北斗騰飛 王衛(wèi)東攝
古今定位：從天文導(dǎo)航到北斗衛(wèi)星
北斗，是中華民族的“指極星”，更是 “導(dǎo)航星”。《史記·天官書》當(dāng)中有記載：“分陰陽，建四時(shí)，均五行， 移節(jié)度，定諸記，皆系于斗”。這里的“斗”指的就是北斗，也就是我國北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)名字的由來。
隨著人類科技的進(jìn)步，導(dǎo)航方式也在不斷發(fā)展。地文導(dǎo)航是最早的導(dǎo)航手段，即是通過身邊的一些具有標(biāo)志性的地文特征，比如石頭、樹木、河流、山川等特征物體來判斷自己的方向。
北斗七星圖
進(jìn)一步發(fā)展就是天文導(dǎo)航，也就是用太陽、月亮、星星等自然天體來辨識方位，通過一些自然天體來進(jìn)行導(dǎo)航。人類發(fā)明了電之后，就有了無線電系統(tǒng)，可以通過無線電系統(tǒng)的幅度、頻率、相位等一系列參數(shù)，來獲取導(dǎo)航信息，這就是無線電導(dǎo)航。
無線電導(dǎo)航最早是利用地面的、地基的臺站來獲取一些無線電的信息，然后發(fā)送出去，最后通過測量它的幅度、頻率、相位等等，來獲取導(dǎo)航信息。
無線電在地基傳播時(shí)有測量上的誤差，所以無電導(dǎo)航大多是采用長波導(dǎo)航的方式，為了解決這個(gè)問題，人類開始把導(dǎo)航臺搬到了人造衛(wèi)星上面，用人造衛(wèi)星來作為導(dǎo)航臺的無線電導(dǎo)航系統(tǒng)。
1957 年，世界上第一顆人造地球衛(wèi)星由蘇聯(lián)發(fā)射升空。
1958 年，美國發(fā)射了“探險(xiǎn)者一號”人造地球衛(wèi)星，利用人造天體來為人類提供導(dǎo)航服務(wù)。
1964 年，美國研制了世界上最早的全天候、全天時(shí)的衛(wèi)星定位系統(tǒng)——“子午儀”系統(tǒng)。
“子午儀”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的組成
“子午儀”因?yàn)橹挥兴念w衛(wèi)星覆蓋全球，所以它有使用的局限性。一是無法對運(yùn)動(dòng)速度非?？斓奈矬w進(jìn)行定位；二是定位精度大概在千米量級，無法實(shí)現(xiàn)高精度定位。但是“子午儀”系統(tǒng)用少量衛(wèi)星就可以實(shí)現(xiàn)全天候、全天時(shí)的覆蓋，且不受天氣影響，這讓人們看到了衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的巨大優(yōu)勢。
在 1991年的海灣戰(zhàn)爭中，美國憑借 GPS 系統(tǒng)，使一系列最新式飛機(jī)和精確制導(dǎo)武器多方向、多波次、高強(qiáng)度持續(xù)突襲選定目標(biāo)，GPS 的使用使得盟軍在不被敵人發(fā)現(xiàn)的情況下穿越沙漠，并提供了每天 24 小時(shí)的二維服務(wù)和 19 個(gè)小時(shí)的導(dǎo)航定位服務(wù)。僅用了 40 多天時(shí)間，美國就將當(dāng)時(shí)號稱“世界第三大軍事強(qiáng)國”的伊拉克打到毫無還手之力。也正是在這場戰(zhàn)爭之后，全世界都看到了衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)帶來的巨大影響，全世界的超級大國，都希望構(gòu)建自己的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，這其中也包括中國。
衛(wèi)星導(dǎo)航
衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是一把守護(hù)國門的金鑰匙。金鑰匙一定要握在自己人手中。這就是為什么俄羅斯經(jīng)歷蘇聯(lián)解體、經(jīng)濟(jì)衰退，還在研發(fā) GLONASS，并且規(guī)定了在特定場景下限制使用 GPS；歐盟在各種矛盾協(xié)調(diào)困難的情況下，也在努力發(fā)展自己的伽利略系統(tǒng)，核心就是要使歐洲經(jīng)濟(jì)建立在自己的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)之上，這樣歐洲才能擁有自己的主權(quán)。這也是我們?yōu)槭裁匆ㄔO(shè)北斗系統(tǒng)的原因。
