2020年完成全球組網，中國北斗衛星究竟牛在哪兒？

出品| 網易新聞

作者| 鐵甲聖騎士，航空航天從業者

2月12日，中國在西昌衛星發射中心用長征三號乙運載火箭及遠征一號上面級（所謂「上面級」一般指多級火箭中第一級以上的部分），以「一箭雙星」方式成功發射第二十八、二十九顆北斗導航衛星。

這是北斗三號工程第五、六顆組網衛星，它們與此前發射的四顆北斗三號衛星一起進行組網運行。關於衛星導航以及中國的北斗衛星，下面我們就帶大家一起來了解下。

（一）什麼是衛星導航系統？

全球衛星導航系統(Global Navigation Satellite System, GNSS)，也被稱為全球導航衛星系統，是航天技術和通信技術相結合的產物。

它利用衛星信號提供數據信息，對目標進行定位、檢測、導航及管理，簡而言之就是通過位置已知的衛星，來測量地球海陸空上的待求目標的距離，進而獲得目標在地球上的具體坐標。

全球首個衛星導航系統誕生於美國，它就是我們常常提到的GPS系統，被稱為繼阿波羅登月、太空梭之後現代航天領域的又一大奇蹟。它的研製起步於20世紀70年代，在1994年完成了能夠覆蓋全球98%面積的系統建設。GPS系統為軍民兩用系統，完整的GPS星座由24顆在軌衛星（其中21顆工作衛星、3顆備用衛星）組成，位於距地表20200km高的軌道平面上，理想狀態下，全球任意一點、任何時間都可觀測到4顆以上的衛星。

第一代GPS系統的定位精度為10m以上，實時性較差，第二代GPS系統定位精度取得了長足的進步，最新的GPS II F對於動態物體的定位可以精確到米級。雖然GPS系統目前在世界上佔據了領先地位，但美國還在不斷的進行技術更新。第三代GPS預計將發射32顆衛星，計划到2020 年能夠全面投入使用，其精度比以往提高了三倍，抗干擾能力提高了八倍，衛星壽命將延長至15年。

除了美國的GPS系統以外，當前全球的衛星導航系統還有三個，分別是俄羅斯的GLONSS 系統、歐洲的伽利略系統以及中國的北斗系統。對於世界上很多無力建設自己的衛星導航系統的國家來說，最早投入使用，功能最完善的GPS系統也成為了他們獲得衛星導航服務的首選。

（二）衛星導航系統有什麼用？

衛星導航系統能提供全天候、高精度、實時的服務，已被廣泛應用於商業及個人定位、交通運輸、航空航海、資源勘探、搶險救援、戰場指揮、精確制導等領域。

可能很多人有這樣一種錯覺，即只要手機上用不到的，似乎就很難說「來到了身邊」。在進入信息化時代後，智能手機的衛星地圖導航功能是最常用的功能之一，可以說，現在沒有手機導航很多人就出不了門，我們每個人的日常生活幾乎都離不開它。

既然導航衛星系統在國家安全和經濟建設中扮演著重要的角色，GPS系統又已經非常成熟，那麼為什麼不直接用其他國家的系統而是要獨立研製自己的衛星導航系統呢？

中國作為一個大國，民用衛星定位市場幾乎可以說在全球位居首位，而商用和軍事需求也非常旺盛。事實上，在國產衛星導航系統出現之前，國內民用和商業項目大部分都採用的是GPS系統，在使用時需要獲得其授權，而且只提供10m級的精度，在安全方面更是存在漏洞。

在GPS系統建設之初，應美國軍方的要求，GPS使用了選擇可用性機制（SA），其定位信息被故意加入了誤差。雖然在2001年美國宣稱將關閉SA機制，而到了2007年更是聲明GPS IIF及後續的所有GPS衛星都不再具備實施SA機制的能力。

可是，無論美國承諾如何，實際在使用其產品時都仍有很大的風險及不可預測性，且這種承諾在和平時期尚可相信，一旦國際形勢有變化，特別在軍事方面，若國產戰機、戰艦和精確制導武器使用的是GPS系統進行導航，那麼作戰效能將打上一個大大的問號。

正是基於上述安全性的考慮，中國開始發展自己的衛星導航技術。1994年，北斗衛星導航試驗系統（北斗一號）開始研製，並在2000年發射了兩顆靜止軌道衛星，區域性的導航功能得以實現。2003年又發射了一顆備份衛星，完成了北斗衛星導航試驗系統的組建。

北斗一號屬於有源定位區域試驗系統，該系統在進行定位解算時需要用戶發送請求給衛星，然後由地面控制中心完成全部的計算任務，將用戶需要的數據傳回給用戶，整個過程中衛星擔任中繼作用，覆蓋範圍主要在中國境內地區以及周邊。

