北斗导航步入新时代

栏目：向科学致敬 来源：中国数字科技馆

2019年4月20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44颗北斗导航卫星。这是2019年度北斗导航卫星的首次发射，拉开了全年北斗高密度组网的序幕。这颗卫星是北斗三号系统第20颗组网卫星。北斗三号基本系统在2018年的12月份已经正式向“一带一路”及全球提供基本导航服务，我国北斗距离全球组网目标迈出了实质性的一步。

回首来时路，我国北斗走出了一条独特的探索道路，在导航领域成就了一段波澜壮阔的东方传奇。今天的节目，我们来听听北斗导航卫星背后的研发故事。

“北斗工程”诞生之前，我国曾在卫星导航领域进行过探索和研制，也积累了一些宝贵经验。但却绕不开一个实际的问题：我国的导航卫星到底走什么样的道路呢？所以，在确定科研目标之前，面对国际导航技术竞争，我国站在了一个十字路口上。

1983年，以陈芳允院士为代表的专家学者提出了利用2颗地球同步轨道卫星，来测定地面和空中目标的设想。通过大量理论和技术上的研究工作，双星定位系统的概念也逐渐明晰了。

接下来就要考虑：是一步跨到全球组网？还是分阶段走？这在当时引发了不小的争议。参与了技术路线讨论的北斗一号卫星总设计师范本尧院士说：“系统一下建那么大，需要大量的时间和资金。当时刚刚开放，用户还是集中在国内以及周边，因此‘先区域、后全球’的技术途径符合中国国情。”

于是，“先区域、后全球”的思路被确定下来，“三步走”的北斗之路也由此铺开。

作为“第一步”，北斗一号要“花小钱，办大事”，验证系统设计思想的正确性。1993年初，我国提出卫星总体方案，初步确定了卫星技术状态和总体技术指标。到了1994年，北斗一号系统工程立项，组建卫星团队全面展开研制工作。经过艰苦卓绝的关键技术攻关和重大故障的成功排除抢修，终于在2003年建成北斗一号系统，使我国成为继美、俄之后第三个拥有自主卫星导航系统的国家。

面对快速增长的应用需求，在保留北斗特色的同时，北斗二号迈出了提升性能的“第二步”。

2004年，北斗二号正式立项研制。但建设过程中北斗二号系统的“原子钟”遇到了突发问题。原子钟就像一块“手表”，它用来给卫星导航用户提供精确的时间信息服务。高精度的时间基准技术，直接决定着系统导航定位精度，对整个工程的重要性，就像人的心脏一样。

由于当时国外的技术是封闭的，所以，这也坚定了我国科研人员自力更生的信念。北斗卫星导航系统总设计师杨长风说道：“大家有了一个共识，核心关键技术，必须要突破，不能受制于人。当时北斗人有一句话，六七十年代有原子弹，我们的北斗人一定要有我们自己的原子钟”。

为了解决原子钟的技术难题，当时成立了三支队伍同时开展研发，并且在基础理论、材料、工程等领域同步推进。就这样，仅仅用了两年的时间，科研团队就攻克了原子钟这个最大的技术屏障。杨长风说，最后这三支队伍，干出来的东西都上天应用了，而且比国外引进的效果还好，我们的水平确实已经是一种跨越。

站在前两代卫星的肩膀上，北斗的“第三步”迈得更加自信和坚定。2009年的12月份北斗三号立项之后，开始尝试冲刺和领跑。到2012年的12月，北斗系统已经面向亚太区域提供服务，成为国际卫星导航系统四大服务商之一。并且在2018年完成10箭19星发射，创下世界卫星导航系统建设的新纪录，在太空中再次刷新了“中国速度”。伴随着星间链路、全球搜救载荷、新一代原子钟这些新技术的闪耀登场，北斗导航系统的整体性能有了大幅提升。

这里提到的星间链路，我们可以简单理解为用于卫星之间通信的链路。它可以实现卫星和卫星间的信息传输和交换；而全球搜救载荷，说的是在卫星上装载国际搜救组织标准设备，可以为全球用户提供遇险报警和定位服务。例如，2018年9月，我国在西昌卫星发射中心用长征三号乙运载火箭，以“一箭双星”方式成功发射的第三十七、三十八颗北斗导航卫星，就首次加装了全球搜救载荷。

作为国之重器，自主创新是北斗工程的必经之路。秉承“探索一代，研发一代，建设一代”的创新思路，我国“北斗”始终把发展的主动权牢牢掌握在自己手中。北斗一号原创性地提出双星定位的卫星实现方法，打破了国外技术垄断，建立起国际上首个基于双星定位原理的北斗导航卫星试验系统。

北斗二号也突破了区域混合导航星座构建、高精度时空基准建立的关键技术，在国际上首次实现混合星座区域卫星导航系统。系统建成后，各项技术指标与GPS等国际先进水平相当。

北斗工程科研人员，至今还记得研制首颗北斗二号卫星那段激情的岁月。根据国际电联的规则，频率资源是有时限的，过期就作废了。但是就在紧要关头，又出现了新的问题。杨长风回忆起当时的情景，他说，“当时运载火箭已经上了发射塔架，进行第三次总检查的时候，卫星应答机突然发生异常，应答机是天上、地下信号联通的关键。确保拿到频率资源，要有这个信号，于是我们把应答机取出来进行修复。这时用来修复的时间只剩下三天了。那三天，说句实在话，心情紧张、沉重、压力也很大，72小时基本上没合眼。”

2007年4月14日4时11分，这颗肩负着重要使命的北斗卫星起飞了，并且在4月17日成功传回了信号。此时，距离国际电联的空间频率失效只剩不到4个小时。正是这次壮举，有效地保护了我国卫星导航系统的频率资源。

在北斗卫星全球组网建设中，我国率先提出国际上首个高、中轨道星间链路混合型新体制，形成了具有自主知识产权的星间链路网络协议、自主定轨、时间同步等系统方案；并且成功应用星载大功率微波开关等国产化元器件，打破了依赖进口的局面，这些研究成果为全球快速组网建设铺平了道路。在北斗三号工程副总设计师、卫星首席总设计师谢军看来，这是一项团队工程，没有个人英雄，航天事业的成功是一个团队的成功。

的确，每一颗北斗卫星都有着强大的幕后团队，牵动着卫星、运载火箭、运控、应用、测控、发射场等各大系统。每个环节的北斗科研人员，尽管身处不同岗位、面临不同挑战，但大家总是心往一处想、劲儿往一处使，共同推动北斗工程一步步向前迈进。

如今，北斗研制形成了一支平均年龄38岁、老中青结合的团队，为我国航天事业的发展增添助力。

我国北斗科研人员一步一个脚印，实现了跨越式发展。甚至开创了很多只有北斗卫星才有的新技术。建设北斗卫星导航系统，最终就是为了应用。事实上，北斗系统这些年已经成功应用于我国的测绘、电信、水利、渔业、交通运输、森林防火、减灾救灾和公共安全等很多领域。根据总设计师杨长风分享的数据来看，交通部使用北斗系统后，对危险品的运输车、旅游客车、长途客车进行了实时监控，目前已达480多万辆。事故率跟原来的同期相比减少了50%，人员的伤亡率也降低了50%。

今天的北斗导航系统，已经快步走进新时代，未来还将建立我国的综合导航定位设施服务体系，中国的北斗朝着“造福人类、服务全球”的伟大目标，不断迈进。