田原 張書雨
摘 要:北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國(guó)自主研發(fā)、獨(dú)立運(yùn)行的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),它能夠提供全天候、全天時(shí)、高精度、高可靠的定位、導(dǎo)航、授時(shí)服務(wù),并具備獨(dú)特的短報(bào)文通信功能。20世紀(jì)70年代,為了打破美國(guó)的GPS在衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域的壟斷地位,確保我國(guó)在國(guó)防、林業(yè)、漁業(yè)、運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域的戰(zhàn)略安全,我國(guó)組織開展了衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的論證和研究工作。北斗是由國(guó)家主導(dǎo)的大型工程,在每一次重大決策中,集體決策均充分發(fā)揮了作用。自研發(fā)至今,國(guó)家組織投入了大量的科研經(jīng)費(fèi),并調(diào)用了黨政軍各大部門配合實(shí)施工程建設(shè)。經(jīng)過40多年的努力,北斗二號(hào)區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)穩(wěn)定的向我國(guó)及周邊地區(qū)提供連續(xù)的定位導(dǎo)航授時(shí)服務(wù)。然而,伴隨著這些的巨大成就,北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在全球監(jiān)測(cè)、精度可靠度、用戶機(jī)成本、星座穩(wěn)定性等方面,都存在一些可以改進(jìn)的問題和需要加強(qiáng)的地方。目前全球一共有4個(gè)規(guī)模較大、技術(shù)成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),分別是GPS、GLONASS、Galileo和北斗,在未來(lái),北斗必將面臨其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)全面的競(jìng)爭(zhēng),它必須在安全性、便捷性、可靠性、精確性等方面發(fā)展處自己獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。
關(guān)鍵詞:衛(wèi)星導(dǎo)航 科技體制 北斗 成就 發(fā)展
中圖分類號(hào):G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1674-098X(2015)05(b)-0021-03
早在1973年4月,美國(guó)國(guó)防部就提出了研究、創(chuàng)建新一代衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng)的計(jì)劃。1991年,美國(guó)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)GPS首次被美國(guó)空軍使用于美伊海灣戰(zhàn)爭(zhēng),并在戰(zhàn)爭(zhēng)中展示了其卓越的性能和非凡的價(jià)值。GPS也被譽(yù)為人類繼登月計(jì)劃和航天飛機(jī)后在空間技術(shù)領(lǐng)域的又一大重大成就,是美國(guó)軍方繼internet之后為全球做出的另一大貢獻(xiàn)。
衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)可以廣泛的應(yīng)用于國(guó)防、林業(yè)、漁業(yè)、運(yùn)輸、通信等關(guān)乎國(guó)計(jì)民生的重大領(lǐng)域,并帶來(lái)極其顯著的經(jīng)濟(jì)政治效益。因此,對(duì)于一個(gè)國(guó)家而言,擁有獨(dú)立的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),就意味著能夠擺脫美國(guó)對(duì)GPS的控制,在經(jīng)濟(jì)政治軍事上不受美國(guó)的制約。不盡如此,正如美國(guó)擁有GPS后能對(duì)GPS使用者形成制約那樣,擁有獨(dú)立的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),便能對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)使用者保持某種程度的制約性。所以,盡管研制建設(shè)一個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)需要巨大的資金和漫長(zhǎng)的時(shí)間,那些擁有足夠?qū)嵙Φ膰?guó)家和地區(qū)還是在積極發(fā)展自己的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。
研制建設(shè)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),要求在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)、微處理器、固態(tài)半導(dǎo)體、原子鐘、信號(hào)處理、大功率通信、運(yùn)載火箭等領(lǐng)域擁有先進(jìn)的技術(shù),并且擁有強(qiáng)大的政治經(jīng)濟(jì)資源。目前,全球能夠滿足這一條件的,目前只有美國(guó)、歐盟、俄羅斯和中國(guó)。他們無(wú)一例外的都先后開始了獨(dú)立的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)研制建設(shè)。
