北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)現(xiàn)狀與發(fā)展前景

“古有北斗七星辨方向，今有北斗衛(wèi)星測(cè)全球”。廣義上的“北斗”是指“北斗七星”，即天樞星、天璇星、天璣星、天權(quán)星、玉衡星、開陽星和瑤光星。本文的“北斗”是指由中國科研團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（以下簡稱“北斗系統(tǒng)”）。隨著科技不斷發(fā)展，我國越來越重視全球?qū)Ш郊夹g(shù)研發(fā)，“北斗”從最初的一個(gè)雛形，到現(xiàn)在已經(jīng)成為較成熟的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，可為全球用戶提供精確定位、導(dǎo)航、授時(shí)服務(wù)，是我國重要的空間基礎(chǔ)設(shè)施。北斗系統(tǒng)迅速發(fā)展，如今已廣泛運(yùn)用到日常生活、交通運(yùn)輸、防災(zāi)減災(zāi)等各行各業(yè)。隨著互聯(lián)網(wǎng)、5G信息技術(shù)、大數(shù)據(jù)和云計(jì)算等技術(shù)的發(fā)展融合，北斗系統(tǒng)將會(huì)逐步應(yīng)用和服務(wù)于國民經(jīng)濟(jì)以及社會(huì)發(fā)展等各個(gè)領(lǐng)域，北斗系統(tǒng)前景可期。北斗系統(tǒng)已是一個(gè)成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，但當(dāng)代青年對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的相關(guān)知識(shí)知之甚少。本研究在綜述當(dāng)前國際成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀和當(dāng)前應(yīng)用情況的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)介紹了北斗“三步走”、導(dǎo)航系統(tǒng)構(gòu)成以及全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)；詳細(xì)描述了北斗的發(fā)展歷史及其研究、發(fā)展應(yīng)用；最后，對(duì)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展前景進(jìn)行了分析和探討，并在科普宣教等方面進(jìn)行了展望。

1、全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

目前全球共有4種全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，分別為美國的GPS、俄羅斯的GLONASS、歐盟的Galileo和中國的BDS。1957年10月，前蘇聯(lián)成功發(fā)射了世界上第一顆人造衛(wèi)星給了美國很大啟發(fā)；經(jīng)過20a的研究建設(shè)，美國完成了全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的研制工作。冷戰(zhàn)期間，前蘇聯(lián)緊追不舍，也提出了建設(shè)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)想。1982年10月，前蘇聯(lián)成功發(fā)射了第一顆GLONASS衛(wèi)星。1970年，我國發(fā)射了第一顆人造地球衛(wèi)星東方紅一號(hào)；此后，我國科學(xué)家陸續(xù)研究、開發(fā)自己的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，但由于我國經(jīng)濟(jì)、技術(shù)等條件的局限性，難以發(fā)展類似美國和前蘇聯(lián)的全球定位系統(tǒng)。1990年海灣戰(zhàn)爭(zhēng)爆發(fā)，美國軍隊(duì)利用GPS系統(tǒng)進(jìn)行軍事作戰(zhàn)，這讓我國意識(shí)到衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的重要價(jià)值。隨后，我國科學(xué)家又提出并開展了大量關(guān)于衛(wèi)星理論和技術(shù)上的研究工作，1994年正式啟動(dòng)中國北斗一號(hào)系統(tǒng)的建設(shè)工作。2000年4月，國際電聯(lián)正式批準(zhǔn)中國申報(bào)頻率資源和軌道位置；緊接著在2000年10月和12月我國發(fā)射了2顆地球靜止軌道衛(wèi)星（實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星）；2004年8月中國正式啟動(dòng)北斗二號(hào)系統(tǒng)工程。經(jīng)過26a的研究和磨煉以及無數(shù)次的實(shí)驗(yàn)，截至2020年7月29日，我國已經(jīng)成功發(fā)射了55顆衛(wèi)星；至2020年7月31日，中國向全世界鄭重宣告北斗三號(hào)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正式開通。

2、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

北斗系統(tǒng)是基于國家安全和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展而自主建設(shè)運(yùn)行和面向全球的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，為全球用戶提供導(dǎo)航、精確定位以及授時(shí)服務(wù)，是我國重要的空間基礎(chǔ)設(shè)施。北斗系統(tǒng)運(yùn)行與發(fā)展以應(yīng)用推廣和產(chǎn)業(yè)發(fā)展為根本目標(biāo)、以開放性和自主性為發(fā)展原則，為全球用戶提供先進(jìn)的技術(shù)服務(wù)。北斗系統(tǒng)由3個(gè)部分組成分別為地面段、空間段和用戶段。地面段主要為負(fù)責(zé)接收北斗信號(hào)的控制端，由主控站、時(shí)間同步／注入站、監(jiān)測(cè)站等組成；空間段由若干個(gè)混合衛(wèi)星導(dǎo)航星座組成，如地球靜止軌道衛(wèi)星、傾斜地球同步軌道衛(wèi)星和中圓地球軌道衛(wèi)星；用戶段主要為用戶提供服務(wù)，由應(yīng)用軟件與用戶服務(wù)系統(tǒng)構(gòu)成，還包括芯片、天線等基礎(chǔ)設(shè)備。

