龐之浩 王東（北京神舟航天文化創(chuàng)意傳媒有限責任公司）

經(jīng)過26年的努力，2020年6月23日，我國第55顆“北斗”導航衛(wèi)星順利升空，6月30日成功定點于地球靜止軌道（GEO），終于使北斗三號全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)星座在太空落成。它是我國著眼于國家安全和經(jīng)濟社會發(fā)展需要，自主建設(shè)、獨立運行的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)，是為全球用戶提供全天候、全天時、高精度的定位、導航與授時（PNT）服務(wù)的國家重要時空基礎(chǔ)設(shè)施。

2020年7月31日，北斗三號全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)建成暨開通儀式在北京舉行。習近平總書記鏗鏘有力地宣布：“北斗三號全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)正式開通！”

回首中國“北斗”自主創(chuàng)新的發(fā)展歷程，中國空間技術(shù)研究院研制團隊作為“北斗”導航衛(wèi)星研制的“國家隊”，匯聚了各方力量，同舟共濟，攜手拼搏，走出了一條獨特的探索道路。

1 別開生面的“雙星定位”試驗系統(tǒng)

我國早在20世紀60年代末就準備研制導航衛(wèi)星—“燈塔”，但后來由于多種原因而終止。20世紀80年代初，隨著我國經(jīng)濟和技術(shù)的飛速發(fā)展，綜合國力的不斷增強，我國又開始積極探索適合國情的衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)的技術(shù)途徑和方法。1983年，中國科學院陳芳允院士創(chuàng)造性地提出采用“雙星定位”的設(shè)計方案，即利用2顆GEO軌道衛(wèi)星實現(xiàn)國內(nèi)導航定位。

所謂“雙星定位”就是通過采用衛(wèi)星無線電測定業(yè)務(wù)（RDSS）方式來確定用戶的位置。它是以2顆衛(wèi)星的已知坐標為圓心，各自以測定的本星至用戶機距離為半徑，形成2個球面，用戶機必然位于這2個球面交線的圓弧上。電子高程地圖提供一個以地心為球心、以球心至地球表面高度為半徑的非均勻球面，求解圓弧線與地球表面交點即可獲得用戶位置。

要想率先實現(xiàn)這種衛(wèi)星導航定位是一項有較大風險的創(chuàng)新工程。為此，陳芳允院士、童凱院士等專家對這種“雙星定位”系統(tǒng)方案展開了積極的立項論證。

1989年，我國首次利用通信衛(wèi)星進行了“雙星定位”演示驗證試驗，實現(xiàn)了地面目標利用2顆衛(wèi)星快速定位、通信、授時的一體化服務(wù)，證明了該技術(shù)的正確性和可行性，為我國第一代北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)—北斗一號啟動實施奠定了基礎(chǔ)。1993年初，中國空間技術(shù)研究院提出了衛(wèi)星總體方案，初步確定了衛(wèi)星技術(shù)狀態(tài)和總體技術(shù)指標。1994年，我國第一代衛(wèi)星導航系統(tǒng)北斗一號工程立項。

經(jīng)過不斷攻關(guān)，2000年，我國建成了由2顆北斗一號GEO軌道衛(wèi)星組成的國內(nèi)導航衛(wèi)星試驗系統(tǒng)。2003年和2007年，我國又發(fā)射第3顆、第4顆北斗一號GEO軌道衛(wèi)星，進一步增強了系統(tǒng)的性能。它采用有源定位體制，服務(wù)范圍為5°（N）～55°（N）、70°（E）～145°（E）；定位精度為20m；授時精度為100ns；支持用戶每次能發(fā)120個字的短信。

由2顆北斗一號導航試驗衛(wèi)星組成的“雙星定位”系統(tǒng)示意圖

這2顆北斗一號衛(wèi)星運行在經(jīng)度相距60°的GEO軌道上，使我國成為世界上第三個擁有衛(wèi)星導航系統(tǒng)的國家。此外，北斗一號也是世界上第一個有源衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)。所謂有源方式又叫主動式，即用戶進行導航定位時要主動向衛(wèi)星發(fā)送信號。