北斗的系統(tǒng)研制建設(shè)秉持先解決有無(wú)問題,再解決好壞問題,抓住了全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的核心安全問題為突破口,一期工程先解決了我國(guó)區(qū)域內(nèi)獨(dú)立自主導(dǎo)航的問題,消除了安全隱患。二期工程著手于發(fā)展高精度高質(zhì)量的全球?qū)Ш较到y(tǒng),開始與GPS競(jìng)爭(zhēng)。
1 北斗一號(hào)的成就與問題
一個(gè)國(guó)家或地區(qū),要發(fā)展自己的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),需要具備強(qiáng)大的政治經(jīng)濟(jì)科技力量。我國(guó)早在20世紀(jì)70年代就開始了導(dǎo)航衛(wèi)星的論證和研究工作,接著在80至90年代制定并開展了被稱為“北斗一號(hào)”的工程建設(shè)。工程的任務(wù)是利用少量地球靜止同步軌道衛(wèi)星來(lái)完成衛(wèi)星導(dǎo)航的試驗(yàn)任務(wù),并為北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)積累技術(shù)經(jīng)驗(yàn)和培養(yǎng)人才,并開始研制建設(shè)一些地面應(yīng)用基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備等。
經(jīng)過十幾年的努力,我國(guó)在2002年正式開通運(yùn)行了北斗一號(hào)試驗(yàn)系統(tǒng),使得我國(guó)成為繼美國(guó)、俄羅斯之后的第三個(gè)擁有自主衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的國(guó)家。完整的北斗一號(hào)系統(tǒng)包括4顆地球靜止同步軌道衛(wèi)星和若干個(gè)地面中心站、監(jiān)測(cè)站。北斗一號(hào)的用戶在使用時(shí),需要向衛(wèi)星發(fā)送定位請(qǐng)求信號(hào),請(qǐng)求信號(hào)經(jīng)過衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)至地面站后,地面站通過數(shù)據(jù)處理,將該用戶請(qǐng)求的結(jié)果再次通過衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)至用戶。用戶通過衛(wèi)星與地面站進(jìn)行交互,在這種交互中,用戶被允許發(fā)送一些文字信息,這些文字信息可以根據(jù)用戶要求發(fā)送至其他指定用戶。
與GPS系統(tǒng)或GLONASS系統(tǒng)相比,北斗一號(hào)試驗(yàn)系統(tǒng)主要有5個(gè)特點(diǎn),一是包含的衛(wèi)星數(shù)量很少,二是地面監(jiān)測(cè)站的分部范圍較小,三是定位服務(wù)覆蓋區(qū)較小,四是用戶定位需要主動(dòng)發(fā)送請(qǐng)求,五是用戶之間可以進(jìn)行簡(jiǎn)單交流。
北斗一號(hào)的論證時(shí)期是20世紀(jì)70年代,研制建設(shè)運(yùn)行時(shí)期主要是20世紀(jì)80至90年代。北斗論證的時(shí)代背景是國(guó)家剛從十年浩劫中解脫出來(lái),百?gòu)U待舉,直到1979年正式改革開放,中國(guó)才走上了一條漫長(zhǎng)的經(jīng)濟(jì)復(fù)興之路。北斗論證時(shí)期,中國(guó)的GDP總量與美國(guó)相比,如圖1、圖2所示,不可同日而語(yǔ),這制約了北斗試驗(yàn)系統(tǒng)的規(guī)劃空間和系統(tǒng)規(guī)模。中國(guó)不得不采用雙星主動(dòng)定位模式來(lái)進(jìn)行衛(wèi)星導(dǎo)航試驗(yàn)和驗(yàn)證工作。與美俄相比,我國(guó)只發(fā)射了4顆衛(wèi)星用于試驗(yàn),這種模式迫使地面的用戶機(jī)必須具備強(qiáng)大的發(fā)射功率,而目前的電池技術(shù)完全無(wú)法支持這種大功耗用戶機(jī)長(zhǎng)時(shí)間工作。更嚴(yán)重的是,這種主動(dòng)定位式導(dǎo)航方式會(huì)暴露用戶機(jī)位置,不論軍方還是民間,均無(wú)法接受這一安全問題。
可以看到,由于初期經(jīng)濟(jì)實(shí)力的限制,要推進(jìn)衛(wèi)星導(dǎo)航工程的研制建設(shè),可以說是步履維艱,不斷需要面對(duì)預(yù)算不夠和發(fā)展不足的兩難問題。北斗一代的發(fā)展之路,可以說是非常艱難的。
另一方面,由于我國(guó)外交政策中不結(jié)盟的承諾,我國(guó)在海外并沒有軍事基地,這使得中國(guó)的北斗無(wú)法像美國(guó)或俄羅斯的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)一樣,獲得來(lái)自全球的地面監(jiān)測(cè)信息。而恰恰是這些信息,能夠讓一個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)擁有較高的定位精度,并積累下大量寶貴的數(shù)據(jù)用于后期周邊研發(fā)。
