中国北斗卫星导航系统前世今生

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不久前,就在中国北斗三号卫星导航系统最后一颗全球组网卫星发射前夕,位于美国北卡罗来纳州三角研究园的非赢利研究机构“RTI国际”(RTI International,前身为三角研究所),受美国国家标准和技术研究所(NIST)赞助发表一份关于“全球定位系统”(GPS)颇有意思的研究报告。

报告称,电信业是GPS最大的受益者,产生价值高达约6,859亿美元;远程信息处理技术排第二,价值3,250亿美元;智能手机上的定位服务排名第三,价值2,150亿美元。而一旦GPS停摆,普通月份每天将造成全球约10亿美元的损失,四五月份的播种季节每天损失可达约15亿美元。

美国这份研究报告,固然是在强调美国GPS对于全球的重要性,已经与现代生活密不可分,创造了巨大的经济价值,但也从竞争对手的角度证明了中国自主研发北斗卫星导航系统的前瞻性与正确性,而中国之所以自主研发卫星导航系统也与美国的刺激不无关系。

2020年6月23日,北斗三号全球卫星导航系统的最后一颗全球组网卫星,于西昌卫星发射中心以长征三号乙火箭成功发射升空。(新华社)

美国的双重刺激

上世纪五十年代,苏联率先将第一颗人造卫星“斯普特尼克1号”送入太空,开启了人类的太空时代,美国约翰霍普金斯大学应用物理实验室两位物理学家却通过对这颗苏联卫星轨道数据的研究提出了卫星定位系统最初的构想,打开了卫星导航时代的大门。

1964年,美国率先建成世界第一个卫星导航系统——由6颗卫星构成的“子午卫星系统”,1980年代美国又率先开建了世界第一个全球卫星导航系统——由24颗卫星构成的GPS系统。GPS作为美苏冷战的产物,真正显现出威力是在1990年的海湾战争中,此时苏联解体已成定局,反而是中国被震撼了。

战前,基于自身作战经验考量,中国军方看好伊拉克陆军认为美军会吃大亏,现实却是美国空地一体下的摧枯拉朽,萦绕中国军方心头的是——将伊拉克军队换成中国军队会如何?从此中国开始力推国防现代化。配备GPS系统的精确制导武器在战争中的表现,给中国军方留下了深刻印象,开始意识到卫星导航系统的价值。

1993年发生的“银河号事件”,无疑又一次刺激了中国,再次为中国展示了卫星导航系统的重要性。1993年7月至9月间,美国以怀疑中国货轮银河号向伊朗运送化学武器原料为由,在印度洋公海上拦截银河号,要求登船检查。为此,美国甚至局部关闭了银河号所在海区的GPS信号,致使银河号无法确定位置及航向,不得不在印度洋上停了下来,被美国军舰截停长达三周,最终不得不在沙特海军基地接受美国登船检查。事后,美国不仅拒绝赔偿损失也拒绝道歉,极其傲慢地将“锅”甩给了情报错误。

就在“银河号事件”的次年,中国政府批准了中国科学院院士、“两弹一星功勋奖章”获得者陈芳允的“双星定位系统”方案,正式启动北斗卫星导航系统建设。所谓的“双星定位系统”,1983年由陈芳允与合作提出,基于三球定位原理,采用两颗同步卫星进行定位,并同时进行通信。1989年,陈芳允团队通过通信卫星进行了双星定位实验,验证了双星定位技术的可行性。

从1989年双星定位技术获得验证,到1994年北斗卫星导航系统启动,时间跨度长达五六年,最大的原因恐怕并非技术问题而是经费问题,当时的中国太穷了。可以想象,如果没有海湾战争与“银河号事件”接踵而来的刺激,北斗卫星导航系统建设的启动恐怕还会延迟。

北斗一号与“伽利略计划”

按照中国北斗卫星导航系统“三步走”发展规划,1994年启动的北斗卫星导航系统建设属于第一代,即“北斗卫星导航试验系统”。通过“双星定位技术”构建区域性卫星导航系统,实现中国及周边地区范围内的定位服务,为正式的、全球性的北斗卫星导航系统探路。

2000年10月和12月,中国在西昌卫星发射中心成功将两颗北斗导航试验卫星即“北斗一号卫星”发射入轨,2003年又发射了一颗备份卫星,从而完成了“北斗卫星导航试验系统”建设,成为继美国、俄罗斯后第三个拥有自主卫星导航系统的国家。

北斗卫星导航试验系统定位精度达到20米,与美国GPS民用版相当;北斗系统的响应时间仅1秒,优于GPS系统;北斗独有的“短报文”功能在2008年汶川大地震中曾发挥巨大作用,在地震中心汶川县城与外界通信断绝时,是军队的北斗终端将一线灾情第一时间发送到了后方。当然,作为实验系统北斗一号缺点也很多,比如覆盖范围有限、有源定位在军事上容易暴露位置、地面主控限制了用户容量等等,但北斗一号作为实验系统无疑是成功。

2018年汶川大地震中,通过北斗导航系统独特的短报文功能,第一时间将震中的情况发送到指挥部。图为汶川县映秀镇的大地震遗址。(视觉中国)

