经过26年的努力，2020年6月23日，我国第59颗“北斗”导航卫星升空，“北斗”三号全球卫星导航系统星座终于在太空落成。回首中国“北斗”自主创新的发展历程，作为“北斗”导航卫星研制的“国家队”——航天五院的研制团队汇聚各方力量，携手拼搏，走出了一条独特的探索道路。我们约请全国空间探测技术首席科学传播专家庞之浩就“北斗”导航系统一路走来的发展过程，和读者一起做些回顾。
6月23日，我国北斗三号全球卫星导航系统最后一颗组网卫星在西昌卫星发射中心点火升空
第一代“北斗”“物美价廉”
问：我们国家的“北斗”系统建设是怎样开始的？最早的“北斗”一号系统为什么只有两颗星？
答：在当今的信息社会里，70%以上的信息与定位和时间有关，所以卫星导航与互联网、移动通信并称21世纪信息技术领域的三大技术。北斗导航可以军用、民用和商用以及混用，现已是重要的空间信息基础设施。其应用只受想象力的限制，可谓无孔不入，改变了人类的工作、生活甚至思维方式，因而具有广泛的社会、经济、科技和国防等意义。为此，美国、俄罗斯很早就开始发展各自的卫星导航技术。
其实，我国早在20世纪60年代末就准备研制导航卫星——“灯塔”，但由于当时国家技术方向转型、财力有限等原因而中途下马了。
到了20世纪80年代初，随着我国经济、技术的发展，国力的增强，我国又开始积极探索适合国情的卫星导航定位系统的技术途径和方法。当时美国GPS、苏联的“格洛纳斯”导航卫星星座都已开始建造，我国专家经过论证分析认为，美苏的全球导航卫星星座都将由20多颗卫星组成，规模太大、造价太高，根据我国当时的国情，很难效仿；另外，他们的导航卫星只能导航定位，无法进行通信，所以不能满足日益增长的用户需求；但是，如果仅依赖国外导航卫星，则会受制于人。
那么，有没有解决这些问题的新方法呢？为此，我国航天专家决定为第一代“北斗”开辟一条“物美价廉”的新途径。1983年，中国科学院院士陈芳允创造性地提出采用“双星定位”的设计方案，即利用两颗地球静止轨道卫星，实现国内导航定位。
所谓“双星定位”，就是通过采用卫星无线电测定业务方式来确定用户的位置。该系统具体工作过程是：在平时，地面中心站经两颗地球静止轨道卫星不断向用户询问是否需要定位的信号，而用户终端一般只处于光收听不发信息的状态。当需要定位时，用户终端分别经两颗地球静止轨道卫星向中心站发送需要定位的申请信号。这时，地面中心站通过测量信号的往返时间来算出用户终端分别到每颗卫星的距离。由于卫星的位置是已知的，所以可以用这两个距离测量数据进一步推算出用户位置。最后，地面中心站将该定位信号经1颗卫星传给用户终端。
虽然这种用两颗卫星组建导航系统的设想是美国吉奥星公司首先提出来的，但美国和欧洲的公司在这方面的研制工作均失败了。因此，要想率先实现这项卫星导航定位的创新工程是有一定风险的。为此，陈芳允院士、童凯院士等专家对“北斗”一号“双星定位”系统展开了积极立项论证。
1989年，我国首次利用通信卫星进行了“双星定位”演示验证试验，证明了该技术的正确性和可行性。1994年，我国第一代卫星导航系统“北斗”一号工程立项。
经过不断攻关，2000年，我国建成了由两颗“北斗”一号地球静止轨道导航卫星组成的国内导航卫星星座。其服务范围为北纬5°～55°，东经70°～145°；定位精度为20米；授时精度为100纳秒；短信字数每次为120个字。
这两颗卫星运行在经度相距60°的地球静止轨道，使我国成为世界第三个拥有卫星导航系统的国家，打破了美、俄在此领域的垄断地位。“北斗”一号也是世界第一个有源国内卫星定位系统。所谓有源方式又叫主动式，即用户进行导航定位时要主动向卫星发送信号。
