瞭望智庫: 26年！北斗如何逆風(fēng)翻盤？|2020-6-24

作者 :瞭望智庫 2020-06-24 12:02:20 審稿人 : admin 圍觀 : 次評論

6月23日9時43分，我國在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心用長征三號乙運載火箭，成功發(fā)射北斗系統(tǒng)第55顆導(dǎo)航衛(wèi)星，暨北斗三號最后一顆全球組網(wǎng)衛(wèi)星，至此北斗三號全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)星座部署比原計劃提前半年全面完成。

20 世紀(jì)80 年代開始，我國開始探索適合國情的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展道路，形成了“三步走”發(fā)展戰(zhàn)略。自1994年北斗一號系統(tǒng)工程立項至今，我國用26年的時間實現(xiàn)了59顆北斗衛(wèi)星（包括55顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星和4顆北斗導(dǎo)航試驗衛(wèi)星）的發(fā)射。

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)對于一個國家有多重要？北斗的全球組網(wǎng)意味著什么？今天庫叔和你聊聊。

文丨崔赫翾瞭望智庫觀察員

本文為瞭望智庫原創(chuàng)文章，如需轉(zhuǎn)載請在文前注明來源瞭望智庫（zhczyj）及作者信息，否則將嚴(yán)格追究法律責(zé)任。

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的“首秀”

當(dāng)下，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)為我們生活的方方面面提供便捷，但它最初是為國防安全量身定做的。

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的“首秀”是在海灣戰(zhàn)爭。

1991年海灣戰(zhàn)爭沙漠風(fēng)暴行動后，伊拉克軍隊撤退的道路旁眾多的廢棄車輛。

1991年，以美軍為主的多國部隊在全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（Global Positioning System，以下簡稱GPS）的帶領(lǐng)下，迅速穿過被伊拉克軍隊視為禁地的沙漠地區(qū)，并對其形成包抄，打了對手一個措手不及。

這場起初被預(yù)測會打成僵持戰(zhàn)的戰(zhàn)爭，最終以42天的空襲加上100小時的地面作戰(zhàn)收尾，伊拉克軍隊全面潰敗。

有了“上帝視角”的加持，軍隊中海陸空力量的指揮控制、部隊調(diào)動、物資保障、戰(zhàn)場救援和精確制導(dǎo)武器精確打擊都成為了可能。

1991年3月2日，科威特，“沙漠風(fēng)暴”行動，伊拉克軍隊撤離前將油井點燃。

比如，美國國防部采購了價值超過4000萬美元的8000部GPS小型接收機，在它的信息保障下，美軍機械化步兵分隊能夠?qū)ψ陨砦恢眠M行精度在30米以內(nèi)的定位，并且可以根據(jù)行軍規(guī)劃，生成面向下一個節(jié)點的方案。

此后，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在戰(zhàn)爭中持續(xù)發(fā)揮著功能：

*1995年6月2日，一架美軍F-16戰(zhàn)機在波黑上空被塞族武裝的導(dǎo)彈擊落。飛行員奧格雷迪跳傘逃生后落在塞族控制區(qū)，在靠螞蟻、野草和雨水苦熬6天，并躲過了塞族部隊的多次搜索后，最終被GPS確定了三維位置而救回。

*在科索沃戰(zhàn)爭中，美軍的F-117隱形轟炸機被擊落后，依托于飛行員GPS接收機的呼救裝置，飛行員在7小時內(nèi)就被找到并救出。

*2004年8月，美軍進行了一場異于尋常的空投實驗，將降落區(qū)的坐標(biāo)編進程序，進行精準(zhǔn)定位，再通過馬達牽引線來操縱飛行，最終精準(zhǔn)降落，使得投放高度提升到3200米。

注：傳統(tǒng)空投的投放精度取決于飛機高度及當(dāng)時的風(fēng)速等外界環(huán)境因素，一般情況下，普通降落傘低空投放均低于610米，雖然落點準(zhǔn)確，但是會將飛機完全暴露給敵方。

無論是“一招制敵”還是敵后救援，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)都大大增加了任務(wù)成功的概率。不止如此，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)還徹底改變了戰(zhàn)爭形態(tài)，貢獻了一個新名詞——“外科手術(shù)式打擊”。