中科院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院導(dǎo)航所副所長沈苑在一次科普講座中重點(diǎn)闡述了北斗系統(tǒng)長達(dá)26a的研發(fā)歷程，即北斗系統(tǒng)“三步走”（北斗一號(hào)、北斗二號(hào)和北斗三號(hào)）。從1994年提出北斗建設(shè)工程開始，北斗一號(hào)在中國經(jīng)濟(jì)、技術(shù)匱乏的艱苦條件下進(jìn)行研發(fā)。北斗導(dǎo)航衛(wèi)星研制團(tuán)隊(duì)攻堅(jiān)克難，突破重重關(guān)鍵技術(shù)，2000年開啟了“三步走”的第一步（即北斗一號(hào)）、2004年開啟了第二步（即北斗二號(hào)）、2009年真正意義上的北斗系統(tǒng)建成，開啟了北斗系統(tǒng)的第三步（即北斗三號(hào)）。

2.1發(fā)展歷程

2.1.1北斗一號(hào)

北斗一號(hào)在國家經(jīng)濟(jì)技術(shù)缺乏的艱苦條件下建設(shè)。2002年歐盟開始自主研發(fā)導(dǎo)航系統(tǒng)，啟動(dòng)了伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航計(jì)劃；歐盟抓住了我國缺技術(shù)的弱點(diǎn)，向我國拋出了“橄欖枝”，我國為此不惜代價(jià)，投入巨資，但卻未得到收獲，由此開始將研發(fā)力量轉(zhuǎn)移到自主研發(fā)上。北斗一號(hào)研發(fā)采用有源定位，用戶端向衛(wèi)星發(fā)射信號(hào)，由衛(wèi)星發(fā)射到地面段，地面段進(jìn)行解算等技術(shù)服務(wù)，再發(fā)射到衛(wèi)星由衛(wèi)星傳達(dá)到用戶，為用戶提供定位、授時(shí)、通信等服務(wù)。到2000年10月和12月，北斗一號(hào)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)射了2顆地球靜止軌道衛(wèi)星，在國內(nèi)投入使用，使我國走近了世界舞臺(tái)，開始與歐盟從合作走向了競(jìng)爭(zhēng)。北斗一號(hào)系統(tǒng)在技術(shù)上創(chuàng)造性地提出雙星定位模式，這項(xiàng)新的突破是區(qū)別于其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的標(biāo)志，成為國際上首個(gè)提出基于雙星定位技術(shù)研發(fā)的有源衛(wèi)星定位系統(tǒng)。但北斗一號(hào)設(shè)置壽命僅8a，在衛(wèi)星壽命到期后，將自動(dòng)停止工作。

2.1.2北斗二號(hào)

2004年8月，北斗導(dǎo)航衛(wèi)星研制團(tuán)隊(duì)正式啟動(dòng)北斗二號(hào)衛(wèi)星系統(tǒng)研發(fā)建設(shè)。經(jīng)過團(tuán)隊(duì)不懈努力后，2007年我國成功研制出國產(chǎn)的原子鐘，肩負(fù)搶占頻段使命的衛(wèi)星，發(fā)射了第4顆“北斗”一號(hào)導(dǎo)航衛(wèi)星，激活了沉寂的“北斗”，實(shí)現(xiàn)了彎道超車。2007年底，我國在技術(shù)上有了重大的突破，成功發(fā)射了第一顆“中軌道”導(dǎo)航系統(tǒng)衛(wèi)星，但是北斗一號(hào)的精度只能覆蓋亞洲地區(qū)實(shí)現(xiàn)區(qū)域定位。經(jīng)過8a的艱苦研發(fā)，20l2年l2月我國成功發(fā)射了14顆衛(wèi)星，并在北斗一號(hào)系統(tǒng)有源定位體制技術(shù)的基礎(chǔ)上，增加了無源定位體制技術(shù)，使北斗二號(hào)兼容2種體制。無源定位體制技術(shù)由用戶向衛(wèi)星發(fā)射信號(hào)，在用戶端即可完成解算定位等服務(wù)，相比有源定位體制技術(shù)雖然定位速度較慢，但定位精度高，并采取廣播式服務(wù)，保留了位置報(bào)告和短報(bào)文通信服務(wù)，與北斗一號(hào)相比，北斗二號(hào)定位精度有了大幅度提升。

