交匯點訊 隨著北斗三號GEO-3衛(wèi)星的成功發(fā)射，我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)項目圓滿完成，星陣已列，全球“天網(wǎng)”成功織就，今后“北斗三號”將給我們的生活帶來哪些改變？前后經(jīng)過30多年的實踐探索，我國為何對于“北斗”系統(tǒng)的建設(shè)如此執(zhí)著？媒體采訪了南京航空航天大學(xué)航天學(xué)院的聞新教授和康國華教授，一起探秘北斗的前行之路。

  你早就用上了北斗，只是你可能不知道——

  很多人知道我國發(fā)射了北斗衛(wèi)星，卻不清楚北斗早已經(jīng)提供給人民使用，并向全世界開放。

  如果你留心觀察，不難發(fā)現(xiàn)，你的智能手機總是能夠精準(zhǔn)報時，幾乎不會像手表那樣，偶爾會“走快了”或是“走慢了”，幫助你“對表”的，正是北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。

  南京航空航天大學(xué)航天學(xué)院教授康國華告訴記者，“北斗”不僅僅是發(fā)射到天空的一顆顆衛(wèi)星，而是一個龐大的系統(tǒng)工程?？此七b不可及，其實與我們的生活息息相關(guān)?！皬纳蟼€世紀(jì)80年代開始，全世界都一直在用美國的GPS。有了北斗系統(tǒng)后，GPS在全球衛(wèi)星定位領(lǐng)域的絕對主導(dǎo)地位受到了挑戰(zhàn)，現(xiàn)在我們大部分手機都已開始采用北斗導(dǎo)航系統(tǒng)?！?

  他拿出自己的手機，給記者演示了手機APP所顯示的衛(wèi)星天頂圖，圖中顯示了全球四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)各自衛(wèi)星在當(dāng)?shù)靥祉斏线\動的情況，他們分別是美國的全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)（GPS），俄羅斯的格洛納斯系統(tǒng)（GLONASS）、歐盟的伽利略系統(tǒng)（Galileo），還有中國的北斗系統(tǒng)?！捌渲胁噬哪苁盏叫盘柕脑谲壭l(wèi)星，而黑白的則是暫時收不到信號。“

  北斗衛(wèi)星每一顆重850KG，載荷重量：300Kg，承載著三項功能——定位、授時和短報文?？祰A說，定位是導(dǎo)航的基礎(chǔ)，導(dǎo)航是定位的應(yīng)用；定位是“告訴你在哪”，導(dǎo)航是“告訴你如何從現(xiàn)在所處的位置，去你想要去的地方”。

  授時，顧名思義就是“給出準(zhǔn)確的時間”，對一些儀器設(shè)備來說就是進行時間的校準(zhǔn)，只要用了北斗授時功能，即使分布在全球不同地方，依然可以保持時間的“同步”。康國華告訴記者，時間同步是一個國家安全的保障，如高鐵、電網(wǎng)、計算機網(wǎng)絡(luò)通信等等，都需要時間同步。如高鐵準(zhǔn)時發(fā)車、按時到站、安全交會等，都需要有“同步時間”作為基準(zhǔn)。比如依靠北斗的精準(zhǔn)定位，高鐵從時速350公里一次制動到停車，最后停準(zhǔn)誤差能控制在10厘米之內(nèi)。

  短報文則是中國北斗的獨有特色，與GPS接收機只能單向接收衛(wèi)星信號不同，北斗接收機不僅可以實現(xiàn)定位，而且可以類似手機收發(fā)短信，通過衛(wèi)星進行雙向的文字信息傳遞。

  在2008年的汶川地震救援中，當(dāng)時地面通信設(shè)施遭到嚴(yán)重破壞，甚至癱瘓，救援部隊利用北斗短報文，發(fā)出了來自災(zāi)區(qū)的第一條信息，將災(zāi)情和受災(zāi)位置準(zhǔn)確地報告給救災(zāi)搶險指揮部，發(fā)揮了巨大作用。而當(dāng)時“北斗一號”的精度其實還不夠高，其雙向通訊功能已經(jīng)大顯神通,挽救生命難以計數(shù)。