“戰(zhàn)斧”式巡航導(dǎo)彈的技術(shù)革新就是典型案例。

1991年，美軍“威斯康星號”戰(zhàn)艦向伊拉克目標(biāo)發(fā)射“戰(zhàn)斧”導(dǎo)彈。

海灣戰(zhàn)爭中，美國海軍向伊拉克本土發(fā)射的282枚導(dǎo)彈中，只有142枚打擊了50個預(yù)定目標(biāo)中的42個。兩年后，美國發(fā)射了45枚“戰(zhàn)斧”導(dǎo)彈攻擊伊拉克南部工業(yè)區(qū)的7座建筑物，攻擊成功率只有64%。

同年，美軍又發(fā)射23枚“戰(zhàn)斧”導(dǎo)彈攻擊巴格達的情報機構(gòu)，只有18枚命中目標(biāo)。

低命中率源于最初采用的“慣性導(dǎo)航＋等高線地形匹配（TERCOM）＋數(shù)字式景象匹配相關(guān)器（DSMAC）”的復(fù)合制導(dǎo)方式。

一方面，使用單獨的慣性導(dǎo)航，導(dǎo)彈在一千余公里的累計誤差能達到十幾公里，就算使用“地形匹配制導(dǎo)”輔助修正，如果飛行路徑中的地形過于平坦或山脈過多，加之夜間、煙塵和惡劣天氣等因素，依舊會影響打擊精度。

另一方面，上世紀(jì)50年代以來，一直依賴改善陀螺儀和加速度計的方式提升導(dǎo)航性能，這種單純依靠元器件性能來提高高精度慣性導(dǎo)航的方法越來越困難。

海灣戰(zhàn)爭之后，美軍開始將GPS與慣性導(dǎo)航系統(tǒng)組合使用。

要精準(zhǔn)攻擊地面固定目標(biāo)，首先須對目標(biāo)進行精確的GPS定位。在照相偵察時，用GPS精準(zhǔn)確定拍照時刻的軌道位置和高度等，將這些數(shù)據(jù)作為制導(dǎo)目的數(shù)據(jù)，或直接裝訂在制導(dǎo)計算機中，或通過數(shù)據(jù)鏈傳送給制導(dǎo)計算機，控制導(dǎo)彈飛向預(yù)定目標(biāo)所在區(qū)域，再通過成像未制導(dǎo)最后確定目標(biāo)，實施攻擊。

有了GPS，導(dǎo)彈飛行航線的選擇也不再依賴地圖，也不再受水域和地形特征的制約。

甚至，由于精度提高了，海灣戰(zhàn)爭中，“戰(zhàn)斧”導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部本來450公斤的重量縮減到320公斤，可攜載更多燃料，航程增加50%以上。

在伊拉克戰(zhàn)爭中，美軍宣稱由于采用了GPS制導(dǎo)技術(shù)，其空中打擊能力比海灣戰(zhàn)爭中提高了6倍，過去摧毀一個目標(biāo)需要幾架次的打擊，而現(xiàn)在一架次就能摧毀幾個目標(biāo)。

大國“燒錢”競賽

當(dāng)然，利器通常相當(dāng)“燒錢”，美國人為此付出了相當(dāng)昂貴的代價。

1973年，美國開始研究GPS。由于建成最早。應(yīng)用范圍最廣，GPS一度占據(jù)霸主位置。

1993年，美國已實現(xiàn)24顆在軌衛(wèi)星滿星運行，分布在6個軌道面上，保證在地球的任何地方都可同時見到4至12顆衛(wèi)星，地球上任何地點、任何時刻均可實現(xiàn)三維定位、測速和測時。幾十年來，美國總共為GPS投入了約300億美元。

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)太重要，即便花費巨大，各國依舊爭相投入研發(fā)。

蘇聯(lián)1976年開始組建格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，1995年時建成由24顆衛(wèi)星組成的衛(wèi)星星座，第一次實現(xiàn)衛(wèi)星信號的全球覆蓋。

2008年12月25日，俄羅斯拜科努爾發(fā)射場，Proton-M型火箭搭載一顆格洛納斯衛(wèi)星發(fā)射。

長期困擾俄羅斯航天的老大難問題就是經(jīng)費不足。超過預(yù)定工作壽命的衛(wèi)星得不到及時更換，無力發(fā)射新衛(wèi)星，到2001年時格洛納斯系統(tǒng)在軌工作衛(wèi)星僅剩7顆，幾乎處于癱瘓邊緣。

2002年，歐盟批準(zhǔn)建設(shè)伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。僅僅8年，伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)就因?qū)嶋H投入費用遠遠超出預(yù)期，陷入“財政無底洞”。