2.1.3北斗三號(hào)

北斗三號(hào)是真正意義上的全球定位系統(tǒng)。2009年，我國正式啟動(dòng)北斗三號(hào)研發(fā)工程，研發(fā)工作突飛猛進(jìn)。至2020年6月23日，成功發(fā)射了55顆導(dǎo)航衛(wèi)星。北斗三號(hào)搭載了多顆特色衛(wèi)星，配備了高精度的氫原子鐘和銣原子鐘，在定位、導(dǎo)航和通信等功能上取得了卓越成果，技術(shù)上有了新的飛躍。在北斗三號(hào)區(qū)域擴(kuò)展中，為了讓地面站更高效地進(jìn)行信息接收，攻克去海外建站的難關(guān)，北斗導(dǎo)航衛(wèi)星研制團(tuán)隊(duì)在發(fā)射的衛(wèi)星上實(shí)現(xiàn)了星間鏈路，使在太空衛(wèi)星之間也能夠交流，在國際技術(shù)上又是一項(xiàng)新的進(jìn)步，打破了國外的技術(shù)壟斷和封鎖。與北斗一號(hào)、北斗二號(hào)相比，北斗三號(hào)發(fā)射的衛(wèi)星數(shù)量更多、技術(shù)更先進(jìn)、服務(wù)區(qū)域更廣泛（逐漸面向全球），同時(shí)北斗系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了與其他系統(tǒng)(GPS、GLONASS和Galileo)的兼容。單顆衛(wèi)星壽命也延長至10—12a。此外，北斗三號(hào)的定位精度也從區(qū)域系統(tǒng)的10m提升到2.5～5.0m。

2.2北斗衛(wèi)星科學(xué)研究現(xiàn)狀

衛(wèi)星的心臟就是原子鐘，北斗三號(hào)配備了更高精度的氫原子鐘和銣原子鐘。星載原子鐘的設(shè)計(jì)特點(diǎn)是以北斗二號(hào)系統(tǒng)星載原子鐘為技術(shù)基線，設(shè)計(jì)目標(biāo)是提高原子信號(hào)信噪比、降低微波相位噪聲、減小物理環(huán)境效應(yīng)，使銣原子鐘的短期和長期穩(wěn)定度指標(biāo)得到全面改善。近40a以來，銣原子鐘的頻率穩(wěn)定度改善了近2個(gè)數(shù)量級(jí)，這種發(fā)展速度超過了預(yù)期，也引發(fā)了人們探索銣原子鐘穩(wěn)定度極限的興趣。梅剛?cè)A等認(rèn)為銣原子鐘頻率穩(wěn)定度還可以繼續(xù)得到提升。

3、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用發(fā)展對(duì)比

3.1歷史發(fā)展

北斗一號(hào)導(dǎo)航系統(tǒng)研究正式開始是依照美國工程師1982年提出的“雙星主動(dòng)式衛(wèi)星定位系統(tǒng)”原理而實(shí)施的，研究發(fā)現(xiàn)該技術(shù)十分落后，美國和歐洲都沒有應(yīng)用此技術(shù)開發(fā)GPS系統(tǒng)。因?yàn)榧夹g(shù)的落后，應(yīng)用價(jià)值很低。“北斗一號(hào)”與GPS的技術(shù)差異主要體現(xiàn)在2個(gè)方面：①信息接收方面，“北斗一號(hào)”采用有源定位，用戶端需兼具發(fā)射和接收功能，降低了定位速度和授時(shí)服務(wù)，而GPS用戶端僅需實(shí)現(xiàn)接收功能；②解算技術(shù)方面，“北斗一號(hào)”解算技術(shù)只能在地面段控制，而GPS本身就具備解算能力。首先，原理的不同導(dǎo)致了應(yīng)用上的明顯差別；其次，當(dāng)時(shí)我國經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)薄弱，研發(fā)資金少，難以有效支撐高新技術(shù)的研發(fā)工作。由于“北斗一號(hào)”的定位短報(bào)文通信功能受通信限制，同時(shí)服務(wù)的終端數(shù)有限，國家不能大批量生產(chǎn)，無法大規(guī)模應(yīng)用。因此，北斗一號(hào)技術(shù)相對(duì)落后，應(yīng)用效果不是非常理想。

