中国为什么必须有“北斗”

作者 | 南风窗主笔  荣智慧

6月23日9时43分，中国在西昌卫星发射中心用长征三号乙运载火箭，成功发射北斗系统第55颗导航卫星。至此，中国“北斗三号”全球卫星导航系统星座部署提前半年全面完成。

自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。

对北半球的国家来说，“北斗”意味着黑夜里识别方向最显眼的标志——大熊星座里七颗明亮的恒星，组成一把北天中心的“勺子”。中国的“北斗”卫星导航系统，也终将发挥这样的作用，无论是黑夜，还是白天，它们将成为中国人观察世界的“眼睛”。

北斗收官之星，直奔苍穹

三代历程

北斗卫星导航系统（简称北斗系统或BDS）是中国自主建设、独立运行的一个卫星导航系统，能为全球用户提供全天候、全天时、高精度的定位、导航和授时服务。

北斗系统（BDS）、美国全球定位系统（GPS）、俄罗斯全球导航卫星系统（GLONASS）和欧盟伽利略定位系统（Galileo），合称全球卫星导航系统四大核心供应商。

中国航天科技集团展出的北斗导航卫星系统模型

北斗系统迄今共有三代，其中第一代也被称为“北斗卫星导航试验系统”，第二代开始的北斗系统被正式称为“北斗卫星导航系统”。

北斗一号系统（第一代北斗系统）由三颗卫星提供区域定位服务。从2000年开始，该系统主要在中国境内提供导航服务。2012年12月，北斗一号的最后一颗卫星寿命到期，北斗卫星导航试验系统停止运作。

北斗二号系统（第二代北斗系统）是一个包含16颗卫星的全球卫星导航系统，分别为6颗静止轨道卫星、6颗倾斜地球同步轨道卫星、4颗中地球轨道卫星。2012年11月，第二代北斗系统开始在亚太地区为用户提供区域定位服务。

北斗三号系统（第三代北斗系统）由三种不同轨道的卫星组成，包括24颗地球中圆轨道卫星（覆盖全球），3颗倾斜地球同步轨道卫星（覆盖亚太大部分地区）和3颗地球静止轨道卫星（覆盖中国）。北斗三号于2018年提前开放了北斗系统的全球定位功能。2020年6月23日，北斗三号最后一颗全球组网卫星顺利进入预定轨道，发射任务取得圆满成功。

北斗三号系统已经覆盖“一带一路”国家，2020年完成建设提供全球定位服务，2035年将建成以北斗为核心的综合定位、导航、授时体系（Positioning, Navigation, and Timing-PNT）。

北斗导航系统示意图

保证安全

第一代北斗系统，是在“海湾战争”的“刺激”下诞生的。1991年，以美军为主的多国部队在GPS的带领下，迅速穿过被伊拉克军队视为禁地的沙漠地区，打了伊拉克一个措手不及。

最初，不少军事专家都预测打成一场双方僵持不下的“持久战”，然而，战争以美军42天的空袭加上100小时的地面作战收尾，伊拉克军队全面溃败。

美国军队加上GPS，就相当于开了“上帝视角”，海陆空力量的指挥控制、部队调动、物资保障、战场救援和精确制导武器发射，都如身使臂、如臂使指。

1991年，美军“威斯康星号”战舰向伊拉克目标发射“战斧”导弹

国防安全，首先要保证有一双“太空中的眼睛”。这是北斗系统的重要使命所在：哪怕花费巨大，也要自行研发。

苏联1976年开始组建格洛纳斯卫星导航系统，1995年时建成由24颗卫星组成的卫星星座，第一次实现卫星信号的全球覆盖。2002年，欧盟批准建设伽利略卫星导航系统。后续的维护费用动辄数十亿欧元。

2008年12月25日，俄罗斯拜科努尔发射场，Proton-M型火箭搭载一颗格洛纳斯卫星发射

美国的GPS就是一个以军用为主的卫星导航系统，所有权、控制权、运营权都属于美国国防部。其他国家的民用用户不可避免地担心，美国军方可以随时剥夺其他人使用卫星的权利。