“北斗”一号“双星定位”系统具有周期短、投资少等优点。它不仅可全天候、全天时提供有源导航定位，还能进行双向数字报文通信和精密授时；不仅能使用户知道自己的所在位置，还可以告诉别人自己的位置在什么地方，特别适用于需要导航与移动数据通信相结合的用户，是十分符合中国国情的一个卫星导航系统。
由2颗北斗一号导航试验卫星组成的“双星定位”系统
第二代“北斗”发射时惊心动魄
问：据说“北斗”二号系统首星发射经历过惊心动魄的与时间赛跑过程，具体是怎么回事儿？
答：“北斗”一号存在一些明显的先天不足，在定位精度、用户容量、定位的频率次数、隐蔽性等方面均受到限制，而且无法测速。为此，我国于2004年立项研制“北斗”二号卫星导航系统。其方案是在国际上首次实现采用卫星无线电测定业务和卫星无线电导航业务相结合的集成体制方式来为用户导航定位。
卫星无线电导航业务的导航原理，是用户接收机自主精确测量系统中至少4颗卫星发来信号的传播时间和星历表数据，然后完成一组包括至少4个方程式的数学模型运算，最终用测距交会方法解算出接收机所在的三维坐标、速度和时间信息。
“北斗”二号地球静止轨道卫星具备卫星无线电导航业务、卫星无线电测定业务功能；“北斗”二号倾斜地球同步轨道卫星、中圆地球轨道卫星具备卫星无线电导航业务功能。所以该卫星系统既能为用户提供卫星无线电导航服务（用户自主完成连续定位和测速），又具有位置报告及短报文通信功能，弥补了“北斗”一号的不足之处。
然而，研制、发射首颗“北斗”二号就遇到了巨大的挑战。众所周知，卫星空间轨道位置和无线电的频率是一种有限的自然资源。2000年4月18日，国际电联批准了我国申报的导航卫星频率和轨道，我国的“北斗”二号卫星导航系统进入了国际电联的频率总表，正式取得了合法地位。不过，根据国际规则，如果不在登记后的7年里，即2007年4月17日之前使用，该频率就过期了。
由于“北斗”二号是2004年才立项的，所以留给“北斗”二号的研制时间只有3年，而当时一般研制一颗卫星需要5年。“北斗”人不断拼搏，优化流程，终于在2007年4月初，把首颗“北斗”二号卫星与发射它的运载火箭运到了西昌卫星发射中心。
不过好事多磨。在发射阵地进行第三次总检查的时候，卫星上的应答机出现了异常，信号不稳定。为了不带着问题上天，科技人员又以跑百米的速度来跑马拉松的方式进行了各种各样的试验，最终把问题解决了。
2007年4月14日4时11分，我国第一颗“北斗”二号卫星顺利升空。经过3天的在轨测试，在2007年4月17日晚上8点，在最后只有4个小时的期限时，我国的地面接收机终于收到了“北斗”二号卫星发射的信号，并得到了国际电联的官方认定，使我国正式合法拥有了所申报的空间位置和频率资源。
2012年，我国建成了由14颗“北斗”二号卫星（5颗地球静止轨道卫星＋5颗倾斜地球同步轨道卫星＋4颗地球中圆轨道卫星）组成的“北斗”二号区域导航卫星星座。其服务范围为东经55°～180°，南北纬55°；定位精度为10米；测速精度为0.2米/秒；授时精度为50纳秒；短信字数每次为120个字。
在这期间还有一个插曲。在“北斗”二号立项前的2003年9月，我国打算加入欧盟的“伽利略”导航卫星系统计划，并在接下来的几年中投入了2.3亿欧元的资金。在“北斗”二号立项的同年，即2004年10月9日，中国与欧盟正式签署伽利略计划技术合作协议。然而，后来由于欧盟委员会采取安全与技术独立性政策，因此中国实际上被“伽利略”系统排除在外。中国之前的投资也没有得到任何回报，这更促使了我国决定建设自己的卫星导航系统。
第三代“北斗”靠这些领先国际
问：“北斗”三号全球卫星导航系统具有哪些独特的性能和特点？
