，随着逐步把北斗精准位置服务加载上去，前景将非常广阔。

　　最近一次北斗卫星导航系统大放异彩是在国家对珠穆朗玛峰的第三次登顶测量工作期间，这是首次用上北斗系统，对产业界意义非凡。

　　而基于北斗三号的独特能力，尤其在突发灾害过程中，其重要性尤为凸显。据李长江介绍，2008年汶川地震期间，在网络、通讯全断的情况下，各方力量得以通过北斗的用户机来准确定位，第一时间反馈灾区实地信息，帮助灾民脱离危险。

　　还有迅速发展的自动驾驶、机器人、物联网等，庞大的应用场景在陆续召唤着“国之重器”走向我们身边。

　　正如曹冲形容，卫星导航的应用“如此广泛，乃至无限，其服务只受到人们想象力的限制，只有想不到，没有做不到的。”

　　在不远的将来，再提到卫星导航系统、提到“北斗”，“手机”不再是唯一代名词，我们的触角将可以延伸到无限远。

　　（作者：骆轶琪 编辑：徐旭）

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