北斗一號“雙星定位”系統(tǒng)具有周期短、投資少等優(yōu)點，它不僅可全天候、全天時提供有源導航定位和精密授時，還能進行雙向數(shù)字區(qū)域短報文（RSMC）通信服務(wù)；不僅能使用戶知道自己的所在位置，還可以告訴別人自己所在的位置，特別適用于需要導航與移動數(shù)據(jù)通信相結(jié)合的用戶，是一個十分符合當時中國國情的衛(wèi)星導航系統(tǒng)。

2 驚險絕倫的北斗二號區(qū)域系統(tǒng)

不過，北斗一號系統(tǒng)也存在一些明顯的先天不足，例如，它在定位精度、用戶容量、定位的頻率次數(shù)、隱蔽性等方面均受到限制，而且無法測速。為此，我國于2004年立項研制了北斗二號衛(wèi)星導航系統(tǒng)，其方案是在國際上首次實現(xiàn)采用衛(wèi)星RDSS業(yè)務(wù)和衛(wèi)星無線電導航業(yè)務(wù)（RNSS）相結(jié)合的集成體制方式來為用戶提供PNT等服務(wù)。

北斗二號系統(tǒng)由運行在3種軌道的衛(wèi)星組成，其中，GEO軌道衛(wèi)星具備衛(wèi)星無線電導航業(yè)務(wù)、衛(wèi)星無線電測定業(yè)務(wù)功能；傾斜地球同步軌道（IGSO）衛(wèi)星、中圓地球軌道（MEO）衛(wèi)星具備衛(wèi)星無線電導航業(yè)務(wù)功能。所以，北斗二號系統(tǒng)既能為用戶提供衛(wèi)星無線電導航服務(wù)（低、中、高動態(tài)連續(xù)服務(wù)，用戶自主完成連續(xù)定位和測速），又具有位置報告及短報文通信功能，彌補了北斗一號的不足之處。

該系統(tǒng)具體工作過程：用戶被動測量來自至少4顆在衛(wèi)星時鐘控制下的導航衛(wèi)星連續(xù)發(fā)送的無線電導航信號，并根據(jù)這些衛(wèi)星信號的不同傳輸時間來測定用戶到這些衛(wèi)星的不同距離，然后通過用戶終端的數(shù)學運算得到用戶的三維坐標與速度。

然而，北斗一號雖已完成了“雙星定位”，但按照國際電信聯(lián)盟（ITU）的標準，它仍是“試驗系統(tǒng)”，與北斗二號衛(wèi)星播發(fā)的導航信號技術(shù)體制完全不同，所以使用信號的頻率資源也不同。

2000年4月18日，國際電信聯(lián)盟批準了我國申報的導航衛(wèi)星頻率和軌道，北斗二號衛(wèi)星導航系統(tǒng)正式取得了合法地位。不過，根據(jù)國際規(guī)則，應(yīng)在登記后的7年里（即在2007年4月17日之前）使用該頻率，否則就視為過期。

由于北斗二號是2004年才立項的，所以留給它的研制時間只有3年，而當時研制一顆衛(wèi)星需要5年，因此時間緊、任務(wù)重。為此，“北斗人”不斷拼搏，并且優(yōu)化流程，攻克了以導航衛(wèi)星總體技術(shù)、高精度星載原子鐘等為代表的多項關(guān)鍵技術(shù)，終于在2007年4月初，把首顆北斗二號衛(wèi)星與發(fā)射火箭運到了西昌衛(wèi)星發(fā)射中心。

北斗二號區(qū)域衛(wèi)星導航星座

2007年4月14日，我國第一顆北斗二號衛(wèi)星順利升空。經(jīng)過3天的在軌測試，北京終于收到了首顆北斗二號衛(wèi)星發(fā)射的信號，并得到了國際電信聯(lián)盟的官方認定，使我國正式合法擁有了申報的空間位置和頻率資源。

