中国北斗导航完成全球组网 全面国产化背后的大国科技角力

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在全球科技界有个顶级俱乐部,只有4名会员,却吸引了诸多国家的关注,这个俱乐部便是GNSS(全球卫星导航系统)。

虽然有关声望和国家战略,但因投入巨大,放眼全世界,也就只有美国全球定位系统GPS、欧洲伽利略GALILEO、俄罗斯格洛纳斯GLONASS、中国北斗BDS这4名会员构建了全球四大卫星导航系统。

而作为后起之秀,中国自主研发的北斗卫星导航系统(BeiDou Navigation Satellite System,BDS)也是目前发展势头最迅速,被认为极有可能后来居上的一个卫星导航系统。

2017年9月29日,中国观众在北京展览馆举办的“‘砥砺奋进的五年’大型成就展”北斗卫星系统展区体验模拟行车。(视觉中国)

2020年是北斗导航系统建设收官之年,随着北斗三号第30颗也是最后一颗组网卫星、北斗系统第55颗卫星在6月23日发射后成功布阵太空,中国提前半年完成了北斗全球卫星导航系统星座部署,将择机面向全球用户提供完整的全天时、全天候、高精度全球定位导航授时服务。从官方发布的消息来看,该系统已拥有自主知识产权和核心技术,卫星单机和关键元器件国产化率达到100%。

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全球卫星导航系统的源起

“你从哪里来”,“你去了哪里”,是千百年来科学家们一直试图破解的迷题。

上世纪50年代,在美苏争霸的大背景下,一场以科研为名的意识形态之争也在悄然上演。1957年10月4日,苏联发射的人类历史上第一颗卫星“斯普特尼克1号”(Sputnik-1)成功进入轨道。

苏联先于美国发射了全球首颗人造卫星的新闻,震动了西方世界,这条爆炸性的新闻在美国更是引发了国民强烈的恐惧和焦虑感,但有两位美国科学家却关注到了另一点。

约翰•霍普金斯大学的盖伊(W.Guier)和威芬巴赫(G.Wieffembach)博士通过跟踪、检测苏联卫星所发出的信号发现:由于卫星与地面之间有着相对运动,接收到电磁波信号存在多普勒频移。两位科学家通过实验,发现如果在地面上架设多部接收机,便可根据接收到信号的不同频差推算出卫星的运行轨道。

他们将这个研究成果告诉了霍普金斯大学应用物理实验室主任麦克卢尔(Frank McClure),而这位主任当时正在为美国海军做一项研究,研究内容即是如何让五角大楼能够快速知晓航行在茫茫大海中军舰的具体位置。听到两位博士的汇报后,他眼前一亮,“既然你们能够发现卫星在哪里,那么如果把问题反过来,卫星也就能发现你们在哪里,海军军舰定位的问题有思路了”。

这便是卫星导航系统的最初科学缘起。

在这之前,美国海军使用的是罗兰无线电远程导航系统,但罗兰系统的作用范围有限,最远只能2,000公里,定位精度也低,只有百米级,且只能提供二维定位。美国海军敏锐地意识到使用卫星定位的巨大应用潜力,于1958年起与美国国防部高级研究计划局(DARPA)共同进行了对海军导航定位系统(NNSS)的基础研究,并成功开发出了世界上第一个卫星导航系统——子午仪卫星系统(Ttansit)。

在子午仪卫星系统的基础上,美国国防部于1973年4月提出了研究更加先进的新一代导航定位系统的想法,全球定位系统(GPS)由此应运而生。

在2017年巴黎航空展上亮相的Air Star公司制造的Eagle Owl大型充汽飞船,可用作GPS传送、监察和飞行研究使用。(AP)

现在,在全球范围内导航系统已是有关国家安全、经济和社会发展不可或缺的重大空间信息基础设施,美国的GPS能够在全球向用户提供全天候的导航、授时服务。也正是凭借技术优势,GPS当了全球卫星导航系统多年的老大,美国通过GPS更是每年从全世界获得千亿万亿以上级别的收入。

中国北斗撼动世界导航格局

有过几次因导航系统受制于他国的不愉快经历之后,中国于20世纪后期开始探索适合本国国情的卫星导航系统发展道路,逐步形成了三步走发展战略。

第一步是在2000年年底建成北斗一号系统,向中国提供服务;第二步是在2012年年底建成北斗二号系统,向亚太地区提供服务;第三步则是在2020年建成北斗三号系统,向全球提供服务。

北斗系统由空间段、地面段和用户段三部分组成:空间段由若干地球静止轨道卫星、倾斜地球同步轨道卫星和中圆地球轨道卫星等组成;地面段包括主控站、时间同步/注入站和监测站等若干地面站,以及星间链路运行管理设施;用户段包括北斗兼容其他卫星导航系统的芯片、模块、天线等基础产品,以及终端产品、应用系统与应用服务等。