3.2近代發(fā)展

近代科研人員研究北斗三號(hào)以來，北斗系統(tǒng)便在國際舞臺(tái)上有了長足發(fā)展。北斗系統(tǒng)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在以下3個(gè)方面：①穩(wěn)定性能好，接收信號(hào)強(qiáng)，在特殊地勢(shì)環(huán)境下有一定優(yōu)勢(shì)；②雙向通信能力優(yōu)勢(shì)顯著，可靈活應(yīng)用于多種場(chǎng)景，應(yīng)用前景可觀；③授時(shí)、定位技術(shù)先進(jìn)，采用功效低的銣原子鐘和穩(wěn)定性高的國產(chǎn)氫原子鐘，具有較大的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。北斗三號(hào)衛(wèi)星系統(tǒng)的全面建設(shè)和技術(shù)開發(fā)，其應(yīng)用彰顯出眾多成就。在2019年底的疫情防控期間，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)快速響應(yīng)國家號(hào)召、加入防控疫情的工作中，智能監(jiān)測(cè)把控抗疫主陣地，精準(zhǔn)引導(dǎo)全程護(hù)航物資投送，巡防結(jié)合阻斷疫情傳播，堅(jiān)定不移地履行著“北斗”服務(wù)人民的忠實(shí)承諾，為打贏疫情防控阻擊戰(zhàn)提供了強(qiáng)力的技術(shù)支撐。武漢火神山、雷神山醫(yī)院建設(shè)期間，運(yùn)用了北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的北斗實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量RTK技術(shù)，精確獲得了地理信息數(shù)據(jù)，為2座醫(yī)院施工縮短了時(shí)間。

4、發(fā)展前景

(1)互聯(lián)網(wǎng)5G信息技術(shù)的融合。隨著移動(dòng)5G網(wǎng)絡(luò)的不斷擴(kuò)大，5G技術(shù)應(yīng)用非常廣泛，物聯(lián)網(wǎng)5G信息技術(shù)是最重要的無線數(shù)據(jù)通信技術(shù)。北斗導(dǎo)航信息系統(tǒng)的開發(fā)將會(huì)和互聯(lián)網(wǎng)5G信息技術(shù)相融合，結(jié)合北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的短報(bào)文功能，有助于在更多的電子科技領(lǐng)域應(yīng)用和開發(fā)北斗系統(tǒng)更豐富的功能，展開新的全球服務(wù)?，F(xiàn)階段，北斗產(chǎn)業(yè)鏈已經(jīng)全部打通，中國芯片、主板等技術(shù)產(chǎn)業(yè)已經(jīng)可以進(jìn)行大批量生產(chǎn)，生產(chǎn)水平已接近或達(dá)到國際一流，依靠科技人員和企業(yè)的積極性把價(jià)格降低，5G通信技術(shù)再結(jié)合北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中的短報(bào)文功能和北斗系統(tǒng)的定位功能，進(jìn)而發(fā)展到手機(jī)用戶端，短報(bào)文功能可直接利用衛(wèi)星系統(tǒng)進(jìn)行定位。在新發(fā)明的電子設(shè)備（如手機(jī)、車載導(dǎo)航等）上安裝北斗系統(tǒng)，使北斗系統(tǒng)可以和CPS兼容，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)手機(jī)、車載導(dǎo)航等也可以運(yùn)用北斗系統(tǒng)進(jìn)行精確導(dǎo)航。北斗系統(tǒng)與互聯(lián)網(wǎng)5G信息技術(shù)的融合將會(huì)為用戶提供更加豐富的信息化服務(wù)和更加精確的定位服務(wù)。

(2)交通運(yùn)輸。隨著我國經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速增長和國民生活質(zhì)量的提高，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在交通運(yùn)輸業(yè)中蓬勃發(fā)展；隨著北斗定位技術(shù)的快速發(fā)展，現(xiàn)在越來越多的車輛管理機(jī)構(gòu)、公司等都已經(jīng)將導(dǎo)航技術(shù)應(yīng)用在車輛上，結(jié)合后臺(tái)系統(tǒng)中的地圖，對(duì)車輛進(jìn)行跟蹤和監(jiān)督，極大地提高了車輛的管理效率。導(dǎo)航技術(shù)的研究開發(fā)，將會(huì)讓更多的車輛實(shí)現(xiàn)無人駕駛；在物流運(yùn)輸方面，也可讓無人送貨到家方式得以普及。我們可以大膽想象，先進(jìn)的北斗導(dǎo)航系統(tǒng)搭載在每一輛車上，晝夜車水馬龍依舊可以有條不紊地工作。開發(fā)新的用戶端應(yīng)用，做到可以監(jiān)測(cè)車輛行駛狀態(tài)，駕駛員和乘客的親人或者緊急聯(lián)系人能夠及時(shí)收到乘客的乘車信息，其中包括上車時(shí)間、上車地點(diǎn)、車牌號(hào)、車輛負(fù)責(zé)人信息、下車時(shí)間、下車地點(diǎn)等，可有效保障乘客的人身安全。采用高精度的定位等技術(shù)，可以做到無人駕駛、高效率的監(jiān)管車輛行駛狀態(tài)，為我國交通運(yùn)輸行業(yè)提供更多的便利，所以北斗系統(tǒng)今后在交通運(yùn)輸業(yè)的應(yīng)用會(huì)越來越廣泛。