北斗一代的成功運(yùn)行,使得我國(guó)突破了美國(guó)GPS的安全枷鎖,擁有了獨(dú)立自主導(dǎo)航定位能力。但是,由于綜合國(guó)力、發(fā)展經(jīng)驗(yàn)、國(guó)家安全等限制,北斗一代的主要用戶來(lái)自軍隊(duì)、林業(yè)、漁業(yè)、運(yùn)輸、探測(cè)等重大民生領(lǐng)域,并未能在普通居民的日常生活中發(fā)揮作用。北斗一代的信號(hào)由于安全限制,普通接收機(jī)無(wú)法將其解調(diào)得到有用的信息。而系統(tǒng)的運(yùn)行管理、研制建設(shè)均由國(guó)家主導(dǎo),集體決策。所以,北斗一代沒有為民所享、為民所有、為民所治。
2 北斗二號(hào)的成就與問題
北斗二號(hào)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是中國(guó)在北斗一號(hào)積累的寶貴經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,獨(dú)立開發(fā)的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。北斗二號(hào)并不是北斗一號(hào)的簡(jiǎn)單延伸,它克服了北斗一號(hào)系統(tǒng)存在的缺點(diǎn),能夠提供海、陸、空全方位的全球?qū)Ш蕉ㄎ环?wù),類似于美國(guó)的GPS和歐洲的伽利略定位系統(tǒng)。根據(jù)系統(tǒng)研制計(jì)劃,中國(guó)預(yù)計(jì)在2020年建成由30多顆衛(wèi)星組成的,覆蓋全球的北斗二號(hào)衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。
北斗二號(hào)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)空間段由5顆靜止軌道衛(wèi)星和30顆非靜止軌道衛(wèi)星組成,目前可以提供被動(dòng)定位導(dǎo)航、測(cè)速、授時(shí)和通信服務(wù),并且在服務(wù)精度、準(zhǔn)確度、頻度上,都較北斗一號(hào)有了質(zhì)的飛躍。不僅如此,和GPS相比,北斗導(dǎo)航系統(tǒng)還有如下重要特點(diǎn)。一是北斗導(dǎo)航系統(tǒng)由我國(guó)自主控制,而GPS系統(tǒng)則是由美國(guó)軍方控制。GPS是由美國(guó)軍方掌控的系統(tǒng),其可用度受制于美國(guó)的GPS政策,可在需要的時(shí)候局部關(guān)閉GPS信號(hào)。所以對(duì)于我國(guó)而言,北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)是真正安全可靠,能夠?yàn)槲覈?guó)提供全天候、全天時(shí)服務(wù)的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。二是北斗導(dǎo)航系統(tǒng)衛(wèi)星高度約為GPS衛(wèi)星的1.8倍,接收機(jī)遮蔽角比GPS小,信號(hào)不易被接收機(jī)附近的高大物體遮蔽,北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)是真正適合于我國(guó)的無(wú)服務(wù)盲點(diǎn)的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。三是授時(shí)體制好、授時(shí)精度高,北斗地面控制中心具有多臺(tái)原子鐘并與國(guó)家授時(shí)中心組成北斗守時(shí)中心,為北斗系統(tǒng)提供高精度時(shí)間基準(zhǔn)。北斗授時(shí)用戶終端只需接收任意一顆衛(wèi)星的任意一個(gè)波束信號(hào),即可獲得授時(shí)信息。四是北斗具有雙向通信能力,北斗導(dǎo)航系統(tǒng)具備定位與雙向通信能力可以獨(dú)立完成移動(dòng)目標(biāo)的定位與調(diào)度功能。而GPS系統(tǒng)本身不具備通信能力需要和其他通訊系統(tǒng)結(jié)合才能實(shí)現(xiàn)移動(dòng)目標(biāo)的遠(yuǎn)程定位。
2012年12月27日,北斗系統(tǒng)空間信號(hào)接口控制文件正式版1.0正式公布,北斗導(dǎo)航業(yè)務(wù)正式對(duì)亞太地區(qū)提供無(wú)源定位、導(dǎo)航、授時(shí)服務(wù)。2013年12月27日,北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正式提供區(qū)域服務(wù)一周年新聞發(fā)布會(huì)在國(guó)務(wù)院新聞辦公室新聞發(fā)布廳召開,正式發(fā)布了《北斗系統(tǒng)公開服務(wù)性能規(guī)范(1.0版)》和《北斗系統(tǒng)空間信號(hào)接口控制文件(2.0版)》兩個(gè)系統(tǒng)文件。2014年11月23日,國(guó)際海事組織海上安全委員會(huì)審議通過了對(duì)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)認(rèn)可的航行安全通函,這標(biāo)志著北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正式成為全球無(wú)線電導(dǎo)航系統(tǒng)的組成部分,取得面向海事應(yīng)用的國(guó)際合法地位。
