李成智：北斗卫星导航系统的建设与创新

一、北斗卫星导航系统的建设

北斗卫星导航系统是中国自行研制的全球卫星导航系统，也是继GPS、格洛纳斯之后的第三个成熟的卫星导航系统。北斗卫星导航系统与上述卫星导航系统相比，不但有自己的特点，还有领先的技术。

卫星导航系统有三大基本功能：第一个功能是定位。卫星定位系统是一种使用卫星对某物进行准确定位的技术。比如，我们在地球上，只要有能接收卫星信号的终端，就能知道具体位置。第二个功能是导航。卫星导航是指采用导航卫星对地面、海洋、空中和空间用户进行导航定位的技术。现在，我们无论是航空、航海，还是陆路交通都需要卫星导航。第三个功能是授时。卫星授时是指通过卫星提供的时间信息，进行时间同步和授时操作的一种技术手段。星载原子钟被称为导航卫星的“心脏”，其作用是为卫星系统提供高稳定的时间频率基准信号。它决定了卫星导航系统的定位、导航及授时精度，是一个国家能否具备独立发展卫星导航系统能力的核心技术之一。

北斗卫星导航系统是中国着眼于国家安全和经济社会发展需要，自主建设、独立运行的卫星导航系统。北斗卫星导航系统自20世纪90年代启动研制，按“三步走”发展战略，先有源后无源，先区域后全球，走出了一条中国特色的卫星导航系统建设道路。

2000年10月，北斗一号成功发射。北斗卫星导航系统拥有独特的短报文通讯功能。2008年汶川地震的时候，我们就是用短报文通讯功能解决了受灾地区的通讯问题，大大提高救援效率。北斗二号卫星导航系统于2012年12月份正式向我国及亚太地区提供导航、定位、授时和短报文通信服务，服务区内系统性能与国外同类系统相当，达到同期国际先进水平。2017年11月，北斗三号首发双星升空，开始了系统组网。在北斗一号、北斗二号两代系统基础上，北斗三号技术更先进、优势更明显。2020年7月31日，习近平总书记向世界宣布北斗三号全球卫星导航系统正式开通，标志着北斗系统进入全球化发展新阶段。

我们为什么要建造北斗卫星导航系统？第一，北斗卫星导航系统是中国航天人走出自主创新之路的缩影，也是中国科技自立自强的典范。第二，我国建造北斗系统的一个重要原因是为了提高国家安全和国防能力，不依赖于美国的GPS。GPS是美国开发和控制的卫星导航系统，虽然向全球公众提供免费服务，但也可能在战时受到美国政府的干扰或限制。第三，全球卫星导航系统在国民经济领域也有十分重要的作用。比如，运钞车、危险化学品运输车等特种车辆在行驶中需要保证行驶安全和公共安全，这就需要卫星对它们进行实时定位、监测。另外，卫星导航系统在农业领域的应用正在普及，通过北斗技术对农田信息进行空间定位，配合遥感系统获取农作物的生长环境、生长状况等大量信息，建立农田管理、土壤作物等信息进行管理的方式越来越流行。

按照“质量、安全、应用、效益”的总要求，坚持“自主、开放、兼容、渐进”的发展原则，我国的北斗卫星导航系统按照“三步走”的发展战略稳步推进。具体如下：第一步，2000年，我国建成了北斗卫星导航试验系统，使中国成为世界上第三个拥有自主卫星导航系统的国家。从2000年到2007年，北斗一号共发射了4颗试验卫星，实现了卫星导航从无到有。第二步，建设北斗卫星导航系统，2012年左右形成覆盖亚太大部分地区的服务能力。北斗二号卫星的研制成功解决了很多的关键技术问题，比如，北斗二号卫星搭载的铷原子钟可以做到300万年只有1秒误差。2012年，北斗二号系统建成，我们具有了面向亚太地区提供无源定位服务的能力。第三步，2020年，北斗三号系统正式建成开通，面向全球提供卫星导航服务，标志着北斗卫星导航系统“三步走”发展战略圆满完成。北斗三号工程建设历经关键技术攻关、试验卫星工程、最简系统、基本系统、完整系统五个阶段。北斗三号卫星核心器部件国产化率到达100%。北斗三号卫星“天团”里有3类“队员”，在不同轨道上坚守岗位，分别是地球静止轨道卫星（GEO卫星）、倾斜地球同步轨道卫星（IGSO卫星）和中圆地球轨道卫星（MEO卫星）。倾斜地球同步轨道卫星（IGSO卫星）比较复杂，主要是解决一些卫星信号不易达到的地区通信功能。