  “斗轉(zhuǎn)星移”，20多年織就一張“天網(wǎng)”

  逐夢“北斗星”的背后是幾代人的接力奮斗，從無到有，從弱到強，“北斗”星光日漸耀眼。

  南京航空航天大學(xué)航天學(xué)院聞新教授告訴記者，國人關(guān)于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)想，可以追溯到1983年。著名航天專家陳芳允院士首次提出雙星定位的概念和設(shè)想。

  “給北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)定下三步發(fā)展規(guī)劃的總設(shè)計師則是我國‘兩彈一星‘元勛孫家棟?！甭勑陆榻B，1994年我國啟動了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航試驗系統(tǒng)建設(shè)，即為“北斗一代”，第二步則是在2004年，啟動北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)，2012年形成區(qū)域無源服務(wù)能力。而第三步正是在今年，形成全球無源服務(wù)能力?！皬?007年到2010年，一顆顆組網(wǎng)衛(wèi)星不斷發(fā)射升空，在天空中‘織’出了一張信息網(wǎng)?！?

  由于“北斗一代”采用的是雙星定位方法，所以“北斗一代”在定位精度、授時精度、服務(wù)區(qū)域等方面都有不小的提升空間，特別是信號傳輸延時大等問題?！甭勑屡e例，“北斗一代”的定位精度是水平20米，這也就意味著，距離小于20米的兩個物體，“北斗一代”是無法從遙遠的太空“看清”并且計算出它們的位置差別。

  康國華介紹，目前我們的手機里一般還是集成了兩三個甚至四個國家的衛(wèi)星系統(tǒng)?！盀槭裁次覀儾粏为氂弥袊谋倍废到y(tǒng)？因為北斗二號系統(tǒng)著重覆蓋亞太地區(qū)，在全球其他地區(qū)的服務(wù)還不是很穩(wěn)定?！?

  康國華把北斗衛(wèi)星的多次發(fā)射比作“拼圖”， 北斗一號是試驗星，只有4顆，僅在我們中國的上空，目前已經(jīng)全部退役；之后的北斗二號是區(qū)域組網(wǎng)衛(wèi)星，覆蓋亞太地區(qū)共20顆衛(wèi)星?！氨倍啡枴毙l(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)空間段由27顆中地球軌道衛(wèi)星、5顆同步軌道衛(wèi)星、3顆傾斜同步軌道衛(wèi)星組成，共計35顆星。

  從北斗二號首顆星起算，我國已發(fā)射54顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星，從6月開始已經(jīng)正式入網(wǎng)工作。而6月23日發(fā)射的最后一顆組網(wǎng)衛(wèi)星，便是整個北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中的第55顆。

  康國華說，盡管此次我們發(fā)射的是拼圖中最后一顆星，但其實北斗系統(tǒng)中的衛(wèi)星一直都在更替當(dāng)中，“每一顆衛(wèi)星都是有壽命，平均大概8—10年需要退役，北斗三代建設(shè)以來，已經(jīng)有不少衛(wèi)星退役和新增。 最后第55顆星的意義，是讓北斗系統(tǒng)真正成為全球的北斗，在地球任何一個地方都可以用北斗來定位。”

  最亮的中國星，讓天上的星星“參北斗”

  中國航天人對于“北斗”衛(wèi)星的執(zhí)著，意義何在？

  作為國之重器，北斗是我國重大空間基礎(chǔ)設(shè)施，以建設(shè)我國時空基準(zhǔn)網(wǎng)和導(dǎo)航信息網(wǎng)為目標(biāo)，是我大國地位和戰(zhàn)略利益的重要支撐?！翱梢哉f，越早建設(shè)，就越由占據(jù)戰(zhàn)略的優(yōu)勢?！笨祰A舉例說，”衛(wèi)星定位需要從天上發(fā)射特定頻點的無線電波到地面，由于只有特定頻點電磁波穿透大氣過程中出現(xiàn)衰減最少，因此這些頻點就成為重要的戰(zhàn)略資源”，根據(jù)當(dāng)前國際電聯(lián)對頻點分配采取“先占先得”的規(guī)則，美國由于最早建設(shè)GPS，因此選擇的頻段是最優(yōu)的。

