【前沿评论】大国重器：中国为什么一定要搞“北斗”
本文由知识分子公众号（The-Intellectual）授权转载
撰文 | 黄庆桥（上海交通大学科学史与科学文化研究院）
责编 | 徐可
编者按：
距2004年正式立项以来，中国的北斗卫星导航系统已经经历了12年年头。6月12日，中国在西昌卫星发射中心成功发射了第二十三颗北斗导航卫星。昨天，中国政府发表《中国北斗卫星导航系统》白皮书。从北斗一代的双星系统至今，中国的北斗系统走过了怎样的发展历程，又承载了哪些中国的高技术发展之梦呢？
►6月12日，我国成功发射第二十三颗北斗导航卫星。来源：中国军网
● ● ●
国务院新闻办公室16日发表《中国北斗卫星导航系统》白皮书。这是是中国政府在卫星导航领域发表的第一部白皮书。中国自主开发的北斗系统，也是中国的GPS系统，这是一项旨在为全球用户提供全天候、全天时、高精度的定位、导航和授时服务的国家重要空间基础设施，已于2012年年底面向亚太地区提供服务，是世界上第三个正式运行服务的卫星导航系统。
在新闻发布会上，中国卫星导航系统管理办公室主任、北斗系统新闻发言人冉承其对外介绍了北斗系统最新发展的情况。
据悉，我国已在国产北斗芯片、模块、天线等关键技术方面取得全面突破，已掌握卫星导航芯片核心技术自主知识产权，北斗芯片跨入40纳米新时代。在产业发展上，我国已形成包括基础产品、应用终端、运行服务等较为完整的北斗产业体系，正在从行业应用拓展到大众应用。与此同时，国家相关部门正稳步推进北斗系统走出去战略，积极与其他全球卫星导航系统、相关国际组织，特别是“一带一路”沿线国家和地区开展实质合作，积极促进北斗系统服务全球、造福人类。我们有理由相信，“众星拱北斗”不仅是人间天象，也必将是大国崛起之象征。
“北斗”与人们所熟知的GPS一样，都是卫星定位导航系统，其原理是利用人造卫星来实现地球表面物体的精确定位。GPS由美国主导并在全世界应用了20多年。中国主导的北斗于2004年正式立项，按照“三步走”的发展战略，计划于2020年形成全球覆盖能力。有人可能会问，美国的GPS不仅对全世界是开放的，而且还是免费使用的，咱中国人还有必要烧钱去做这样一个系统吗？况且我们做的很可能还不如人家的好，这不是费力不讨好吗？这种观点和思想，在北斗项目启动之初就有人提出过，至今还有不少人以北斗不如GPS为由，一再提及这一论调。因此，有必要回顾中国北斗系统发展的由来和历史。
实际上，从1970年代初中国第一颗人造卫星发射成功开始，对定位导航卫星的研究和论证就已经开始。
►国新办新闻发言人胡凯红手持白皮书。吴晓山/摄
北斗系统的历史传承
中国人所熟知的“两弹一星”工程中的“一星”，就是指人造卫星。新中国人造卫星的研制历史可以追溯到1958年。那一年，毛泽东做出“我们也要搞人造卫星”的指示，研制人造卫星成为1958年的第一号任务，代号“581”工程。无奈那个年代中国正处于大跃进的狂潮之中，国民经济濒临崩溃，一年后“581”工程黯然下马。1965年，在前一年导弹和原子弹相继成功的刺激下，加之国民经济的恢复发展，卫星事业得以重启，代号“651”工程。尽管中国很快进入“文革”，但因卫星研制事业受到了军管保护，中国按计划于1970年4月12日成功发射第一颗人造卫星，东方红乐曲响彻太空，传遍世界。
第一颗人造卫星发射成功以后，通信卫星、气象卫星、定位导航卫星等就都进入决策层的视野。七五规划中提出了“新四星”计划，随后提出过单星、双星、三星、三到五颗星的区域性系统方案，以及多星的全球系统设想。总之，出于国防安全的需要，中国的定位导航卫星经历了研究、论证、再研究、再论证的过程，中国科学家对于它的研究从来就没有停止过。
1983年，无线电电子学家、中科院院士陈芳允提出了双星定位方案，试图以较少的卫星资源建立中国自己的“GPS”。当时，陈芳允的提议因经济条件等种种原因被搁置了下来。
►中国卫星导航系统管理办公室主任、北斗系统新闻发言人冉承其在发布现场，他面前是北斗导航卫星模型。吴晓山/摄
GPS在海湾战争中登场