衛(wèi)星和計(jì)算機(jī)的全球通信
從 20 世紀(jì) 70 年代開始，中國就開始積極探索適合我國國情的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。
北斗一號系統(tǒng)自 1994 年正式啟動(dòng)了建設(shè)。2000年，北斗一號的 01 星和 02 星接連入軌，2003年，北斗一號的備份星，即北斗一號的 03 星成功發(fā)射，它和前兩顆星組成一個(gè)完整的系統(tǒng)。此后，北斗一號正式提供全天候衛(wèi)星導(dǎo)航信息服務(wù)，向軍民用戶開放使用，我國成為世界上第三個(gè)擁有自主衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的國家。
北斗二號：北斗導(dǎo)航的建設(shè)與探索
北斗一號雙星系統(tǒng)，采用的是有源定位的方式，但這是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，因此，中國提出了北斗系統(tǒng)建設(shè)的“三步走”戰(zhàn)略：
第一步，2000 年建成北斗一號系統(tǒng)，也叫作北斗雙星系統(tǒng)，主要解決我國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的有無問題，能夠?yàn)槲覈椭苓叺貐^(qū)用戶提供定位，短報(bào)文和授時(shí)服務(wù)；#p#分頁標(biāo)題#e#
第二步，在 2012 年年底，建成北斗二號系統(tǒng)，主要把有源定位變?yōu)闊o源定位，能夠?yàn)槲覈椭苓叺貐^(qū)提供更加穩(wěn)定的導(dǎo)航、定位、測速和授時(shí)服務(wù)；
第三步，在 2020 年建成北斗三號系統(tǒng)，也就是北斗全球系統(tǒng)，讓北斗系統(tǒng)不僅是中國的北斗，更是世界的北斗，也是先進(jìn)的北斗。
在北斗一號系統(tǒng)建設(shè)完成以后，按照北斗系統(tǒng)建設(shè)的過程，中國就進(jìn)入了北斗“三步走”中的第二步——構(gòu)建北斗區(qū)域系統(tǒng)。
2007 年，北斗二號系統(tǒng)建設(shè)穩(wěn)步推進(jìn)，發(fā)射了第一顆試驗(yàn)星，北斗系統(tǒng)的 04 星，它用來接替北斗一號的 01 星，保證系統(tǒng)連續(xù)穩(wěn)定的運(yùn)行和不間斷的服務(wù)。因?yàn)樾l(wèi)星壽命有限，北斗一號的組網(wǎng)衛(wèi)星的預(yù)期壽命是 8 年。2009 年，發(fā)射了 G2 星，接替了北斗系統(tǒng)的 02 星。2010 年，接替 01 星和 03 星的 G1 星和 G3 星當(dāng)時(shí)順利地接入了北斗系統(tǒng)，操作時(shí)間比預(yù)計(jì)的時(shí)間縮短了一半，而系統(tǒng)服務(wù)僅僅中斷了 1 秒，就實(shí)現(xiàn)了平穩(wěn)過渡。
衛(wèi)星通訊與生活
北斗二號系統(tǒng)，也就是北斗區(qū)域系統(tǒng)共有 14 顆衛(wèi)星，其中 5 顆是 GEO 衛(wèi)星（靜止軌道衛(wèi)星），5 顆是 IGSO 衛(wèi)星（小傾角軌道衛(wèi)星），還有 4 顆是 MEO 衛(wèi)星（中軌道衛(wèi)星）。通過這樣的混合星座，來為我國和周邊的亞太地區(qū)提供導(dǎo)航定位服務(wù)，同時(shí)，星座還采用了“邊建邊用”“以用促建”的工程建設(shè)的方式，這也是全世界唯一的一個(gè)混合星座系統(tǒng)。
2012年10月，第16顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星由長征三號乙運(yùn)載火箭送入太空，中國的北斗二號正式完成了組網(wǎng)任務(wù)，正式躋身于世界四大全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)行列。
北斗二代比北斗一代來說，已經(jīng)從有源定位的方式變成無源定位的方式，并且可以采用“廣播式”來解決問題。也就是說，衛(wèi)星一直在不斷地往下發(fā)射信號，地面不管是有10個(gè)人、100個(gè)人還是1000個(gè)人，接收信號不會(huì)受到系統(tǒng)容量的限制，也不存在暴露位置的風(fēng)險(xiǎn)。
北斗三號：收官之星與全球組網(wǎng)