北斗卫星导航系统的特色功能：第一，短报文功能。北斗独创的“短报文”功能，实现了导航+通信的功能，用户不仅可以知道自己的位置，还可以把自己的位置通过卫星反馈给管理中心，向外界传达。这意味着，即使在没有通信信号的海洋、沙漠，或者通信基站遭到破坏（地震、洪水）的地方，只要拥有一台北斗终端，就可以与外界进行紧急通信。第二，星基增强功能。星基增强也是北斗的特色服务之一，它可以为民航用户提供大范围的高精度、高完好性导航服务，这也是目前世界各国竞相建设和应用的系统。第三，高精定位功能。比如，南极科考、珠穆朗玛峰测高、远洋科学作业等都需要精确的定位功能。第四，国际搜救功能。国际搜救服务具备了符合全球卫星搜救系统（COSPAS—SARSAT）标准的中轨搜救和北斗特色的返向链路服务能力，可面向全球用户提供服务。

除了以上特色功能外，北斗卫星导航系统还具有信号覆盖范围广、无通信盲区等优点。

建设地基增强系统可以获得更高的定位导航精度，是提高北斗卫星导航系统市场竞争力、加快大规模应用的基础工程。我们知道，卫星定位受大气、空间等因素影响，定位易出现误差，在地面建立卫星连续参考跟踪站，可修正卫星定位误差，这就是地基增强系统的“功劳”。比如，如果卫星导航的精度不高，就会对人们的交通安全带来不利影响。怎么解决？就是要靠地基增强解决。

众所周知，卫星在遥远的轨道上运行，时时刻刻受到空间环境影响以及自身寿命和可靠性的限制，如果发生故障，较轻的短期可以恢复，严重的或将导致卫星长期失效。因此，需要根据实际情况适时发射备份卫星。世界主要航天大国的导航星座中通常会有备份星运行。

2023年5月17日，我国在西昌卫星发射中心用长征三号乙运载火箭，成功发射第56颗北斗导航卫星。这颗卫星属地球静止轨道卫星，是我国北斗三号工程的首颗备份卫星，入轨并完成在轨测试后，将接入北斗卫星导航系统。

二、北斗卫星导航系统的创新

北斗卫星导航系统的研制成功，离不开“自主创新、开放融合、万众一心、追求卓越”新时代北斗精神的指引，离不开老一辈北斗人的开疆拓土，更离不开如今所有北斗人的砥砺奋进。比如，在北斗卫星导航系统的研制过程中，陈芳允、孙家栋等科学家大力支持倡导了这一事业。另外，像研究机构、天文台、高校、企业都广泛参与了这一事业，解决了导航信号体制、星间链路、卫星自主诊断、行波管放大器、星敏感器等技术问题。我们在集成创新的同时，还特别强调技术、产品创新与自主可控。

卫星导航系统是航天科技高峰，也是复杂巨大的系统工程。1994年，我国启动北斗一号工程，展开试验探索。同年3月，美国已完成GPS卫星星座布设；次年，俄罗斯也完成了格洛纳斯导航卫星全球组网。地球导航卫星要为地面特定区域提供连续稳定的导航服务，按照GPS、格洛纳斯等采取的单一轨道星座构型，在系统全球组网完成之前根本无法实现。中国北斗不走寻常路。从北斗一号系统采用“双星定位”解决我国卫星导航有无问题，到北斗二号系统采用混合星座构型，用14颗卫星实现为亚太大部分地区提供服务，再到北斗三号系统按“最简系统、基本系统、全球系统”三步走的计划组网……中国北斗人用别出心裁的智慧，实现了北斗卫星导航系统建设不停步、服务不停歇，中国北斗始终星光熠熠。

信号设计技术创新。北斗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，GPS使用的是双频信号，这是北斗的后发优势。使用双频信号可以减弱电离层延迟的影响，而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。同时，使用三频信号可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。正因如此，GPS系统也在扩展成三频信号系统。北斗三号设计了全新的信号体制，在高精度的信号生成、信号播发以及设备稳定度等方面也获得了突破。

星间链路技术创新。为了使北斗从区域走向全球，北斗三号全球首创突破了Ka频段这种测量型的星间链路技术。这项技术使所有北斗卫星连成一个大网，每颗星之间可以“通话”，可以测距，一星通、星星通，使卫星定位的精度大幅度提高。另外，各个卫星的星载原子钟之间可以同步走，提高了整个导航系统时间同步的精度。我们知道，人造卫星的运行会漂移，一旦漂移，卫星的位置就不准了，这就要通过星间链路来调整。另外，为了保证时间同步，我们也要通过星间链路来调整。