而且GPS通常精度不够。GPS包含军码和民码两种信号，二者精密级别不同，前者是毫米级别，后者是分米级别。美国军方就曾对GPS发布的民用信号进行干扰，降低民用信号提供精度，保护信息安全。

无论如何，“放卫星”这条路都要自己走。

除此之外，导航卫星发射上天的前提是，国家必须要申请合法的轨道位置和频率资源——这才是稀有资源，而且美国的GPS和俄罗斯的格洛纳斯卫星导航系统“先到先得”，占去了80%的“黄金导航频段”。

直到2000年，中国才在国际电联组织争取到了暂时的轨道位置和频率资源。更紧张的是，《无线电规则》对卫星频率和轨道做的充分解释和分配方式中有一条规定：申请者在7年内必须使用该频率，否则收回。

2007年4月14日，首颗北斗二号卫星成功发射，4月17日传回了信号——距离国际电联规定的失效期限仅剩不到4个小时。

民用趋势

很多人都在开车时，听到导航软件说“GPS信号弱”，这就是卫星导航最常见的用处之一。如果没有卫星导航，汽车业很难“火爆”，旅游业也将少了“自驾游”这一重要份额，“路痴”在大城市生活的难度也大大提高。

在电网系统，想要实现全电网的时间源统一、时间源相互备份，建立集中统一的电力系统时间同步系统，是很重要的事情。

推进电力自动化，故障测距装置、同步相量测量装置、雷电定位系统、电子式互感器的合并单元等对时间同步精度要求在1微秒内，没有卫星导航系统的“授时性”，就没法保证时间的精确和一致，电网安全也得不到保障。

时间的精确这么重要吗？

确实。因为导航的核心是时间测量。在由导航卫星搭建的星地坐标系中，每个星座都有自己的坐标信息，通过测量我们与星座间的距离，就能解算出我们在该坐标系的位置。在信号传播速度（光速）已知的前提下，时间测量越精密，位置解算就越精确。

在卫星导航系统中，1纳秒（十亿分之一秒）的时间误差将导致0.3米的距离误差。要实现如此精密的时间测量，只有原子钟能做到。原子钟的计时表现为一种电磁波形式，通常听不见，只有通过微波信号处理技术才能输出。更重要的是，原子钟是导航卫星的心脏，如果原子钟有1秒误差，就意味着卫星定位会偏离30万公里。

中国自主研发的空间主动型氢原子钟

北斗三号卫星上配置的新一代国产原子钟，精度比北斗二号上的原子钟高出一个数量级，据称300万年只有1秒的误差。就是说，从南方古猿开始到2020年的今天，原子钟的误差也只有1秒。

汶川地震救灾时，北斗一代设备发出了来自震区的第一条消息。中国渤海、黄海、东海、南海等海域的数万条渔船都已经装上了北斗终端。中国的各个超级工程，比如港珠澳大桥，都是靠卫星定位建设，展现“中国速度”。世界主流手机芯片大都支持北斗系统；共享单车配装北斗系统实现定位管理；支持北斗系统的手表、手环、交通卡早已成了生活中的必需品。

据《人民日报海外版》报道，中国2020年卫星导航产业规模预计超过4000亿元，北斗将拉动3000亿元以上规模的市场份额。

据统计，国产北斗导航型芯片模块累计销量已突破8000万片，高精度板卡和天线销量已占据国内30%和90%的市场份额，并输出到100余个国家和地区。北斗系统现已广泛应用于交通运输、公共安全、农林渔业、水文监测、气象预报、通信时统、电力调度、救灾减灾等领域，融入国家核心基础设施，已产生显著的经济效益和社会效益。

夏季正是夜观银河的好时候。当你抬头看见“北斗七星”时，记得天空上还有“北斗”在默默守望。

    编辑 | 何焰

排版 | 凑凑

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