答：在“北斗”卫星导航系统的发展战略上，专家们曾就分阶段走还是一步跨到全球组网有过不小的争议。最终，根据我国国情，决定采用“先区域有源、再区域无源、最后全球无源”这一“三步走”发展战略。
作为“三步走”发展战略的最后一步，我国于2009年正式启动了“北斗”三号的建设。建设高性能、高可靠的“北斗”三号全球卫星导航系统，是我国科技领域中长期发展规划的16项重大专项之一，可使我国卫星导航系统达到国际先进水平。
从2017年11月5日发射首批“北斗”三号（两颗）地球中圆轨道导航卫星起，我国正式开始建造“北斗”全球卫星导航系统。到2020年6月16日，我国终于建成了由30颗“北斗”三号导航卫星（3颗地球静止轨道卫星＋3颗倾斜地球同步轨道卫星＋24颗地球中圆轨道卫星）组成的全球导航卫星星座。其服务范围为全球；定位精度为2.5～5米；测速精度为0.2米/秒；授时精度为20纳秒；每次短信字数1000字。它将为民用用户免费提供约10米精度的定位服务，并且将为付费用户提供更高精度等级的服务。
与“北斗”二号相比，除了服务区域由区域覆盖扩大到全球覆盖外，“北斗”三号在精度和可靠性等方面都有很大的提高，有不少重大技术创新或改进。高精度、高可靠、高保险、多功能的“北斗”三号全球卫星导航系统，具有一些国外全球卫星导航系统不具备的性能和特点。
比如，美俄全球导航卫星星座都运行在地球中圆轨道上，采用这种对称星座，轨道面均匀，相位也均匀，可谓是覆盖全球的最优星座。“北斗”三号是采用独特的三种轨道卫星组成混合星座，且高轨卫星更多，这样既能用地球中圆轨道卫星实现全球覆盖、全球服务，又可用高轨道卫星抗遮挡能力强的优点，有效增加亚太地区的卫星可见数，为亚太大部分地区用户提供更高性能的定位导航授时服务。
美国GPS使用的是双频信号，它可以减弱电离层延迟的影响。而“北斗”三号全球卫星导航系统是全球第一个提供三频信号服务的卫星导航系统，这是“北斗”的后发优势。使用三频信号可以构建更复杂模型消除电离层延迟的高阶误差，并且能提高载波相位模糊度的解算效率，理论上还可以提高载波收敛速度。所以，通过三频信号组合使用等方式可提高服务精度。正因如此，GPS系统也在扩展成三频信号系统。
“北斗”三号是世界上首个集定位、授时和报文通信为一体的全球卫星导航系统，免费发送短报文是其独有的一种重要功能，很多时候是“救命”的法宝。把导航与通信紧密结合起来，很适用于交通运输、调度指挥、搜索营救、地理信息实时查询等需要把导航与移动数据通信相结合的用户。通过GPS，用户只能知道“自己在哪儿”。但是通过“北斗”，用户还能让别人知道“自己在哪儿”。
其另一大特点是它与别的卫星导航系统之间具有兼容性，可互操作。卫星导航系统有其脆弱性，单一导航系统易被干扰、遮蔽，采用GPS＋“北斗”的双卫星导航系统可提高系统的可用性和定位精度。GPS在亚太地区的覆盖率一般只能达到60%～70%，如加上“北斗”后覆盖率可以达到80%以上，从而能提高卫星导航的可用性，并使定位精度提高20%左右。比如，在GPS导航精度1米的地方，同时融合“北斗”的数据后，导航精度能达到大约0.8米。
随着“北斗”地基增强系统提供初始服务，它还可提供米级、亚米级、分米级，甚至厘米级的服务，届时，“北斗”的定位精度将与美国GPS相媲美。
2035年前，我国还将建设完善更加泛在、更加融合、更加智能的国家综合时空体系。它将以“北斗”系统为核心，建成天地一体（包括太空、地面、水下、室内）、覆盖无缝、安全可信、高效便捷的国家综合定位、导航和授时体系，显著提升国家时空信息服务能力，满足国家安全和国民经济需求，为全球用户提供更为优质的服务。
来源 北京日报客户端 | 记者 王鸿良
编辑 徐慧瑶
流程编辑 刘伟利