时光回溯25年，1990年8月2日伊拉克入侵科威特。1991年1月17日，在联合国安理会的授权下，以美国为首的多国部队对伊拉克发起进攻，目的在于恢复科威特的国家主权。这场战争历时六周，以伊拉克从科威特撤军而结束。
海湾战争在政治、经济、军事等多个方面都具有转折性、标志性的历史意义。就其军事意义而言，海湾战争的最大特点，就是这场战争是一次高科技之战。军事专家对这场高科技战争曾做过这样四个方面的总结：
首先，电子战对战争进程和结果产生重要影响，以美国为首的多国部队的电磁优势成为战争中的新制高点；
其次，空中力量发挥了决定性作用，海湾战争开创了以空中力量为主体赢得战争的先例，在空袭中，由于大量精确制导武器的使用，提高了空袭的精准性；
第三，作战空域空前扩大，战场向大纵深、高度立体化方向发展，不存在明显的前方和后方之分；
第四，高技术武器大大提高了军队的作战能力，使作战行动向高速度、全天候、全时域发展。
可以说，海湾战争是二战后美国高技术武器的一次集中配合大演练。在诸多高端军事技术中，GPS是最引人注目的技术之一。
海湾战争爆发时，美国GPS 系统还未完全建成，但美国军方果断地提前将其投入使用。当时美军的导航卫星，只有15 颗，每天提供15小时的服务。令人惊讶的是，即便是只有15颗卫星的还不成熟的GPS 系统，也显示出强大的威力。在中东茫茫的沙漠中，GPS为美军提供了精确定位服务，以至于时任美国国防部长理查德·切尼就曾坦率地说：“GPS对战争的胜利起到重要作用，伊拉克绝对不会想到，在没有任何地形特征的情况下，我军能够胜利地横穿西部沙漠。”在美军的高密度空袭中，GPS为数百架战机提供精确导航，尤其是大大提高了美军F-16和B-52战机的攻击精度，隐身战机和巡航导弹几乎也全部依靠GPS来选择最佳的隐蔽进攻路线。
总之，海湾战争中，GPS成为美军攻击系统的重要支持系统，极大地提高了美军的作战指挥通讯能力、多兵种协同作战和快速打击能力，大幅度提高了武器装备的打击精度和作战效能。也就是说，从那时起，GPS已经成为美军整个现代武器系统的重要组成部分。因此，海湾战争之后，美国果断地（当然也是世界上第一个）用GPS卫星定位导航系统取代陆基无线电导航系统，将其作为海、陆、空军事力量的主要导航手段。
GPS革命带来的冲击波
以GPS为代表的高技术在战争中的巨大威力，给全世界以巨大的震撼。概而言之，GPS的实战“首秀”主要有如下深远影响：
首先，卫星的应用价值被重新认识。卫星的诞生，本来就是超级大国军事竞赛的产物，从二十世纪50年末开始，卫星被广泛应用于军事领域，但主要用于通信和联络。后来，卫星的应用扩展至民用领域，在气象、通讯等领域发挥着不可替代的作用。但在1990年代之前，卫星定位导航技术并不成熟，其产品并未成为武器系统的一部分，也就谈不上直接用于实战之中了。那个时代，各国的军事与战斗系统（如导弹、军舰等）的指挥与调动，主要依赖陆基无线电系统。而海湾战争让世人看到，原来卫星竟然有如此巨大的开发潜力，卫星定位导航技术和产品可以直接成为军事系统和尖端武器的重要组成部分，并能大大提高现代军事指挥协调作战能力以及精确打击的能力和效率。
其次，重新燃起大国间的太空竞争。正因为人们认识到卫星定位导航系统所具有的军事价值及其潜在的商业价值，所以海湾战争之后，世界上掀起了新一轮利用外层空间的竞争。这种耗费巨资的竞争主要在大国之间展开。研发属于自己的全球卫星定位导航系统，成为大国的首选目标。作为世界上第一个发射卫星的国家，俄罗斯在继承前苏联时期的强大技术力量的基础上，加紧研发“格洛纳斯”（GLONASS）。西欧诸国尽管与美国保持着很好的关系，但也认识到拥有独立的全球定位导航系统的重要性，但他们又感到单凭一国之力，无法完成这样的庞大工程。于是，西欧各国联合起来，共同研发名为“伽利略”的全球卫星定位导航系统。
就中国而言，海湾战争对加速中国军事现代化建设具有重要启发意义。仅就卫星技术及其应用而言，在早在1980年代初，以“两弹一星”元勋陈芳允院士为首的科学家团体就提出了双星定位方案，但因经济条件等种种原因被搁置了。而海湾战争美国GPS在远距离作战中的成功应用，让中国受到震动。于是，研制属于中国自己的卫星定位导航系统就被紧急提上日程并立即启动，几经波折，终于发展成现在的第二代中国北斗卫星定位导航系统。