順利完成北斗一號和北斗二號建設(shè)任務(wù)后，北斗開始進(jìn)行全方位技術(shù)提升，包括信號體制、高精度的原子鐘、星間鏈路以及搜救功能等等，從區(qū)域系統(tǒng)向全球系統(tǒng)的目標(biāo)邁進(jìn)。
北斗三號系統(tǒng)是由30顆衛(wèi)星組成的，包括3顆GEO衛(wèi)星，3顆IGSO衛(wèi)星，以及24顆MEO衛(wèi)星。此外，在2015年—2016年還發(fā)射了5顆試驗(yàn)星，也就是我們常常說的“‘五星’護(hù)航，北斗系統(tǒng)走向全球”。這些試驗(yàn)衛(wèi)星，對北斗三號的新體制、新技術(shù)進(jìn)行了充分的試驗(yàn)和驗(yàn)證，在驗(yàn)證完成之后，北斗三號系統(tǒng)才正式開始建設(shè)。
北斗三號系統(tǒng)的建設(shè)，也分為“三步走”：
第一步是 8 顆 MEO 衛(wèi)星組成的最簡系統(tǒng)，可以對北斗三號的性能進(jìn)行一些相應(yīng)的驗(yàn)證；
第二步是基本系統(tǒng)，它由 1 顆 GEO 和 18 顆 MEO 衛(wèi)星組成，于 2018年年底建成；
第三步就是構(gòu)建北斗全球系統(tǒng)，即 3 顆GEO、3 顆 IGSO，以及 24 顆 MEO。
今年 6 月，收官星的發(fā)射，意味著北斗三號系統(tǒng)正式完成建設(shè)，開始提供全球服務(wù)。
在北斗三號系統(tǒng)建設(shè)期間，技術(shù)人員攻克了一個(gè)又一個(gè)難題，其中不得不提到星載原子鐘技術(shù)，它是北斗系統(tǒng)能夠從有源系統(tǒng)變到無源系統(tǒng)的關(guān)鍵，是導(dǎo)航衛(wèi)星的心臟。
衛(wèi)星導(dǎo)航的核心是時(shí)間測量。在由導(dǎo)航衛(wèi)星搭建的星地坐標(biāo)系中，每個(gè)星體都有自己的坐標(biāo)信息，通過測量我們與星體間的距離，就能解算出我們在該坐標(biāo)系的位置。但是我們和星體之間的距離是無法直接測量的，只有通過無線電在介質(zhì)當(dāng)中的傳播，用測量到達(dá)的時(shí)間差來計(jì)算。在信號傳播速度（光速）已知的前提下，時(shí)間測量越精密，位置解算就越精確。這就需要星載原子鐘把整個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的時(shí)間統(tǒng)一到同一個(gè)基準(zhǔn)上，才能夠?qū)崿F(xiàn)北斗系統(tǒng)的定位。
北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)
在北斗系統(tǒng)建設(shè)之前，我國是沒有星載原子鐘技術(shù)的，當(dāng)時(shí)打算從國外購買，但是遭到重重阻礙。在這個(gè)時(shí)候，我們意識到核心關(guān)鍵技術(shù)真的是買不來、要不來、求不來的，只能夠靠自己。所以，為了解決這個(gè)問題，北斗團(tuán)隊(duì)經(jīng)過了兩年時(shí)間的攻關(guān)?，F(xiàn)在，我國的星載原子鐘技術(shù)已非常成熟，像北斗三號上的氫鐘、天宮二號上的冷原子鐘等，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了高精度原子鐘技術(shù)，其精度已提升到每 300 萬年才會(huì)出現(xiàn)1 秒誤差。#p#分頁標(biāo)題#e#
北斗系統(tǒng)在 2010-2012 年的三年期間，總共發(fā)射了 15 顆衛(wèi)星，在 2018 年的一年當(dāng)中成功地發(fā)射了 19顆衛(wèi)星，它的成功其實(shí)不僅意味著中國已經(jīng)進(jìn)入了世界衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)強(qiáng)國之列，也意味著中國開始為全世界提供導(dǎo)航服務(wù)，這是中國科技發(fā)展對亞太地區(qū)乃至世界的巨大貢獻(xiàn)，也是中國人在世界航天史上留下的濃墨重彩的一筆。
北斗系統(tǒng)不僅展示了中國精度、中國速度，也帶來了中國溫度。北斗系統(tǒng)很早就“潤物細(xì)無聲”地在漁船航運(yùn)、防災(zāi)減災(zāi)和氣象監(jiān)測預(yù)報(bào)、交通物流，乃至動(dòng)物保護(hù)領(lǐng)域都發(fā)揮了重要作用，覆蓋了我們生活的方方面面。