不過，有源模式使得系統在定位精度、用戶容量、定位的頻率次數、隱蔽性等方面均受到限制，而且無測速功能，無法滿足精確制導武器的要求，投入民用市場也不具備可行性。因此，中國的衛星導航發展在經歷了有源定位區域試驗系統，即北斗一代系統階段後，第二步是無源定位的起步階段，即北斗二代，第三步則實現能夠實現全球任意地區定位的能力，也就是北斗三代。

（三）中國北斗衛星導航系統有何獨特之處？

2007 年，中國首顆無源定位衛星在西昌發射場發射成功，標誌著國產衛星定位系統進入了一個新的時代。無源定位是北斗一代向北斗二代進步的關鍵技術，用戶無需發送信號即可由自身完成定位，在原理上與GPS 系統基本相同，但是在如星座分布、使用頻率等方面還是有很大差別的。此外北斗系統除了與其他衛星具有相同的導航定位和授時服務外，它還具有簡訊通信服務功能。

當前北斗系統的信號分為兩個波段，一個是L波段，一個是S波段。北斗衛星導航系統使用碼分多址技術，與GPS系統和伽利略定位系統一致，而不同於格洛納斯系統的頻分多址技術。相比之下，碼分多址有更高的頻譜利用率，在由L波段的頻譜資源非常有限的情況下，選擇碼分多址是更妥當的方式。此外，碼分多址與其他衛星導航系統的兼容性能更佳。

和GPS系統類似的是，北斗衛星也提供授權和公開兩種服務，相應的提供兩類相應的信號。其中公開服務提供的信號，衛星在其覆蓋的範圍內可向用戶提供無需授權、無需交費的定位，電文通信等服務，其定位能夠精確到 10 米，單向授時能夠達到 50ns。測速能夠達到 0.2m/s。

北斗二代系統在2012年完成了對亞太大部分地區的覆蓋並正式提供衛星導航服務，此時北斗二代系統擁有16顆衛星，其中14顆組網並提供服務，分別為5顆靜止軌道衛星、5顆傾斜地球同步軌道衛星（均在傾角55°的軌道面上）、4顆中地球軌道衛星（均在傾角55°的軌道面上），在中國境內使用衛星導航服務可以不再受到國外系統的限制。

而值得一提的是，在北斗系統關鍵技術上，中國也取得了重大突破。導航衛星本身來說，極高精度的時間系統就是最核心、最關鍵的設備之一，一旦失去準確的計時能力，一顆衛星就無法再提供可靠的定位服務，因此在衛星中用於計時的星載原子鐘成為了國產化必須要突破的關口。

星載原子鐘結構複雜，需要滿足衛星發射及在軌運行時需要面對的振動、溫度、輻照等環境要求，而且對體積和重量指標極為苛刻。北斗一號系統的衛星原子鐘是由瑞士進口，而到了北斗二號時，星載原子鐘開始使用中國航天科工提供的國產原子鐘，自2012年開始，北斗已經開始全部使用國產原子鐘，其性能與進口產品相當。

在北斗二代系統建成後，北斗三代系統也很快提上日程。2015年3月30號，長征三號丙運載火箭攜帶北斗三號-I1-S衛星在西昌發射場升空，拉開了北斗三代系統建設的序幕。北斗三代系統的建成目標瞄準實現全球定位能力，到 2020 年中國預計將能夠實現北斗三代系統的建設，屆時整個北斗衛星星座會有 35 顆衛星，包括5顆靜止軌道衛星、27顆中地球軌道衛星、3顆傾斜同步軌道衛星。

結語

中國的北斗系統起步隨晚，但是進展卻迅速，超越GLONSS 系統和Galileo 系統成為全球第二已經毫無懸念。

中國有約4萬艘漁船安裝了北斗衛星導航系統的終端，高峰時每月發送70萬條。當前制約北斗導航民用的最大瓶頸是晶元價格，相對於GPS系統，北斗系統的起步晚，用戶量還不夠多，也使得終端設備的晶元成本較高，相信隨著北斗三代系統的建成，兼容北斗系統的終端數量將迎來爆發增長，價格有望降低到和GPS系統終端相當的水平。

北斗系統作為中國實施建設的重大信息基礎設施項目，它的發展和應用對於國家安全、科學研究、經濟發展與國防建設等方面都具有深遠影響。系統用戶端設備的不斷更新與完善，對於整個衛星導航系統的進步與發展起到了推進作用。這也從一個側面反映出中國綜合國力的提升，成為中國製造的一張閃亮的名片。

作為世界上認知度最高的標籤，中國製造（Made in China）正尋求戰略升級。「了不起的中國製造」專欄，力邀行業權威、資深玩家，呈現他們眼中的中國創新之路。

投稿請聯繫newsresearch_ntes@163.com，稿件一經刊用，將提供千字800元的稿酬。

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編輯| 史文慧

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