2012年，我國建成了由14顆北斗二號衛(wèi)星（5顆GEO衛(wèi)星＋5顆IGSO衛(wèi)星＋4顆MEO衛(wèi)星）組成的區(qū)域?qū)Ш叫l(wèi)星星座。北斗二號系統(tǒng)在兼容北斗一號系統(tǒng)基礎(chǔ)上，采用了混合星座，增加了無源定位體制，為亞太地區(qū)用戶提供定位、測速、授時和短報文通信服務(wù)。其服務(wù)范圍為55°（E）～180°（E），55°（N）～55°（S）；定位精度為10m；測速精度為0.2m/s；授時精度為50ns；短信的字數(shù)每次仍為120個字。

3 性能優(yōu)異的北斗三號全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)

在“北斗”衛(wèi)星導航系統(tǒng)的發(fā)展戰(zhàn)略上，專家們通過對不同發(fā)展方式的論證，最終決定采用“先國內(nèi)有源、再區(qū)域無源、最后全球無源”這一“三步走”的“北斗”發(fā)展戰(zhàn)略。 作為“三步走”發(fā)展戰(zhàn)略的最后一步，我國在2009年正式啟動了北斗三號的建設(shè)。建設(shè)高性能、高可靠的北斗三號全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)作為我國科技領(lǐng)域中長期發(fā)展規(guī)劃的16項重大專項之一，可使我國衛(wèi)星導航系統(tǒng)達到國際先進水平。

3種軌道衛(wèi)星

從2017年11月5日發(fā)射首批北斗三號MEO軌道衛(wèi)星起，我國正式開始建造“北斗”全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)。2020年6月23日，我國終于建成了由30顆北斗三號衛(wèi)星（3顆GEO衛(wèi)星＋3顆IGSO衛(wèi)星＋24顆MEO衛(wèi)星）組成的全球衛(wèi)星導航星座。其中，MEO衛(wèi)星具備衛(wèi)星無線電導航業(yè)務(wù)和星間鏈路功能，IGSO衛(wèi)星、GEO衛(wèi)星具備衛(wèi)星無線電導航業(yè)務(wù)、衛(wèi)星無線電測定業(yè)務(wù)、星間鏈路功能。北斗三號全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)全球范圍定位精度優(yōu)于10m，根據(jù)最新測算，全球?qū)崪y定位精度均值為2.34m。

2020年6月23日發(fā)射的最后一顆北斗三號衛(wèi)星是GEO衛(wèi)星，它與前2顆北斗三號GEO衛(wèi)星分別定點在80°（E）、110.5°（E）和140°（E），具備無線電導航、無線電測定、星基增強、精密單點定位、功率增強、站間時間同步和定位六大本領(lǐng)。

北斗三號GEO衛(wèi)星與IGSO衛(wèi)星都采用東方紅三號B平臺。該衛(wèi)星平臺能集成多種載荷，成為天基數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點；具備位置調(diào)整能力；在軌工作壽命12年。衛(wèi)星有效載荷包含導航、天線和轉(zhuǎn)發(fā)3個分系統(tǒng)，平臺包含綜合電子、控制、推進、測控、電源、總體電路、自主運行、熱控、結(jié)構(gòu)和監(jiān)視測量分系統(tǒng)。

北斗三號全球衛(wèi)星導航星座

性能明顯提高

與北斗二號系統(tǒng)相比，北斗三號系統(tǒng)除了把服務(wù)區(qū)域由區(qū)域擴大到全球覆蓋外，在定位精度和授時精度明顯提高，短信字數(shù)、衛(wèi)星壽命大大增加。例如，衛(wèi)星壽命由8年提高到10～12年，區(qū)域短報文提升至1000個漢字。北斗三號系統(tǒng)還按照國際標準，增加了全球搜救、全球位置報告和星基增強等拓展服務(wù)。由于有星基增強服務(wù)功能，所以可為應(yīng)急通信、飛機起降提升熱點服務(wù)能力，滿足特殊用戶的需求。北斗三號系統(tǒng)的服務(wù)能力較北斗二號拓展了10倍，在通信、電力、金融、測繪交通、漁業(yè)、農(nóng)業(yè)、林業(yè)等領(lǐng)域，更多的人可以享受到北斗三號系統(tǒng)的普惠服務(wù)。

