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中国北斗卫星导航系统前世今生

目前全球卫星导航系统仅有4名成员,分别是美国的全球定位系统(GPS)、俄罗斯的格洛纳斯(Glonass),欧洲的伽利略系统(Galileo),以及中国的北斗。不过由于“格洛纳斯”和“伽利略”都存在卫星老化和星载系统失灵的问题,目前实现全球覆盖且提供稳定服务的只有美国的GPS与中国的北斗。

上世纪五十年代,苏联率先将第一颗人造卫星“斯普特尼克1号”送入太空,开启了人类的太空时代,美国约翰霍普金斯大学应用物理实验室两位物理学家却通过对这颗苏联卫星轨道数据的研究提出了卫星定位系统最初的构想,打开了卫星导航时代的大门。

1964年,美国率先建成世界第一个卫星导航系统——由6颗卫星构成的“子午卫星系统”,1980年代美国又率先开建了世界第一个全球卫星导航系统——由24颗卫星构成的GPS系统。

中国从1980年代开始探索适合国情的卫星导航系统发展道路。而彼时美国的GPS全球定位系统已是星座构成最完善、定位精度最稳定、应用最广泛并呈现市场垄断的卫星导航系统,关键还有一点,对全球免费开放。于改革开放不久的中国而言,国力委实有限,卫星导航研究人才短缺,关键技术、设备短缺,经费更是捉襟见肘,有必要耗费那么大的精力,去自主研发一个定位系统吗?

历史往往是最好的教科书。1990年的海湾战争美军配备GPS系统的精确制导武器的战场表现,给中国留下了深刻印象,开始意识到卫星导航系统的价值。

随后,1993年发生的“某河号事件”,无疑又一次刺激了中国,再次展示了卫星导航系统的重要性。1993年7月至9月间,美国以怀疑中国货轮向伊朗运送化学武器原料为由,在印度洋公海上拦截货轮,要求登船检查。为此,美国甚至局部关闭了货轮所在海区的GPS信号,致使货轮无法确定位置及航向,不得不在印度洋上停了下来,被美国军舰截停长达三周,最终不得不在沙特海军基地接受美国登船检查。事后,美国不仅拒绝赔偿损失也拒绝道歉,极其傲慢地将“锅”甩给了情报错误。

定位服务全方位渗透,美国一旦对中国关闭GPS服务便会在中国造成极大的混乱,在军事领域而言更将会是致命性的。经过海湾战争、“某河号事件”的刺激,1994年在总参测绘局招待所三楼的一间20平米的办公室里,中国开始正式启动北斗卫星导航系统建设。

按照中国北斗卫星导航系统“三步走”发展规划,1994年启动的北斗卫星导航系统建设属于第一代,即“北斗卫星导航试验系统”。通过“双星定位技术”构建区域性卫星导航系统,实现中国及周边地区范围内的定位服务,为正式的、全球性的北斗卫星导航系统探路。

2000年10月和12月,中国在西昌卫星发射中心成功将两颗北斗导航试验卫星即“北斗一号卫星”发射入轨,2003年又发射了一颗备份卫星,从而完成了“北斗卫星导航试验系统”建设,成为继美国、俄罗斯后第三个拥有自主卫星导航系统的国家。

北斗卫星导航试验系统定位精度达到20米,与美国GPS民用版相当;北斗系统的响应时间仅1秒,优于GPS系统;北斗独有的“短报文”功能在2008年汶川大地震中曾发挥巨大作用,在地震中心汶川县城与外界通信断绝时,是军队的北斗终端将一线灾情第一时间发送到了后方。当然,作为实验系统北斗一号缺点也很多,比如覆盖范围有限、有源定位在军事上容易暴露位置、地面主控限制了用户容量等等,但北斗一号作为实验系统无疑是成功。

就在中国北斗卫星导航试验系统建设的同时,欧盟各国为了减少对美国GPS的依赖,也计划建设自己的卫星导航系统。1999年,欧盟首次公布了伽利略卫星导航系统计划,将发射30颗卫星构建一个不同于美国GPS、俄罗斯格洛纳斯(GLONLAS)的民用全球定位系统。2003年5月,欧盟和欧洲空间局正式启动伽利略卫星导航系统建设。