若想繼續(xù)建設(shè)，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)還需要增加15億至17億歐元(約合139.6億至158.3億元人民幣)。歐盟委員會表示，費用增加主要因為火箭發(fā)射費、安全保險費的提高以及延期造成的費用，伽利略計劃可能面臨長期虧損。

2015年12月17日，歐洲伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)第11顆和第12顆衛(wèi)星搭乘一枚俄羅斯“聯(lián)盟”運載火箭從法屬圭亞那庫魯航天中心發(fā)射升空。

虧錢也得建！衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)不僅事關(guān)國家安全：

*在國家電網(wǎng)中，如果沒有衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的授時性，就無法保證時間的精確和一致；如果沒有衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)對故障精確定位，快速引導(dǎo)至故障點進行搶修，電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行就是一個未知數(shù)。

*大宗商品交易對基本面信息的獲取有非常迫切的需求。以往，通過傳統(tǒng)渠道獲得數(shù)據(jù)信息，會有時效性低、信息不足的問題存在，這導(dǎo)致全球大宗商品供應(yīng)鏈的市場透明度始終不高。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)提供的“另類數(shù)據(jù)”，為提升大宗商品市場透明度提供了新的可能性。

*離開了衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，地球磁場、地球板塊運動等學(xué)術(shù)研究會統(tǒng)統(tǒng)陷入停滯。

*沒有衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的加持，港珠澳大橋等超級工程的定位速度會大幅下降，無法展現(xiàn)“中國速度”。

*沒了導(dǎo)航，廣大“路盲”出行將遭遇多大的困難，不言而喻。

1980年代，我國開始探索適合國情的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展道路。當(dāng)時，美國的GPS已是星座構(gòu)成最完善、定位精度最穩(wěn)定、應(yīng)用最廣泛并呈現(xiàn)市場壟斷的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，而且，對全世界免費開放，連外國軍隊都可以使用。

于是，有人說，中國“有必要耗費這么大的精力，去自主研發(fā)一個定位系統(tǒng)嗎？”

北斗，想說愛你不容易

當(dāng)然有！

首先，GPS是一個以軍用為主的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，所有權(quán)、控制權(quán)、運營權(quán)都屬于美國國防部。很多國家的民用用戶都擔(dān)心，美國軍方可以隨時叫停民用信號。“免費午餐”存在巨大風(fēng)險。

其次，精度不夠。GPS包含軍碼和民碼兩種信號，二者精密級別不同，前者是毫米級別，后者是分米級別。2000年以前，美國軍方對GPS發(fā)布的民用信號進行干擾，為的是降低民用信號提供精度，保護美國信息安全。

在此背景下，本著先區(qū)域、后全球的發(fā)展規(guī)劃，我國先后建成北斗一號、北斗二號、北斗三號系統(tǒng)，走出了一條中國特色衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)道路。

2015年9月30日，西昌衛(wèi)星發(fā)射中心，中國成功發(fā)射第4顆新一代北斗導(dǎo)航衛(wèi)星。

這條路并非一帆風(fēng)順。在具體的技術(shù)上，難題迭出。

比如，導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)射上天的前提是要有合法的軌道位置和頻率資源，這是世界各國必爭的寶貴資源。美國的GPS和俄羅斯的格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)早已占去了80%的“黃金導(dǎo)航頻段”。

直到2000年，我國才在國際電聯(lián)組織爭取到了暫時的軌道位置和頻率資源。但是，《無線電規(guī)則》對衛(wèi)星頻率和軌道做的充分解釋和分配方式中有一條規(guī)定，7年內(nèi)申請者必須使用該頻率。

時間相當(dāng)緊迫！

2007年4月14日，肩負(fù)著重要使命的北斗衛(wèi)星終于起飛，4月17日傳回了信號。

這時，距離國際電聯(lián)規(guī)定的頻率申請失效最后期限僅剩不到4個小時。

原子鐘難題也曾是一大障礙。

導(dǎo)航衛(wèi)星上的原子鐘，利用原子吸收或釋放能量時發(fā)出的電磁波進行計時。穩(wěn)定的電磁波協(xié)同精密的儀器為衛(wèi)星導(dǎo)航提供精確的時間測度。它能精確到什么地步？舉個例子，哪怕從恐龍滅絕時計時到現(xiàn)在，誤差也不超過3秒。原子鐘因此被稱為導(dǎo)航衛(wèi)星的“心臟”。