北斗三號系統(tǒng)有不少重大技術(shù)創(chuàng)新或改進，突破了新型導航信號生成、星間鏈路、衛(wèi)星自主健康管理、全桁架式衛(wèi)星平臺、導航衛(wèi)星高精度光壓建模、導航星座健康評估及預測等關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)了導航大型星座高效管理和我國導航衛(wèi)星能力的提升和跨越。

其最大特色就是星座首次采用了星間鏈路技術(shù)，實現(xiàn)了星間數(shù)據(jù)傳輸和精密測量，可快速建立與中軌衛(wèi)星、高軌衛(wèi)星、地面之間的信息鏈路，滿足衛(wèi)星一站式測控需要，從而大幅提高衛(wèi)星測定軌精度，提升電文注入頻度，并解決了境外監(jiān)測衛(wèi)星的難題，大大減少了對地面站的依賴，提高了衛(wèi)星自主導航的能力。掌握星間鏈路技術(shù)是“北斗”衛(wèi)星系統(tǒng)實現(xiàn)自主導航的關(guān)鍵，用它不僅實現(xiàn)了北斗衛(wèi)星相互間的通信和數(shù)據(jù)傳輸，還能相互測距，自動“保持隊形”，從而減輕了地面管理維護壓力，有效降低了系統(tǒng)的運行管理成本。

星載原子鐘被稱為導航衛(wèi)星的“心臟”。北斗三號衛(wèi)星上的原子鐘精度由北斗二號衛(wèi)星的每30萬年誤差1s，提高到每300萬年誤差1s，綜合指標達到國際領(lǐng)先水平，這對提高定位和授時精度至關(guān)重要。

4 技高一籌的幾大特點

3種軌道衛(wèi)星組成混合星座

美俄全球?qū)Ш叫l(wèi)星星座都運行在MEO軌道，這樣可以很好地覆蓋全球。而北斗三號系統(tǒng)采用獨特的3種軌道衛(wèi)星組成混合星座，且高軌衛(wèi)星更多，這樣既能用MEO軌道衛(wèi)星實現(xiàn)全球覆蓋、全球服務(wù)，又可用高軌道衛(wèi)星抗遮擋能力強的優(yōu)點，尤其在低緯度地區(qū)性能特點更為明顯，為亞太大部分地區(qū)用戶提供更高性能的PNT服務(wù)，首次實現(xiàn)導航定位、短報文通信、差分增強3種服務(wù)融為一體。

全球首個三頻信號服務(wù)的衛(wèi)星導航系統(tǒng)

另外，美國“全球定位系統(tǒng)”（GPS）使用的是雙頻信號，它可以減弱電離層延遲的影響。而北斗三號系統(tǒng)是全球首個提供三頻信號服務(wù)的衛(wèi)星導航系統(tǒng)，這是北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的后發(fā)優(yōu)勢。使用三頻信號可以構(gòu)建更復雜模型消除電離層延遲的高階誤差，并且能提高載波相位模糊度的解算效率，理論上還可以提高載波收斂速度。所以，通過多頻信號組合使用等方式，有效地提高了服務(wù)精度。

擁有美俄導航衛(wèi)星各自的優(yōu)點

“北斗”衛(wèi)星導航系統(tǒng)與美國GPS系統(tǒng)一樣用碼分多址方式傳輸信息，而不像俄羅斯“格洛納斯”（GLONASS）系統(tǒng)采用頻分多址方式傳輸信息，目的是大大降低用戶接收機的成本，以便地面應(yīng)用；在MEO軌道衛(wèi)星入軌方式和星座優(yōu)化設(shè)計上，“北斗”衛(wèi)星導航系統(tǒng)不像GPS系統(tǒng)那樣把衛(wèi)星布置在6個軌道面上，而是與GLONASS系統(tǒng)一樣，采用3個軌道面均勻分布的對稱星座設(shè)計，這樣有利于“一箭多星”發(fā)射，從而降低發(fā)射成本。

世界上首個集定位、授時和報文通信為一體的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)