  衛(wèi)星導(dǎo)航的競爭不僅是是技術(shù)體制的競爭，同時也是星座與信號的競爭。中國與歐洲、美國就衛(wèi)星頻點和軌位問題經(jīng)歷了多年的協(xié)調(diào)工作，甚至“明爭暗斗”，背后充滿了大國航天的“博弈”。

  北斗二號導(dǎo)航系統(tǒng)就曾經(jīng)歷了這樣的緊迫時間。按照國際電聯(lián)的相關(guān)規(guī)定，北斗二號導(dǎo)航系統(tǒng)必須在七年之內(nèi)完成衛(wèi)星導(dǎo)航信號在軌向地面發(fā)播，否則就取消導(dǎo)航頻率的優(yōu)先使用權(quán)，需要重新申請頻率和開展相關(guān)國際協(xié)調(diào)，如此一來，我國將失去了發(fā)展全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的最佳機會。

  面對緊迫的研制任務(wù)，南京航空航天大學(xué)校友、時任北斗二號衛(wèi)星副總設(shè)計師的陳忠貴帶領(lǐng)黨員突擊隊，改進集成測試驗證方法，一周“5+2”、每天“白+黑”，奮戰(zhàn)8個月。2007年4月16日，在成功發(fā)射的兩天后，北京從飛行試驗星獲得清晰信號，此時距離空間頻率失效僅剩下不到4個小時——正是這次壯舉，有效地保護了我國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的頻率資源，拉開了北斗區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)建設(shè)的序幕。

  “如今，北斗三號”全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的成功組網(wǎng)，標(biāo)志著我國在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)領(lǐng)域，有了和美國GPS導(dǎo)航系統(tǒng)實力PK的“資本。北斗不僅是一項國家工程，也是民族工程?！倍贰兄鄠€‘第一次’?！甭勑铝信e，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)第一次采用了三種軌道（GEO、IGSO、MEO）的混合星座的體制；第一次達到元器件100%國產(chǎn)化要求；第一次提出合作與兼容……這些都讓中國的航空航天和衛(wèi)星監(jiān)測技術(shù)在世界上更有底氣。

  比如作為導(dǎo)航衛(wèi)星“心臟”的星載原子鐘，在中國曾經(jīng)一度是技術(shù)空白。而無線電波傳遞和接收有一個時間差，時間差乘以光速就是距離，只要誤差一秒，那么距離就會相差30萬公里。 在北斗二號研制時，曾引進過瑞士一家公司，但后來歐盟要求該公司提供的原子鐘要比“伽利略”導(dǎo)航系統(tǒng)低一個數(shù)量級的精度，這讓陳忠貴及設(shè)計團隊更深刻認(rèn)識到“關(guān)鍵核心技術(shù)買不來、要不來、討不來”。

  如今，我國已經(jīng)攻克了銣原子鐘、氫原子鐘的關(guān)鍵技術(shù)，并在北斗導(dǎo)航衛(wèi)星上使用了這兩種原子鐘搭配來實現(xiàn)時間基準(zhǔn)的建立。其中， 星載銣原子鐘實現(xiàn)了元器件100%國產(chǎn)化，目前的精度可達到300萬年誤差僅為1秒，被動型星載氫原子鐘，1000萬年才誤差1秒。

  目前，北斗三號衛(wèi)星在定位服務(wù)、廣域增強服務(wù)、全球短報文服務(wù)、搜索救援服務(wù)等方面都形成了鮮明的北斗特色，并在系統(tǒng)信號性能、系統(tǒng)傳輸和測距性能、星載原子鐘性能、關(guān)鍵產(chǎn)品和元器件國產(chǎn)化等方面實現(xiàn)了對國外技術(shù)的局部領(lǐng)先。在南京航天航天大學(xué)校友總師思政公開課上，陳忠貴就充滿自信地指出，“北斗三號系統(tǒng)的核心就是以更高精準(zhǔn)，更高性能服務(wù)全球”，讓中國的北斗也是世界的北斗！”

