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北斗简史:一文读懂国产导航的26年成长路

KUO 2020-6-26 10:05 395人围观 科技金融

文章来源于甲子光年 ,作者刘景丰

2019年全球卫星产业产值约为1507亿欧元,折合人民币约1.2万亿元。超过90%的市场被GPS占领,但随着北斗、伽利略等系统建设完成,GPS的优势正在减弱。
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6月23日9时43分,最后一颗北斗组网卫星在西昌卫星发射中心发射成功。

至此,中国耗时26年、投入超过120亿美元、先后发射59颗卫星的自研卫星导航系统终于建成。 这意味着中国有了自己的全球导航定位系统,彻底结束了依赖GPS的历史。 这也意味着,北斗将向目前仍占据着1.2万亿全球卫星导航产业中90%市场份额的GPS导航系统发起新一波冲击。 有多少成绩,就要付出多少汗水。回顾26年的北斗研发与组网历程,有核心设备被卡脖子的无奈,有以4小时险胜频率之战的惊险,也有冲破封锁后一年发射18颗星的自豪。 北斗的历史,凝结着中国科技在封锁环境中仍努力自主创新的实践经验。在当下这个多事之秋,北斗26年来时路,对中国新一轮的科技自主创新是一个重要借鉴。

01
“双星定位”的北斗一号
导航系统的诞生,最早源于战争需求。 20世纪90年代初,美国等国家发动对伊拉克的海湾战争。

这场战争一反传统作战方式,美国祭出大量精确制导武器。结果,战争仅用40余天便结束,美军以146人阵亡、467人受伤的代价取得战争胜利。相比之下,战败的伊军伤亡人数达10万。 事后美国在对这场战争的总结报告中,将胜利归功于一项新技术——美国于1973年开始研发和建设的GPS。 正是借助GPS的定位、导航能力,精确制导武器可以极高的命中率直达目标,既避免伤及无辜,又大大提升作战效率。

从此,便流传出一句军事名言:谁能掌握卫星导航的优势,谁就掌握了战争主动权。 其实除了大家都能想到的定位、导航之外,卫星导航系统还具有精确授时、测速等功能,在关系国民经济生产安全的诸多领域都扮演着重要的角色。比如在人们已经习以为常的高铁中,导航系统在不依赖于地面设备的情况下能全天候为列车进行定位和测速,从而避免列车追尾;在电网中,电厂、变电站的电力自动化设备、安全自动保护设备、故障记录等智能设备需要同步运转,此时就用到导航卫星的授时功能;甚至人们天天使用的共享单车,也依靠定位系统实现电子围栏停车。

不仅如此,在无人驾驶、测绘、出海航行、灾害救援等众多领域,导航系统发挥着无可替代的作用。 而在战时状态,一旦导航系统不受自己控制,那么精准制导武器的精准性、飞行路径就无法保证。严重的情况下,武器甚至无法作战,形同废铁。

可以说,卫星导航系统就像国家和人类的第三只眼睛,观测着地球上发生的一切行为。 早在20世纪60年代,中国就开始研究利用卫星进行地面定位服务。但由于当时国力较弱等原因,这一计划并未实施。 1985年10月,“863”计划倡导者、中科院院士陈允芳在中国科学院和解放军原总参谋部测绘局联合召开的会议上提出了一个大胆的构想:用两颗地球静止轨道卫星,就可以覆盖中国区域,并对地面目标和海上移动物体进行定位导航,还能兼具通信功能。 这一构想,日后被称为“双星定位”理论。 1989年9月25日,在北京一处不足30平米的临时机房里,陈允芳首次用两颗卫星演示了“卫星定位系统”。次日,新华社发布消息:我国利用两颗卫星将快速定位、通信和定时一体化并获得理想的实验数据…… 陈允芳演示的,正是日后北斗一号系统的雏形。 这次实验,给了中国人极大的信心——中国有能力造出自己的导航系统。

但由于没有合适的时机,自建卫星导航系统的想法一直没被重视。海湾战争让一些有远见的科学家意识到卫星导航系统的重要性。而此后发生的“银河号”事件,则让中国人意识到自建卫星导航系统的必要性。

1993年7月23日,中国“银河号”货轮载着一些五金和制造原料运往中东。当货轮行驶到印度洋上,突然停止了——导航没有信号,船员不辨方向,无法继续前行。随行船员还以为是信号设备出了故障,结果怎么维修都无济于事。后来才得知,原来是美国怀疑中国向伊朗输送武器,故意停掉了该船所在海域的导航信号。

这一消息传回国内,让许多航天科学家和国防人员意识到自主导航的重要性。随后,中科院院士孙家栋找到时任国防科工委副主任的沈荣骏,称“发展卫星导航,刻不容缓,势在必行。” 结果两人不谋而合,联名向国家“上书”,建议启动中国北斗卫星导航系统。