免費發(fā)送短報文是其獨有的一種重要功能，很多時候是“救命”的法寶。把導航與通信緊密結(jié)合起來，很適用于交通運輸、調(diào)度指揮、搜索營救、地理信息實時查詢等需要把導航與移動數(shù)據(jù)通信相結(jié)合的用戶。其定位與位置報告最短完成時間為1s，定位與指揮調(diào)度集于一體，事件內(nèi)容與發(fā)生的地點、時間在一封短信中完成，擺脫了“先定位再報告”的弊病。由于北斗三號全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)創(chuàng)新融合了導航與通信能力，所以具有實時導航、快速定位、精確授時、位置報告和短報文通信服務(wù)五大功能，兼具星基增強、國際搜救等多種服務(wù)能力。

兼容與互操作性

“北斗”衛(wèi)星導航系統(tǒng)與其他衛(wèi)星導航系統(tǒng)之間具有兼容與互操作。衛(wèi)星導航系統(tǒng)有其脆弱性，單一導航系統(tǒng)易被干擾、遮蔽，采用GPS＋“北斗”的雙衛(wèi)星導航系統(tǒng)，可以提高系統(tǒng)的可用性和定位精度。

全面實施了自主可控原則

“北斗”衛(wèi)星導航系統(tǒng)建設(shè)全面實施了自主可控原則，衛(wèi)星上的全部單機產(chǎn)品及元器件實現(xiàn)了100%國產(chǎn)化，徹底擺脫了原子鐘、行波管放大器等衛(wèi)星產(chǎn)品長期依賴進口受制于人的局面，為我國導航衛(wèi)星批產(chǎn)研制奠定了基礎(chǔ)。

采用新型導航信號調(diào)制體制，具備下行導航信號體制重構(gòu)能力

其實，北斗三號衛(wèi)星還有許多“絕活”。例如，北斗三號衛(wèi)星采用了以信號頻譜分離、導頻與數(shù)據(jù)正交為主要特征的新型導航信號調(diào)制體制，這能顯著提高衛(wèi)星導航信號的抗干擾能力和測距精度，為信號擴容提供了基礎(chǔ)。另外，該衛(wèi)星系統(tǒng)具備下行導航信號體制重構(gòu)能力，可根據(jù)未來發(fā)展和技術(shù)進步需要進一步升級改進。此舉進一步改善了北斗導航衛(wèi)星信號的性能，提高了信號利用效率和兼容性、互操作性。

首次實現(xiàn)衛(wèi)星在軌自主完好性監(jiān)測功能

北斗三號衛(wèi)星還在世界上首次實現(xiàn)了衛(wèi)星在軌自主完好性監(jiān)測功能，這一功能對民航、自動駕駛等生命安全領(lǐng)域用戶來說，具有極強的實用價值。它能增加性能更優(yōu)的互操作信號，即與世界其他衛(wèi)星導航系統(tǒng)兼容性更好的B1C和B2a信號。其全新的導航信號體制和強大的在軌重構(gòu)功能，也極大地提升了用戶體驗，因為通過兼容互操作技術(shù)，可為用戶在終端上接收多個信號奠定基礎(chǔ)，給用戶提供多種選擇方案。

5 結(jié)語

“北斗”衛(wèi)星導航系統(tǒng)的建設(shè)實踐，實現(xiàn)了在區(qū)域快速形成服務(wù)能力、逐步擴展為全球服務(wù)的發(fā)展路徑，豐富了世界衛(wèi)星導航事業(yè)的發(fā)展模式。北斗三號系統(tǒng)的建成，形成了滿足我國國民生產(chǎn)建設(shè)需要的PNT系統(tǒng)設(shè)施。隨著“北斗”衛(wèi)星導航系統(tǒng)應(yīng)用的發(fā)展，其必將面對更多、更新、更高的需求。

2035年前，我國將建成以北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)為核心的天地一體（包括太空、地面、水下、室內(nèi)）、覆蓋無縫、安全可信、高效便捷的國家綜合PNT體系，顯著提升國家時空信息服務(wù)能力，滿足國家安全和國民經(jīng)濟需求，以更強的功能、更優(yōu)的性能服務(wù)全球，造福人類。