我國曾試圖從國外引進銣原子鐘，遭拒絕后開始自主研制。

1997年，科學(xué)家們對銣原子鐘的壽命、可靠性和衛(wèi)星環(huán)境適應(yīng)性等完全沒有概念，只能反復(fù)試驗、改進，以此尋找最佳答案。比如，銣原子鐘的核心部件微波腔，直接決定原子鐘信號強弱，團隊不斷嘗試，用時一年多研制出開槽管微波腔。

此外，團隊還發(fā)明了一種新型銣光譜燈，克服了限制銣鐘壽命和衛(wèi)星環(huán)境適應(yīng)性的主要障礙。

北斗三號衛(wèi)星，開始采用氫原子鐘，銣原子鐘天穩(wěn)定度為E-14量級，氫原子鐘天穩(wěn)定度為E-15量級。

中國自主研發(fā)的空間主動型氫原子鐘。

2000年底，我國建成北斗一號系統(tǒng)，首次解決了“我們在哪里”的根本問題。從1994年立項到3顆GEO衛(wèi)星組成了全球第3個衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、覆蓋中國國土及周邊，我國用了6年。

2012年底，北斗二號系統(tǒng)建成，14顆衛(wèi)星覆蓋亞太地區(qū)，在亞太地區(qū)內(nèi)導(dǎo)航系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)的定位精度在10米左右。北斗二號確立了北斗的技術(shù)體制，實現(xiàn)了連續(xù)導(dǎo)航與定位報告雙模融合、三頻信號全星座播發(fā)。

2020年，北斗三號實現(xiàn)了全球組網(wǎng)，35顆衛(wèi)星覆蓋全球，可以向全球用戶提供米級、亞米級、分米級，甚至厘米級精度的定位和導(dǎo)航增強服務(wù)。

從一個“缺”字當(dāng)頭——關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)備短缺，衛(wèi)星導(dǎo)航研究的人才短缺，經(jīng)費也捉襟見肘，再到北斗全球組網(wǎng)的完成，一切艱辛與榮耀，盡在不言中。

我們真的“青出于藍”了嗎？

2007年，聯(lián)合國將美國GPS、中國北斗、俄羅斯格洛納斯、歐盟伽利略確定為全球四大導(dǎo)航系統(tǒng)。

目前，北斗的各項技術(shù)也在不斷更新之中。

2018年4月18日，寧夏吳忠市利通區(qū)金積鎮(zhèn)塔灣村村民在田間利用北斗導(dǎo)航播種蔬菜。

比如，在北斗二號的基礎(chǔ)上，北斗三號的定位精度提升了1至2倍，達到2.5-5米的水平，擬為民用用戶免費提供約10米精度的定位服務(wù)、0.2米/秒的測速服務(wù)。

此外，北斗三號導(dǎo)航系統(tǒng)還可以以其高精度定位的優(yōu)勢，向用戶提供精密測量測繪數(shù)據(jù)。北斗三號工程副總設(shè)計師、北斗三號導(dǎo)航衛(wèi)星首席總設(shè)計師謝軍表示，“測量地震后建筑物的下沉變化等，幾毫米的下沉，都逃不過北斗的法眼。”

后發(fā)制人的北斗，還有很多其他導(dǎo)航系統(tǒng)難以企及的優(yōu)勢。

首先，北斗特有的短報文功能，是GPS不具備的一項技術(shù)突破。簡單來說，這是用戶機與用戶機、用戶機與地面控制中心間雙向數(shù)字報文通信功能，不僅能發(fā)送信號，還可以接收信號。

短報文發(fā)送方首先將包含接收方ID號和通訊內(nèi)容的通訊申請信號加密后，通過衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)入站；地面中心站接收到通訊申請信號后，經(jīng)脫密和再加密后加入持續(xù)廣播的出站廣播電文中，經(jīng)衛(wèi)星廣播給用戶；隨后，接收方用戶機接收出站信號，解調(diào)解密出站電文，完成一次通訊。

短報文，與我們?nèi)粘６绦诺男问较嗨疲诟鞣N救援中發(fā)揮了無法替代的作用。

汶川地震救災(zāi)時，北斗一代設(shè)備發(fā)出了來自震區(qū)的第一條消息。那時，所有高度依賴光纖和基站的通訊手段都因基礎(chǔ)設(shè)施大面積損壞而無法使用。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的短報文功能迅速“上線”，最大限度地保證了我們對“72小時黃金搶救時間”的充分利用。

2018年9月，一架通航飛機在新疆和田山區(qū)失聯(lián)后，通過北斗短報文發(fā)送了定位信息，使得機組人員全部平安獲救。

在森林火災(zāi)中，北斗手持終端可通過北斗系統(tǒng)高精度定位技術(shù)及短報文通信功能，讓第一線的消防干警及時掌握火情并做好個人防護，便于組織疏散當(dāng)?shù)厝巳骸⒓訌娭攸c防護區(qū)域場所的救援力量部署工作。