北斗二號(hào)的研制建設(shè)階段正值我國(guó)經(jīng)濟(jì)騰飛時(shí)期,所以不論在系統(tǒng)規(guī)劃論證上還是在研制規(guī)模上,都可以立足于實(shí)際需求和未來(lái)發(fā)展來(lái)布局。這使得北斗二號(hào)能夠提供全球范圍的安全服務(wù),用戶可以在安全的情況下得到準(zhǔn)確的導(dǎo)航信息。
然而,和北斗一號(hào)相似的是,北斗二號(hào)依然存在地面監(jiān)測(cè)站數(shù)量不夠的情況。北斗系統(tǒng)在境外依舊沒有監(jiān)測(cè)站,這影響了北斗衛(wèi)星的及時(shí)控制,也降低了衛(wèi)星監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量。
北斗二代在北斗一代完全不同,它的導(dǎo)航信號(hào)體制規(guī)范文件已經(jīng)發(fā)布,能夠支持大范圍內(nèi)的高精度無(wú)源導(dǎo)航,普通居民完全可以在日常生活中隨意使用導(dǎo)航信號(hào)。不但如此,由于導(dǎo)航信號(hào)的體制文件的公布,任意接收機(jī)在接收到信號(hào)后都可以進(jìn)行解調(diào),得到自己需要的信息??梢哉f,北斗二代真正做到了為民所享和為民所有。但由于北斗二代是我國(guó)重要的戰(zhàn)略設(shè)備,其運(yùn)行維護(hù)一直由軍方負(fù)責(zé)。同樣,世界上任何一個(gè)國(guó)家的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)均由軍方負(fù)責(zé)。由于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的特殊性,為民所治永遠(yuǎn)不會(huì)發(fā)生。
北斗導(dǎo)航由一代到二代的巨大發(fā)展,需要大量的實(shí)質(zhì)性創(chuàng)新成果及成功應(yīng)用。北斗導(dǎo)航的創(chuàng)新模式并不是單一的某類創(chuàng)新。在北斗的研制建設(shè)中,我國(guó)采取的自主創(chuàng)新、模仿創(chuàng)新和合作創(chuàng)新三種模式都產(chǎn)生了明顯成果。由于發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)我國(guó)的技術(shù)封鎖,在關(guān)鍵的技術(shù)領(lǐng)域我國(guó)一沒有工業(yè)基礎(chǔ),二沒有科研經(jīng)驗(yàn),北斗的科研團(tuán)隊(duì)積極采取自主創(chuàng)新的工作模式,解決了大量難題,取得了成果;美國(guó)的GPS和俄羅斯的GLONASS都是成熟的全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng),科研團(tuán)隊(duì)根據(jù)我國(guó)具體情況,充分研究借鑒了另外兩個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的成功之處。目前歐盟也在組織開發(fā)Galieo系統(tǒng),我國(guó)也抓住機(jī)會(huì),與歐盟合作,產(chǎn)生了科研成果。可以說,在北斗的研制建設(shè)中,我國(guó)根據(jù)具體問題的特點(diǎn),靈活的采用了不同創(chuàng)新模式,順利解決了一系列技術(shù)難題,這是北斗二代能夠成功運(yùn)行服務(wù)的一個(gè)重要保障。
3 北斗未來(lái)的發(fā)展方向
北斗目前的用戶使用量還不如GPS多,還有巨大的經(jīng)濟(jì)效益沒有發(fā)揮出來(lái),北斗導(dǎo)航系統(tǒng)未來(lái)的發(fā)展,我認(rèn)為有兩個(gè)需要關(guān)注的方向。一是一定要解決全球建立監(jiān)測(cè)站的問題;擁有全球范圍的監(jiān)測(cè)站,就能夠?yàn)閷?dǎo)航衛(wèi)星進(jìn)行及時(shí)高效的維護(hù)和修正,使得衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)一直工作在一個(gè)良好的狀態(tài)中。這些都是一個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)得到全球用戶認(rèn)可的必要條件。二是需要進(jìn)一步提高衛(wèi)星系統(tǒng)的智能程度;GPS已經(jīng)開始發(fā)展衛(wèi)星智能運(yùn)行,衛(wèi)星可以在地面不干預(yù)的情況下根據(jù)預(yù)設(shè)信息依然正常運(yùn)行一段時(shí)間。這種智能運(yùn)行模式不但極大降低了衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的運(yùn)行成本,也提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定程度和精確程度。
而在北斗未來(lái)的研制建設(shè)和發(fā)展中,科研創(chuàng)新體系也存在一系列問題。北斗的快速發(fā)展,是建立在眾多國(guó)家部委和眾多軍隊(duì)機(jī)關(guān)的配合上的。但這種多部門協(xié)作的方式也會(huì)帶來(lái)三類問題。在眾多平級(jí)部門之間、軍方地方之間,資源的分配不均和利用率不高,創(chuàng)新主體定位不清,政策執(zhí)行力度不夠始終是一個(gè)令人遺憾的問題。
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