  “北斗+”時代開啟， 既要天上好用，也要地上用好

  北斗全球組網(wǎng)后，具有定位、授時和短報文服務(wù)的北斗系統(tǒng)融入老百姓生活的速度會加快?！氨倍?”生活將加速來臨。

  “它將會成為像類似于像水網(wǎng)、電網(wǎng)一樣基礎(chǔ)設(shè)施，日常生活再也離不開它；如你點一個外賣、叫一輛網(wǎng)約車，都需要用到衛(wèi)星定位確定你當(dāng)前的位置。” 康國華說，但接下來，北斗還要解決可靠性、精度、穩(wěn)定性等各方面的問題。

  “北斗現(xiàn)在最大的問題是應(yīng)用推廣?！笨祰A說，畢竟GPS比我們早發(fā)展了20多年，用戶使用具有了粘性和慣性；以手機為例，將GPS芯片換成北斗芯片，就要增加很多而外成本，商家就沒有動力去更換；因此在一些GPS應(yīng)用的本來就成熟的領(lǐng)域，替換北斗往往會遇到比較大的阻力。但北斗只有用的人越多，成本才會越低，迭代改進速度越快，形成正反饋。

  康國華教授目前帶領(lǐng)團隊開展的“低軌衛(wèi)星導(dǎo)航增強”研究就與北斗的推廣應(yīng)用有關(guān)?！叭绻覀儼驯倍废到y(tǒng)比做高速公路一樣的主干網(wǎng)，它能提供優(yōu)于10米定位精度；那我們工作就類似于在修‘省道’，在這個骨干網(wǎng)基礎(chǔ)上，進一步提高精度”。

  康國華舉例子說，當(dāng)你在城市樓宇間穿梭時，由于樓宇形成的“峽谷”效應(yīng)，你能看到的天很小，因此接收到衛(wèi)星的信號少且弱。而低軌導(dǎo)航增強系統(tǒng)，就是在北斗星座下方再增加一層低軌星座，利用低軌衛(wèi)星上的導(dǎo)航增強系統(tǒng)實現(xiàn)北斗信號增強和播發(fā)，從而提高信號的強度，將原來北斗道路級定位提升為車道級定位。以前我們可以知道人在哪，現(xiàn)在我還要知道你是邁出了左腳還是右腳?！笨祰A說。目前日本有一個“準(zhǔn)天頂”衛(wèi)星系統(tǒng)也具有類似的功能，但他們是基于GPS來做的，而我們團隊是基于自己北斗系統(tǒng)來研究的。

  未來，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在陸地、海洋、航空航天、大眾消費等多個領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用?！芭e例，海洋漁業(yè)中，船只的導(dǎo)航、漁業(yè)綜合信息服務(wù)網(wǎng)絡(luò)的建立，都離不開北斗系統(tǒng)的定位信號。”聞新介紹說，在交通運輸領(lǐng)域，先進的衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)應(yīng)用是實現(xiàn)交通運輸信息化和現(xiàn)代化的重要手段，對建立暢通、高效、安全、綠色的現(xiàn)代交通運輸體系具有十分重要的意義?！?

  記者了解到，北斗系統(tǒng)在我國的多個領(lǐng)域已經(jīng)開始應(yīng)用。如基于北斗系統(tǒng)的水文監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了水文水情信息的實時傳輸，大大提高了雨情、水情、旱情和災(zāi)情信息采集的準(zhǔn)確性及傳輸?shù)臅r效性。已在我國陜南地區(qū)、長江流域、黃河流域，獲得了廣泛應(yīng)用，用戶數(shù)量達到4000多個?！霸跉庀箢A(yù)報領(lǐng)域，經(jīng)過多年氣象數(shù)字報文傳輸應(yīng)用實驗，科研工作者研制的系列氣象預(yù)報型北斗終端設(shè)備和系統(tǒng)應(yīng)用解決方案，解決了國家氣象局和各地市氣象中心的氣象站數(shù)字報文自動傳輸匯集、氣象站地圖分布可視化顯示功能。目前，在氣象領(lǐng)域的北斗應(yīng)用終端已經(jīng)達數(shù)千臺?！?