原子钟创新。在时频方面，原子钟是导航卫星的“心脏”。我国的铷原子钟技术也非常好。过去，只有少数国家能够制造卫星导航系统使用的高精度原子钟，他们在这方面对我国实行严格限制，甚至直接禁运。直到北斗二号建设时，他国垄断才被彻底打破。我国的铷原子钟的稳定度达到E-14量级，相当于300万年只有1秒误差。北斗三号突破了新型氢原子钟以及原子钟的无缝切换技术，这项技术也是决定整个导航精度的一个核心技术。

2010年，北斗团队研发出新一代适于直接入轨一箭多星发射的“全桁架式卫星平台”，不仅为全球北斗卫星导航系统组网建设提供了保证，也为中国航天新增加了一个性能先进的卫星平台。与此前的卫星平台相比，全桁架式卫星平台具有轻量化程度高、易于安装和拆卸、结构通用性组合性好等特点。

由于人造卫星寿命有限，卫星组网速度直接影响系统运行效率和成本。为提升组网速度，在北斗三号卫星研制过程中，我们实现了卫星的批量化生产。

在北斗卫星导航系统的研制过程中，我国还有许多创新和技术突破。比如，载荷重构技术、卫星功能链设计理念与技术、综合电子体系设计、管理软件SpaceOS2自主开发、精密定轨与时间同步、星敏感器及地球红外敏感器、电源控制器、大功率微波开关、测量敏感器、行波管放大器、固态放大器、增强碳纤维太阳翼、太阳翼驱动机构SADA、28nm星载导航芯片、抗辐照龙芯CPU等。

新时代北斗精神，基本内涵是自主创新、开放融合、万众一心、追求卓越。作为我国自主创新的结晶，北斗系统的发展浓缩着我国科技创新的不凡之路。面对缺乏频率资源、没有自己的原子钟和芯片等难关，广大科技人员集智攻关，首获占“频”之胜、攻克无“钟”之困、消除缺“芯”之忧、破解布“站”之难，走出一条自主创新的发展道路。特别是北斗三号工程建设，攻克星间链路等160余项关键核心技术，推进500余种器部件国产化研制，实现核心器部件国产化率100%。

目前北斗三号系统还提供若干种服务：一是定位导航授时服务。全球范围实测定位精度水平方向优于2.5米，垂直方向优于5.0米。测速精度优于0.2米/秒，授时精度优于20纳秒。二是星基增强服务。支持单频及双频多星座两种增强服务模式，满足国际民航组织技术验证要求。目前星基增强系统服务平台已基本建成，正面向民航、海事、铁路等高完好性用户提供试运行服务。三是地基增强服务。已在中国全境内建设框架网基准站和区域网基准站，面向行业和大众用户提供实时厘米级、事后毫米级定位增强服务。

当前，北斗卫星导航系统的社会应用分三大类：一是国防应用。北斗卫星导航系统对于保障中国的国家安全和战略利益具有重要意义。二是行业应用。北斗卫星导航系统对国民经济的发展起着重要作用，比如农业、工业、渔业等。三是大众消费。北斗卫星导航芯片、模块、天线、板卡等基础产品，是北斗系统应用的基础。通过卫星导航专项的集智攻关，我国实现了卫星导航基础产品的自主可控，形成了完整的产业链。伴随着互联网、大数据、云计算、物联网等技术的发展，北斗基础产品的嵌入式、融合性应用逐步加强，产生了显著的融合效益。比如，北斗卫星导航已经成为智能手机、可穿戴设备等大众消费产品的标准配置。

2021年，中国卫星导航定位协会发布《2021中国卫星导航与位置服务产业发展白皮书》。白皮书显示，2020年我国卫星导航与位置服务产业总体产值达4033亿元人民币，较2019年增长约16.9%。截至2020年底，国产北斗兼容型芯片及模块销量已超过1.5亿片，季度出货量突破1000万片；具有北斗定位功能的终端产品社会总保有量超过10亿台/套（含智能手机）。

卫星导航系统是重要的空间基础设施，是事关国计民生的大国重器。建设独立自主的卫星导航系统，是党中央作出的重大战略决策。北斗卫星导航系统从无到有、从有到优、从区域到全球的发展历程，彰显了中国人民矢志自主创新的豪情壮志。我们要以奋发有为的精神状态、不负韶华的时代担当、实干兴邦的决心意志，奋力开创新时代中国特色社会主义事业新局面。

（李成智 北京航空航天大学教授）