为了分担伽利略计划建设成本,欧盟向中国伸出了橄榄枝,邀请中国加入伽利略卫星导航系统建设。出于“两条腿走路”方针,2004年中国与欧盟正式签署协议加入伽利略计划,成为该计划第一个非欧盟成员国。根据协议,中国将拥有伽利略系统的部分所有权和全部使用权,并承诺为伽利略计划出资2.3亿欧元约合人民币23.4亿,据英国BBC报道这大约是伽利略系统预期成本11亿欧元的五分之一。

然而,随着2005年欧洲政治转向,欧盟对华政策反转,中国在伽利略计划中日益受到排挤。中国作为主要投资者之一,不仅在技术上被封锁,还被排除在伽利略计划决策机构之外,事实上沦为财务投资者。

幸亏中国在2004年加入欧洲伽利略计划的同时,也没有放弃自研的北斗卫星导航系统,于当年启动了“三步走”计划的第二步——到2012年发射16颗卫星,建成覆盖亚太地区的北斗卫星导航系统,也即第二代北斗卫星导航系统“北斗二号”。

在受到西方战略打压的当下,中国决定不再受制于人。

从北斗二号开始,北斗卫星导航系统开始由第一代的军用系统向GPS一样的军民两用系统发展。从2007年4月北斗二号第1颗卫星发射,到2012年12月第16颗卫星入轨,短短五年时间中国建成了覆盖亚太大部分地区的第二代北斗卫星导航系统,攻克了以导航卫星总体技术、高精度星载原子钟等为代表的多项关键技术。

2006年宣布发展自主卫星导航系统,将北斗导航计划全力激活。2009年,中国发射3颗“北斗”二代卫星,合法抢占了优势使用频率。也就是在这一年,“北斗三号”项目揭幕。

所谓第三代北斗卫星导航系统即“北斗三号”,从覆盖亚太地区的区域卫星导航系统进入全球组网时代,建立由30颗卫星组成的全球卫星导航系统。按原定计划,中国将在2014年发射第一颗实验卫星,2020年前完成组网,但因故2015年才发射第1颗实验卫星,2017年底才发射北斗三号第1颗导航卫星开始全球组网。

凭借技术上的厚积薄发,从2018年开始中国第三代北斗导航系统建设全面提速,仅2018年一年之内就发射了18颗北斗导航卫星,其中前16颗都采用了一箭双星方式发射。2019年,中国又发射了9颗北斗导航卫星,距离完成全球组网仅剩两颗。2020年3月,倒数第二颗北斗导航卫星成功入轨;6月23日,最后一颗北斗导航卫星在因突发技术问题推迟7天后成功发射,进入在轨测试阶段。北斗卫星导航系统全球组网开始读秒。

至此,从1994年北斗一号系统工程立项至今,中国用26年的时间实现了59颗北斗卫星(包括55颗北斗导航卫星和4颗北斗导航试验卫星)的发射。

北斗系统提供给全球的定位精度有所区分,对于免费公开的普通定位,亚太地区精度约有268厘米,全球其他地区精度约有360厘米,而需要授权的加密服务的精度仅有10厘米,明显比误差约有30厘米的美国GPS更精确。

与另外三个全球卫星定位系统不同,北斗是唯一采用三种轨道搭配的星座。卫星定位将可以接收至少四颗卫星信号。北斗也是全球第一个提供三频信号服务的卫星导航系统,这是北斗的后发优势。这也意味着,北斗系统拥有更高的军用价值。在其导航控制之下,由从军舰、潜艇、战机等军事单位投射的制导炸弹,将能更准确地命中目标;作战人员也能提供更精确的攻击目标,作战失利后也更容易获得搜救;海底潜艇能够更安全地避开沟壑岩礁,更隐蔽、更迅速、更高效地实现作战任务;指挥机构则能够依据战争现场的精确信息提供更合理的作战命令,提高战争胜率。

英国《简氏防务周刊》评论称,“北斗”卫星导航系统更加安全可靠,将使中国军队的精确打击能力迅速提升数十倍。


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