就在中国北斗卫星导航试验系统建设的同时,欧盟各国为了减少对美国GPS的依赖,也计划建设自己的卫星导航系统。1999年,欧盟首次公布了伽利略卫星导航系统计划,将发射30颗卫星构建一个不同于美国GPS、俄罗斯格洛纳斯(GLONLAS)的民用全球定位系统。2003年5月,欧盟和欧洲空间局正式启动伽利略卫星导航系统建设。

为了分担伽利略计划建设成本,欧盟向中国伸出了橄榄枝,邀请中国加入伽利略卫星导航系统建设。出于“两条腿走路”方针,2004年中国与欧盟正式签署协议加入伽利略计划,成为该计划第一个非欧盟成员国。根据协议,中国将拥有伽利略系统的部分所有权和全部使用权,并承诺为伽利略计划出资2.3亿欧元约合人民币23.4亿,据英国BBC报道这大约是伽利略系统预期成本11亿欧元的五分之一。

然而,随着2005年欧洲政治转向,欧盟对华政策反转,中国在伽利略计划中日益受到排挤。中国作为主要投资者之一,不仅在技术上被封锁,还被排除在伽利略计划决策机构之外,事实上沦为财务投资者。迫不得以,2006年底中国退出伽利略计划,转而全力发展北斗导航系统。时至今日,北斗卫星导航系统已经后来居上,最后一颗全球组网卫星已经发射,而伽利略系统目前投入运行的在轨卫星才22颗,距离30颗的总数还有一定的距离。

自力更生终成大器

在2004年加入欧洲伽利略计划的同时,中国也没有放弃自研的北斗卫星导航系统,于当年启动了“三步走”计划的第二步——到2012年发射16颗卫星,建成覆盖亚太地区的北斗卫星导航系统,也即第二代北斗卫星导航系统“北斗二号”。

也是从北斗二号开始,北斗卫星导航系统开始由第一代的军用系统向GPS一样的军民两用系统发展。从2007年4月北斗二号第1颗卫星发射,到2012年12月第16颗卫星入轨,短短五年时间中国建成了覆盖亚太大部分地区的第二代北斗卫星导航系统,攻克了以导航卫星总体技术、高精度星载原子钟等为代表的多项关键技术。

中国国家博物馆复兴之路展览中的北斗导航系统模型。(多维新闻)

2009年,第二代北斗导航系统尚未建成,中国就启动了第三代北斗卫星导航系统即“北斗三号”建设。所谓第三代北斗卫星导航系统即“北斗三号”,从覆盖亚太地区的区域卫星导航系统进入全球组网时代,建立由30颗卫星组成的全球卫星导航系统。按原定计划,中国将在2014年发射第一颗实验卫星,2020年前完成组网,但因故2015年才发射第1颗实验卫星,2017年底才发射北斗三号第1颗导航卫星开始全球组网。

凭借技术上的厚积薄发,从2018年开始中国第三代北斗导航系统建设全面提速,仅2018年一年之内就发射了18颗北斗导航卫星,其中前16颗都采用了一箭双星方式发射。2019年,中国又发射了9颗北斗导航卫星,距离完成全球组网仅剩两颗。2020年3月,倒数第二颗北斗导航卫星成功入轨;6月23日,最后一颗北斗导航卫星在因突发技术问题推迟7天后成功发射,进入在轨测试阶段。北斗卫星导航系统全球组网开始读秒。

在进行北斗卫星导航系统硬件建设的同时,中国也在全力推进北斗导航生态体系的建设。一方面力推北斗卫星导航标准国际化,目前北斗系统已经被国际民用航空组织(ICAO)、国际海事组织以及世界通信标准组织3GPP等接受并纳入其标准体系,是继美国GPS、俄罗斯GLONLAS之后第三个国际海事组织认可的世界无线电导航系统。也就是说,北斗导航系统在全球组网的同时,已经走出了国门,得到了世界的认可。

另一方面,中国大力发展北斗导航产业,形成了一个初具规模的北斗导航产业集群。据统计,截至2019年底,中国卫星导航专利累计申请超过7万件,位居世界第一;2018年中国北斗导航产业总产值达3,016亿人民币(1元人民币约合0.14美元),是2008年285亿的十倍以上,预计到2025年产值还将翻一倍达6,400亿。

更为难得是,北斗整个产业链已全部打通,芯片、板卡、天线、终端、软件和服务等,中国企业已经建立了自主生态链。对于普通人而言,目前所使用的手机基本已经全部支持北斗导航系统,通过搜星app很容易就会发现,所能搜到的北斗导航卫星与GPS导航卫星数量相差无几甚至更多。

诚如“RTI国际”研究报告所说,美国GPS系统停摆世界会损失惨重,但现在已经有了“Plan B”——中国北斗卫星导航系统。在欧洲伽利略卫星导航系统状况百出,俄罗斯GLONLAS每况愈下的今天,可以与美国GPS系统匹敌的唯有中国北斗卫星导航系统。

(本文原载于《香港01》周刊,略有编辑。)

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