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。
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)。
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。
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。
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
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。
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。
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。
“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。
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。
“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。
“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)。
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。
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。
“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。