1994年12月,北斗导航实验卫星系统工程获得国家批准。 而一旦想认真搞导航,中国马上看到了困境和差距:  彼时,美国已在GPS工程上投入了超过200亿美元,且每年维护费用高达5亿美元;但当时中国的经济基础仍十分薄弱,研发包括航天在内7大领域技术的“863”计划预算也才只有100亿人民币。

在早期研发导航系统的资金上,中美间的差距不止十倍。 有一个故事真实地反映这种窘状。当时北斗工程的办公室十分紧张,北斗系统副总设计师谭述森与4个人共处一个办公室,而这间办公室不足20平米,只能勉强容下几个人的办公桌。 好在,中国人有自己的智慧,穷有穷的办法。既然不能一口吃个胖子,那就分三口吃。 于是,我国将导航卫星的建设分为三步:第一步仅覆盖国内区域,第二步逐渐覆盖亚太区域,第三步再覆盖全球。
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这也是59颗北斗卫星分属北斗一号、北斗二号、北斗三号的由来——北斗一号为试验阶段,共发射了4颗实验卫星,覆盖国内区域;北斗二号有14颗组网卫星(实际上共发射了23颗),可实现亚太地区的覆盖;北斗三号则包含30颗组网卫星(实际发射32颗),可实现全球覆盖,精度可媲美GPS。
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当时的北斗项目,除了缺钱,更大的困难是缺技术、缺人才。 卫星导航系统是关系一国军事安全的“国之重器”,而当时的西方国家在几乎所有高科技领域都对中国实施严酷的技术封锁。比如,在大推力电动振动试验设备领域,20世纪80年代以前国外对中国禁运1吨以上推力的振动平台,90年代后改为禁运5吨以上推力的振动平台,后又改为禁运9吨以上的设备。

甚至1996年7月,包括美国、英国在内的33个西方国家又签署《瓦森纳协定》,对中国等国家实施军用、军民两用商品和技术的控制清单,包括电子器件、计算机、传感器、新材料等9大类高新技术被实施禁运。

在既缺钱又缺技术的情况下,北斗系统被逼出来了自己的“开创性”: 当时的北斗一号研发团队,陈允芳、孙家栋等人没有选择采用GPS的无源定位技术,而是基于有源定位技术(定位时,用户终端需通过导航卫星向地面控制中心发出一个申请定位的信号;无源定位则不需要),用两颗地球静止轨道卫星就可以对地面目标和海上移动物体进行定位导航,且能覆盖中国及周边区域。但北斗一号没有高度信息。 而要完成相似区域的覆盖,按照GPS和苏联的格洛纳斯(苏联解体后由俄罗斯”继承“)系统的原理,至少需要三颗卫星。

北斗一号的另一个特殊之处是,它还具备一般导航卫星没有的短报文通信功能。这意味着北斗卫星同时具备卫星的3个主要应用方向——“通导遥”(即通信、导航和遥感)中的两项。 这对当时的中国而言,可谓花小钱办大事,一石二鸟。

立项6年后的2000年,北斗一号的首批两颗地球静止轨道卫星成功发射,北斗一号实验系统正式建成并开始投入使用。 尽管北斗一号看上去简陋,但意义非凡,凭借这两颗卫星,中国成为继美国、俄罗斯之后世界上第三个拥有自主卫星导航系统的国家。 2003年,第三颗地球静止轨道卫星发射,北斗实验系统的性能进一步增强。

不过必须承认的是,虽然当时距北斗正式起步已过去9年,但北斗与GPS依然差距明显。 北斗一号的定位精度为20米,授时精度为单向100纳秒,短报文通信能力为120个汉字/次。相比之下,此时GPS不仅已覆盖全球,且民用定位精度和授时精度分别达到10米和10纳秒级别;军用定位甚至已经精确到1米。 而北斗一号只能提供模糊的定位、授时功能,而且无法测速。这样的北斗,不仅在商用领域没有优势(GPS可在全球免费使用),军用领域的价值也有限。 中国必须造出更精确的导航定位系统。

02
心碎“伽利略”
缺钱、缺技术之后,中国作为导航系统战场的后来者,还面临着第三个资源型的挑战——缺频率。  中国要真正在北斗一号的基础上提升卫星导航系统的精确性和扩大覆盖区域,就要发更多卫星。而卫星上天的前提,是拥有合法的频率轨位。 国际电信联盟(ITU)分配给卫星导航系统的频率资源是有限的,这是世界上想要发展自己的卫星导航系统的国家必争的宝贵资源。而取得合法的轨位,需要先向ITU申报,并与相关系统进行协调。

1994年,北斗一号启动的同时,中国也开始在ITU的框架下启动北斗导航卫星系统的频率申请工作。 此时,导航卫星的“黄金导航频段”L频段已经被先发的GPS、格洛纳斯系统占领,中国只能申请次优频率。 恰好,欧盟此时也在建设伽利略导航系统,同样需要申请频率。 到2000年,中欧前后脚向ITU提出了导航卫星系统的频段申请:中国在当年4月17日先行动,不到两个月后的6月5日,欧盟也向ITU提出了频率申请。

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原作者: 张咏
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