(3)測(cè)繪技術(shù)的應(yīng)用。地理測(cè)繪工作是國家地理信息建設(shè)的重點(diǎn)工作。借助北斗系統(tǒng)的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，我國地理測(cè)繪工作可結(jié)合北斗系統(tǒng)產(chǎn)生多角度的綜合應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)我國地理測(cè)繪工作的升級(jí)和創(chuàng)新。北斗系統(tǒng)具有更廣的覆蓋范圍、更高的精度、獨(dú)有的衛(wèi)星導(dǎo)航通信功能及更安全可靠的系統(tǒng)性能：無人機(jī)測(cè)量是地理測(cè)繪中很重要的測(cè)繪工程，新發(fā)明的無人機(jī)上可借助北斗系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)（如讓更加精準(zhǔn)的參考點(diǎn)和參考體系安裝在無人機(jī)中），從而測(cè)量出更加精確的數(shù)據(jù)。隨著北斗系統(tǒng)應(yīng)用越來越廣泛，北斗系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)可以在測(cè)繪技術(shù)的內(nèi)業(yè)學(xué)習(xí)軟件中加以利用。用更加先進(jìn)的技術(shù)應(yīng)用到測(cè)量儀器中，當(dāng)前的測(cè)量工作以人工測(cè)量方式為主，北斗系統(tǒng)具有自主完成測(cè)量的發(fā)展前景，不會(huì)因氣候環(huán)境等各種自然因素的變化而受到影響。因此，借助北斗系統(tǒng)，我國測(cè)繪領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展勢(shì)必會(huì)取得進(jìn)一步的突破。

(4)青少年北斗系統(tǒng)的科普課件開發(fā)。對(duì)北斗系統(tǒng)開展積極的科普和宣傳工作，將會(huì)豐富青少年對(duì)北斗系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)。研發(fā)針對(duì)北斗系統(tǒng)的多媒體科普宣傳課件、視頻以及組織開展公共課活動(dòng)，可為北斗系統(tǒng)的科普宣傳工作開展提供新途徑，讓大眾從GPS衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)占領(lǐng)全球大部分用戶端的思想中轉(zhuǎn)變，認(rèn)識(shí)到北斗系統(tǒng)同樣是非常強(qiáng)大應(yīng)用系統(tǒng)。北斗系統(tǒng)科普課件的開發(fā)將會(huì)提供一個(gè)專業(yè)的系統(tǒng)科普平臺(tái)，助力傳播更多關(guān)于北斗系統(tǒng)的科學(xué)知識(shí)。

(5)國防和應(yīng)急救援。北斗系統(tǒng)將會(huì)對(duì)維護(hù)國家安全起重大作用，其可以服務(wù)于更為高效的作戰(zhàn)指揮，并且有助于創(chuàng)造更先進(jìn)的技術(shù)（如反衛(wèi)星武器）對(duì)北斗系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)，依靠精準(zhǔn)的導(dǎo)航系統(tǒng)和精確定位技術(shù)還可以開發(fā)更多的軍事武器，維護(hù)國家安全。運(yùn)用精確定位技術(shù)，還可以及時(shí)反映、上報(bào)和共享受災(zāi)情況，衛(wèi)星地面段可以及時(shí)開展指揮和調(diào)度，實(shí)現(xiàn)應(yīng)急通信，可顯著提高救災(zāi)減災(zāi)的決策部署能力及應(yīng)急反應(yīng)能力。

(6)促進(jìn)國際交流。當(dāng)前，我國已經(jīng)攻克了重重困難，成功打破了國際上的技術(shù)壟斷，北斗系統(tǒng)已經(jīng)布滿全球，不少國家已正式啟用北斗系統(tǒng)，以后越來越多的國家也會(huì)積極參與關(guān)于北斗系統(tǒng)的學(xué)習(xí)交流中。隨著北斗導(dǎo)航技術(shù)不斷進(jìn)步，今后將會(huì)讓越來越多的國家受益。