北斗卫星导航系统的建设与创新

李成智 北京航空航天大学教授

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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。