中国为什么一定要搞北斗
回到中国应该投入巨资独立研制开发还是借助美国免费的GPS的老问题上。其实，美国GPS“免费”使用完全是其技术特点决定的。GPS是单向通信体制，跟广播电视塔类似。比如，广播电视塔只管发射信号，到底有1个收音机听还是1万个收音机听，广播电视塔是不知道的。GPS系统亦是如此，24颗工作卫星只管不停地向地面发信号，具体是谁在接收并使用这些信号，它是根本不知情的，既然不知情，那又如何收费呢？而且，尽管GPS信号免费，但使用GPS的产品可不是免费的。要知道，依托这套“免费”的系统衍生出一个庞大的国际性产业，美国与之相关的高科技产业显然是受益者。另外，GPS免费会形成一股强大的国家软实力，这显然也是符合美国国家利益的。
如果我们只图省事和便宜，在中国的军事系统上安装美国GPS，后果则是灾难性的。这是因为，美国GPS开放的只是民码，定位精度比美国军方使用的军码差了十倍。更重要的是，一旦中美有战争之虞，人家顺手把GPS民码停掉，你这边连指南针可能都用不了了，何谈作战。而且也不排除美国通过技术手段干扰GPS系统的正常使用而带来的灾难性后果。
因此，中国除了发展本国的定位导航系统，别无选择。正因为透彻地认识到拥有独立自主的卫星定位导航系统的极端重要性，所以中国决策层下定决心独立研制，确保成功。
中国于2004年推出的北斗一代也被称为北斗导航试验系统，就是陈芳允提出的双星定位系统。之所以选择这样一个双星方案而不是像美国GPS那样搞30颗卫星的大工程，主要是考虑到当时的国情。当时的国情是既没经验又没钱，刚起步时不宜冒进，必须逐步积累，以取得研制经验，如果一上来就玩大的，搞不好要出问题。然而，发射两颗星的局限性很快就显现出来了。因为只有两颗星，所以必须搞高轨道的，因为轨道低了覆盖面就小。只有搞高轨道的，而且还得是静止的，这样才能使两颗星安稳地停留在中国的上空，为中国服务。可是，高轨道卫星有一个大问题，就是定位精度不高，加之只有两颗卫星，所以其定位精度自然远远比不过GPS。1990年代以来，在GPS的反衬下，中国北斗一代因性能不强而受到诟病。于是，在已有经验的基础上，适时启动北斗二代系统，势在必行。
中国的北斗导航试验系统，尽管性能并不强大，但对于中国来说，却有着特殊的意义，因为它使我国成为继美、俄之后世界上第三个拥有自主卫星导航系统的国家，这其实也是是中国北斗卫星导航系统“三步走”发展战略的第一步。接下来的第二步，就是建设北斗卫星导航系统。这一工程于2004年8月31日正式立项，2011年12月27日提供试运行服务。根据规划，北斗卫星导航系统的空间部分，由5颗高轨道静止轨道卫星和30颗中轨道非静止轨道卫星组成，形成覆盖亚太地区的服务能力。发展战略的第三步，就是到2020年左右，北斗卫星导航系统形成全球覆盖能力。到那时，中国就真正在卫星定位导航系统领域自立门户了。
而且，中国还在持续推动北斗系统进入国际标准，积极推动北斗系统进入国际民航、国际海事、移动通信以及通用数据标准等国际组织，为北斗系统国际化发展奠定基础。
在国务院新闻办举办的北斗系统白皮书的发布会上，有关负责人介绍中国与美国的GPS、俄罗斯的格洛纳斯、欧洲的伽利略都开展了系统间的深度合作。北斗产业已经成为中国的一项战略性新兴产业，并形成了由芯片模块、应用终端、运行服务构成的较为完整的北斗产业链，北斗系统在智能手机、车载终端、穿戴式设备等个人消费领域得到应用。北斗系统与移动互联网、大数据、云计算等新型技术等产业融合发展。北斗系统已从行业应用拓展到大众应用，经济和社会效益逐渐显现。
我国形成完整北斗产业体系 发展前景广阔
来源：人民日报 前瞻产业研究院
目前，我国已形成包括基础产品、应用终端、运行服务等较为完整的北斗产业体系，正在从行业应用拓展到大众应用，呈现快速发展局面。
北斗产业和基础产品方面，2015年国内卫星导航总产值已达1900亿元，其中北斗系统贡献率约30%；国产北斗芯片、模块、天线等关键技术已取得全面突破，掌握卫星导航芯片核心技术自主知识产权，北斗芯片跨入40纳米新时代。截至2016年4月，北斗导航型基带、射频芯片/模块销量突破2400万片，导航天线400万套，高精度天线销量超过50万只，应用于移动通信芯片的国产自主卫星导航IP核数量近1800万。