作为中国自主研发、独立运行的卫星导航系统,北斗系统打破了其他国家对中国的技术封锁,实现了中国卫星导航技术从无到有,从弱到强的转变。虽然起步较晚,但北斗小老弟成长很快,随着国际海事组织海上安全委员会于2014年11月审议通过对北斗卫星导航系统认可的航行安全通函,北斗卫星导航系统正式成为继GPS、GLONASS后第三个全球卫星导航系统,向世界航海用户提供服务。

6月23日上午,因技术原因推迟一周发射的北斗三号最后一颗全球组网卫星在西昌卫星发射中心“重启”发射后成功布阵太空。(新华社)

中国向世界学习的过程早已不再是“追星族”式的学习,而是自主的学习。“北斗”系统具有短报文通信、精密授时、定位精确、系统容纳用户数大四大优势功能,其定位精度、授时精度、抗干扰能力等都已与GPS相当,而且北斗具备的无源定位和短报文通信功能独门绝技,较之其他导航系统能更广泛地应用于野外作业、突发灾害等场景。2008年中国汶川大地震发生后,当时在其他通讯方式失效后只有北斗系统能以短报文的形式与指挥中心保持联系。

北斗系统首创三种轨道构成混合星座,与全球其他卫星导航系统相比高轨卫星更多,抗遮挡能力强,尤其低纬度地区性能优势更为明显,系统创新融合了导航与通信能力,其星间链路实现星星互联、星地互联,具备定位导航授时、星基增强、精密定位、地基增强等多种功能,可实现实时米级、分米级、厘米级的导航定位增强服务能力。

又因北斗和GPS兼容,从而保证了其应用范围如同GPS一样广泛。中国的北斗导航,用20多年走完了其他全球卫星导航系统40多年的发展之路,北斗全球系统建设实现两年17箭29星高密度发射组网连战连捷,更是创造了世界卫星导航系统建设的奇迹,被称为“中国速度”。

大国重器独立研发不能受制于人

建设成为世界一流的卫星导航系统是中国北斗的发展目标,从远景规划来看,到2035年前北斗还将建设完善更加泛在、更加融合、更加智能的综合时空体系。

长期以来,中国国内民用的,与日常生活息息相关的位置服务主要由美国的GPS垄断,早前如电子商务、社交网站定位签到、搜寻附近服务等应用都是基于GPS的位置服务,在定位服务全方位渗透的当下,美国一旦对中国关闭GPS服务便会在中国造成极大的混乱,于军事领域而言更将会是致命性的。

在中西关系结构性变化外溢作用深刻影响世界的当下,中西方在制造业、科技等领域的博弈已不可避免地融入了时代的宏观叙事场景中。自从中美贸易战开启之后,“脱钩论”、“文明对抗论”喧嚣尘上,中美之间结构性对抗已经从贸易战,蔓延到以5G、芯片等为代表的高科技领域。

著有《美国陷阱》的法国阿尔斯通前高管皮耶鲁齐曾言,“美国会通过行政手段来打击美国企业的竞争对手”,近年来,美国对中兴、华为等中国企业出招频频,通过断供等一系列遏制招数,向中国高科技企业心脏刺上一把把利刃。如果中国企业没有芯片、操作系统等“备胎计划”,哪怕已经贵为全球最大电信设备制造商的华为,也会被美国一招致命。

凡是过往,皆为序章。美国的这些动作,更加证明了中国在导航系统这种“大国重器”领域,坚持“独立自主,自力更生”原则的必要性和先见之明,中国人有了自己的卫星导航系统,才终于不用再为他国何时关闭卫星导航系统服务而提心吊胆。

北斗系统提供服务以来,已在交通运输、农林渔业、水文监测、气象测报、通信授时、电力调度、救灾减灾、公共安全等领域得到广泛应用,其导航服务越来越多地被电子商务、移动智能终端制造、位置服务等厂商采用,广泛进入中国大众消费、共享经济和民生领域。统计资料显示,中国新入网的智能手机中已有70%以上提供北斗服务。

而且,在发展自己的卫星导航系统中,中国远远不只着重于北斗的定位功能,其他诸如侦察监视、指挥、协助攻击等“纯军用”能力也在开发中。在军事领域,近年来北斗已经成为重要的信息化指挥手段,不仅嵌入到各种大型武器发射平台,还广泛应用于单兵侦察和分队作战之中。有英国媒体感慨说,北斗卫星导航系统更加安全可靠,将使中国军方的精确打击能力迅速提升数十倍。

作为中国迄今为止规模最大、覆盖范围最广、性能要求最高的巨型复杂航天系统,总体来看,北斗系统当前还不太可能完全取代美国的GPS,但很明显,随着北斗向全球提供服务,这个世界的卫星导航系统江湖已变,而且随之而变的将不只是这一片江湖。

(本文原载于《香港01》周刊,略有编辑。)

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