2017年，北斗的應(yīng)用還在漁業(yè)中不斷推廣。漁民說，現(xiàn)在出海就拜兩樣?xùn)|西，一拜媽祖，二拜北斗。目前，我國渤海、黃海、東海、南海等海域的5萬多條漁船都裝上了北斗終端。根據(jù)浙江省2011年的統(tǒng)計，浙江漁民利用北斗衛(wèi)星發(fā)出了1300萬條短信。

此外，GPS使用的是雙頻信號，而北斗使用的是三頻信號，可以更好地消除高階電離層延遲影響，提高定位可靠性，增強數(shù)據(jù)預(yù)處理能力，大大提高模糊度的固定效率。如果一個頻率信號出現(xiàn)問題，可使用傳統(tǒng)方法利用另外兩個頻率進行定位，提高了定位的可靠性和抗干擾能力。

北斗是全球第一個提供三頻信號服務(wù)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。

民用化是發(fā)展方向

現(xiàn)在，北斗已遍及我們生活的方方面面：世界主流手機芯片大都支持北斗系統(tǒng)，北斗系統(tǒng)正成為國內(nèi)銷售的智能手機的標(biāo)配；共享單車配裝北斗系統(tǒng)實現(xiàn)精細(xì)管理；支持北斗系統(tǒng)的手表、手環(huán)、學(xué)生卡，更加方便了人們的日常生活。

中國航天科技集團展出的北斗導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)模型。

需要注意的是，這些衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)不是非要爭個你死我活，多系統(tǒng)兼容與互操作已成為發(fā)展趨勢。

美軍U-2偵察機已將中國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)作為備用系統(tǒng)，供飛機在GPS失靈時使用。U-2飛行員佩戴的手表也內(nèi)置了多個導(dǎo)航系統(tǒng)，除GPS外，也能連接北斗、格洛納斯和伽利略系統(tǒng)。

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其一，為正常運行提供保障。

根據(jù)GPS的工作原理，接收機需要同時“看到”至少4顆導(dǎo)航衛(wèi)星，才能實現(xiàn)定位。如果使用單一導(dǎo)航系統(tǒng)，一旦在某一區(qū)域上空衛(wèi)星數(shù)量有限，接收機與某顆衛(wèi)星就會斷開聯(lián)系，影響定位服務(wù)的持續(xù)性。北斗與GPS實現(xiàn)互操作以后，用戶用一臺接收機能同時接收兩個系統(tǒng)的衛(wèi)星信號，如GPS衛(wèi)星數(shù)量不夠的話，還有北斗衛(wèi)星，定位的穩(wěn)定性和精度會更高。

其二，衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)一般遵循由軍用到行業(yè)再到民用、從小眾到大眾的發(fā)展規(guī)律。北斗導(dǎo)航系統(tǒng)現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于交通運輸、公共安全、農(nóng)林漁業(yè)、水文監(jiān)測、氣象預(yù)報、通信時統(tǒng)、電力調(diào)度、救災(zāi)減災(zāi)等領(lǐng)域，而兼容可提高產(chǎn)品性能，提升用戶體驗，為商業(yè)競爭加分。

目前，國際主流全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）廠商都采用多系統(tǒng)共用模式，產(chǎn)品一般都支持兩個或者更多的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，北斗三號在設(shè)計建造之初就已考慮對其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的兼容性，用戶可以在終端上接收多個信號。

北斗的大眾規(guī)模化應(yīng)用時代已經(jīng)到來。作為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，衛(wèi)星導(dǎo)航定位市場已演變?yōu)槊磕陜r值近千億美元的全球性產(chǎn)業(yè)鏈和戰(zhàn)略合作關(guān)系。2017年我國衛(wèi)星導(dǎo)航與位置服務(wù)產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值達到2550億元，同比增長20.4%。這一數(shù)字在2020年有望達到3400億元至3500億元。

當(dāng)下，我國與其他國家的合作也在不斷推進，國產(chǎn)北斗基礎(chǔ)產(chǎn)品已出口120余個國家和地區(qū)，基于北斗的土地確權(quán)、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、數(shù)字施工、智慧港口等，已在東盟、南亞、東歐、西亞、非洲等地得到成功應(yīng)用。

標(biāo)簽北斗導(dǎo)航系統(tǒng) 信號

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