行业应用方面，北斗已在关系国计民生、国家安全的11个行业、17个区域发挥积极作用。
据《国家卫星导航产业中长期发展规划》，至2020年我国卫星导航产业规模将达到4000亿元，北斗产业占比超过60%，即2012年至2020年，北斗产业市场规模年均复合增长率将超过65%。我国北斗导航产业“十三五”期间将向民用应用市场大规模推进，并实现全产业链大融合发展。
2015年北斗导航发展现状
自2012年，我国北斗导航系统正式服务亚太地区以来，市场规模发展迅速，年均增长率达117%。截止2015年底，我国北斗卫星导航产业市场规模达到420亿元，同比增长80.26%；北斗产业链企事业单位数量超过13000家，从业人员近40万人;获得中国卫星导航定位应用管理中心认定的“分理级服务单位”13家、“分理级服务试验单位”49家、“终端级服务单位”79家。目前，北斗在我国交通运输、气象、公安、民政、农业、国土等涉及国家安全的关键领域得到广泛应用，北斗产业初具规模，已构建起集芯片、模块、板卡、终端和运营服务为一体的北斗产业链。第一代国产北斗芯片模块等核心技术产品，性能价格比已经接近国际水平，销售量已突破了千万规模，功耗更低、体积更小、性能更优、集成度更高的新一代北斗芯片已经突破了关键技术，即将投放市场，可以满足智能手机、平板电脑、穿戴式设备等方面的应用需求，高精度的板卡、天线等产品已在国内市场上占领了相当份额，改变了中国高精度卫星导航核心产品完全依赖进口的局面。
“十三五”期间北斗导航发展趋势
1.市场规模将进一步高速增长
据《国家卫星导航产业中长期发展规划》中提出，2020年卫星导航产业规模要达到4000亿元，北斗导航对国内卫星导航应用市场的贡献率提高到60%。可以预测到2020年，我国北斗卫星导航产业规模将达到2400亿元，年均增长率达43%。
2.产品技术水平将进一步加强
现阶段，我国各级政府都在积极加快芯片及相关天线、板卡的研发和产业化步伐，依托重点骨干企业，加速北斗科技成果转化与产业化，提高优势产品的产能与市场份额。“十三五”期间，我国北斗导航将重点实现核心技术突破，发展“两芯两端一件”，即：高精度高性能系统级芯片、通用导航芯片、导航终端和授时终端、3S软件，带动产业链整体发展。同时，高精度定位技术将努力实现从“厘米级”水平向“亚米级”水平提升，并融合地基和星基增强系统，培育“亚米级”新兴应用市场。
3.民用应用市场发展潜力巨大
目前，北斗卫星导航应用主要集中在车船导航监控、电力及通信网络授时等领域，不能有效满足大众及行业用户多样化的应用需求。未来，随着北斗卫星导航系统建设的日益完善，市场需求的不断增长，以及芯片小型化、低功耗、低成本的发展，北斗卫星导航产业将进入体系化发展和全球服务的新阶段。而随着航天卫星科学技术的发展进步，卫星应用与物联网、大数据、云计算相融合，拓展出更加广阔的市场空间。在军民融合上升为国家战略的大背景下，民用市场将呈现爆发式增长的局面。其中，在行业应用方面，工程测量、资源勘察、气象预报、农业精细化生产等领域的示范应用将逐渐推广。大众市场方面，民生关爱将成为主要增长点，北斗智能安全学生证、北斗智能安全校园管理系统平台、老人关爱卡等将成为投资重点；另外，消费端定位导航服务将从原先单一的定位功能逐步延伸到消费、娱乐、社交等众多应用领域。
4.产业链将逐步向下游延伸
融合发展是未来北斗民用化发展的方向，只有从单纯的终端销售向服务环节延伸产业链条，创新应用，才能获取更多的盈利。另外，互联网的快速发展也将带动北斗导航全产业链商业模式的不断创新，不同应用领域所采取的商业模式也灵活多变，如：交通运输领域可采取“用户免费安装终端、收取年费服务”模式；海洋渔业领域可采取“低价终端产品+免费应用平台+长期运营服务”模式；民生关爱领域可采取“产品+智能+互联网+服务”模式。
一网打尽“北斗导航”专题
前沿君微信：tech9999
投稿邮箱：13355524@qq.com