  微鏈接——“北斗三號”總師“南航造”

  “北斗三號”和江蘇還有一層親切的聯(lián)系，它的總設(shè)計師陳忠貴是南京航空航天大學(xué)86級校友。

  “仰望星空，托起探索宇宙志向。努力拼搏，實現(xiàn)航天強國夢想?！痹诮衲甑谖鍌€“中國航天日”和“東方紅一號”衛(wèi)星成功發(fā)射50周年的日子里，陳忠貴為母校學(xué)子深情寄語。

  陳忠貴畢業(yè)后到航天五院工作已有31個年頭，其中有20年都在從事與北斗相關(guān)的工作。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)從無到有，從弱變強，從區(qū)域到全球，他見證了8萬北斗人夜以繼日、嘔心瀝血的攻關(guān)與奉獻。

  2018年12月，陳忠貴曾回到南航校園，為同學(xué)們帶來了一場震撼的校友總師思政公開課《北斗導(dǎo)航衛(wèi)星》。本科原是學(xué)礦山機械的陳忠貴，出于對航空航天夢的向往，在工作幾年后辭去了工作，選擇報考了南京航空學(xué)院（南京航空航天大學(xué)前身）的數(shù)理力學(xué)專業(yè)，師從朱明教授從事多體動力學(xué)研究。

  “南航的學(xué)風(fēng)非常嚴(yán)格，尤其是專業(yè)基礎(chǔ)課程的要求特別高，考試不含糊?！边@是陳忠貴回憶讀研學(xué)習(xí)生活時印象最深的事情。他還記得自動控制這門課程，“考試成績不理想，老師還會找學(xué)生談話，幫助學(xué)生分析原因，舉一反三。”正是有這樣的嚴(yán)謹(jǐn)學(xué)風(fēng)與潛心育人的專業(yè)教師，陳忠貴在讀研期間及時彌補了專業(yè)基礎(chǔ)的差距，為后期的工作發(fā)展奠定了根基。

  在朱明老師的指導(dǎo)下，陳忠貴將研究生畢業(yè)論文瞄準(zhǔn)多體動力學(xué)新型建模理論和分析軟件開發(fā)方向。在畢業(yè)論文撰寫過程中，他有了更多機會接觸航天這個領(lǐng)域，而在當(dāng)時，航天最缺的也正是從事動力學(xué)、熱學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科研究的專業(yè)人才。正是這樣的機緣，陳忠貴“天然地”與航天形成了默契的關(guān)聯(lián)，畢業(yè)后毅然選擇了航天五院，這個他孜孜以求、熱愛不已的領(lǐng)域。

  在給南航學(xué)生上的公開課中，陳忠貴全面回顧我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航從一號至三號的發(fā)展歷程，系統(tǒng)講述了我國在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)領(lǐng)域的技術(shù)沿革與重大創(chuàng)新成果。如今北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)實現(xiàn)了組成衛(wèi)星的單機產(chǎn)品100%國產(chǎn)化，核心元器件全部實現(xiàn)國產(chǎn)化，成為了繼美國GPS、俄羅斯格洛納斯系統(tǒng)、歐洲伽利略系統(tǒng)之后第四個成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。

  相較于北斗二號，北斗三號要求的功能更全、指標(biāo)更多、可靠性更高。如何在短時間內(nèi)實現(xiàn)系統(tǒng)功能性能的躍升，是北斗三號論證團隊面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。陳忠貴帶領(lǐng)研制團隊查資料、對標(biāo)準(zhǔn)、建模型、做布局、編方案，最終形成了滿足各方不同需求的技術(shù)論證報告。

  展望未來，他希望能夠建設(shè)服務(wù)全球、重點突出、富有特色、局部領(lǐng)先、平穩(wěn)過渡的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，形成更加泛在更加融合、更加智能的基準(zhǔn)時空體系。讓中國的北斗也是世界的北斗，是他對衛(wèi)星導(dǎo)航事業(yè)矢志不渝的事業(yè)目標(biāo)，也是對我國航天強國事業(yè)的錚錚誓言。

（文章來自網(wǎng)絡(luò)）