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      剛剛,北斗衛星拿下收官之戰,中國組建起覆蓋全球衛星導航星座

            經過26年,中國人建立了全球第三個成熟的衛星導航系統。它不僅將會幫助中國擺脫對GPS的依賴,同時有希望對GPS的全球統治地位發起挑戰。

            26年漫長歷程。2020年6月23日,中國北斗三號全球衛星導航系統迎來最后一戰。 

            上午9時43分04秒,隨著點火命令下達,搭載第55顆北斗導航衛星的長征三號乙運載火箭,在騰空而起的橘紅色火焰中飛向太空。這顆衛星是北斗三號最后一顆全球組網衛星,至此北斗三號全球衛星導航系統星座部署比原計劃提前半年全面完成。

            此次發射的收官星,是北斗三號系統中3顆地球同步靜止軌道衛星之一,也是北斗三號系統中重量最重、體積最大的一顆,具備無線電導航、無線電測定、星基增強、精密單點定位、短報文通信、星間通信與測量六大功能。

            火箭起飛140秒后,火箭助推器實現分離;157秒后,火箭一級發動機分離;340秒后,火箭二級三級實現分離;約1270秒后,三級火箭二次點火,將衛星加速到10km每秒;約1540秒后,星箭成功實現分離;約1620秒后,衛星太陽翼展開。

            位于三級發動機上的攝像頭幸運地拍到了衛星太陽翼展開的畫面,當它展開之時,恰好反射出太陽的光澤,與藍色的地球、絲絮狀云朵構成了一幅絕美的畫面。

            10時17分許,西昌衛星發射中心主任張學宇宣布:“北斗衛星導航系統第55顆衛星已準確進入預定軌道,太陽帆板展開到位,衛星狀態正常,此次發射任務取得圓滿成功?!?/p>

            實際上,最后一顆北斗原計劃在5月發射,后因航天發射任務失利,工程全線舉一反三 ,進行質量復查,發射時間由5月調整至6月。6月16日,又因臨射前發現產品技術問題,發射任務再次推遲。

            6月22日,據中國衛星導航系統管理辦公室消息,因故推遲執行的北斗三號最后一顆全球組網衛星發射任務相關技術問題已排除,任務重新啟動,擬于6月23日擇機執行。

            這次收官發射意味著,我國自上世紀80年代提出設想、1994年正式啟動“三步走”的北斗系統建設,終于在2020年中走完最后一步,實現了全球組網,建立起覆蓋全球的衛星導航星座。

            這是繼美國GPS、俄羅斯格洛納斯之后,由中國人建立的全球第三個成熟的衛星導航系統。它不僅將會幫助中國擺脫對GPS的依賴,同時有希望對GPS的全球統治地位發起挑戰。


            自建星座

            說起衛星導航,不得不從美國說起。

            1957年,蘇聯人發射升空了第一顆人造衛星之后,美國兩位年輕的研究者比爾·蓋伊和喬治·威芬巴赫,在對蘇聯這顆衛星的追蹤中發現,衛星在飛近地面接收機時收到的無線電頻率逐漸增高,飛遠時則逐漸降低。那這意味著,如果在地面上架設多部接收機,就可以根據接收到的信號的不同頻差推算出這個衛星的具體位置。

            當他們把這個結果告訴實驗室主任弗蘭克·麥克盧爾時,后者敏銳地察覺到了這在軍事上的重要應用,它將有可能幫助在大洋中的核潛艇確定自己的位置,并將核導彈準確地落在敵人的城市上方。

            1960年4月13日,美國成功發射世界第一顆定位導航衛星——“子午儀-1B”號,到1967年,被命名為“海軍導航衛星系統”的衛星組網完成。

            資料顯示,同樣在1967年,大洋彼岸的中國也發現了導航衛星的應用價值,于是啟動“燈塔計劃”,但最終卻因技術方向轉型、財力有限等被迫放棄。

            直到1983年,陳芳允院士等專家學者提出,基于國情我國可以先發展技術相對簡單、成本較低廉的“雙星快速定位通信系統”,這是第一代北斗衛星導航系統的雛形。

            不過這一提議直到1989年9月才真正實現第一代“北斗”的可行性測試,可見這一過程進展并不迅速,結合當時集中力量發展經濟的時代背景,這并不難理解。

            世界另一端。在第一代導航星座基礎上,1973年美國全球定位系統正式誕生,在這個方案中,要在20200千米高的6個軌道平面上,每個軌道平面布設4顆衛星,總計24顆組網衛星,再加上4顆備份衛星共28顆衛星組成導航星座。

            1978年美國第1顆GPS試驗衛星發射成功,到1985年時,美國共發射了11顆GPS衛星。

            此時恰好是中美交流密切時期。在中國衛星導航的發展路徑上,到底是像美國這樣一步到位全球組網還是分階段走,引發了爭論,最終的結果是確定了“ 先區域、后全球”的思路。這為之后提出“三步走”的戰略打下了基礎。

            從1985年開始,在持續了8年多的測試論證后,1994年1月北斗一號被正式立項。

            有資料認為,真正使中國下定決心搞自己的衛星導航系統的原因,很大一部分是由于國際局勢的變動。上個世紀80年代末90年代初,中美兩國關系重回冰點,中國想要應用衛星導航必須依靠自己。同時1991年左右進行的海灣戰爭中,美軍向世界初次展示了GPS在軍事領域中的巨大作用,推動了中國加快自己衛星導航系統的發展。

            另一個更重要的原因是在海灣戰爭中,美國對包括歐洲盟友在內的使用者關閉了GPS信號,這讓許多國家意識到,不能依賴于美國GPS系統,必須建設自己的衛星導航系統。如1992年,歐洲宣布啟動伽利略計劃,建設自己的導航星座。


            三步走的北斗

            自1994年1月立項,到2020年6月16日,北斗完成了三步走。

            第一步,1994年至2003年,建設北斗一號系統,后更名為“北斗衛星導航試驗系統”,實現衛星導航從無到有,定位精度20米。

            第一步走的重點節點包括,1994年北斗一號系統建設正式啟動;2000年發射2顆地球靜止軌道(GEO)衛星,北斗一號系統建成并投入使用;2003年,發射第3顆地球靜止軌道(GEO)衛星。

            北斗一號系統的建成,初步滿足了中國及周邊區域的定位、導航、授時需求。使中國衛星導航系統實現了從無到有的跨越,中國成為繼美國、俄羅斯之后第三個擁有衛星導航系統的國家。并且在設計中實現了雙向短報文通信功能,成為北斗的獨創。

            但資料顯示,北斗一號系統存在大量缺點。首先它只覆蓋了中國及周邊,無法全球使用,當時索馬里海域護航編隊就無法使用北斗進行導航;其二,它是有源定位,需要用戶發射信號,系統才能對其定位,用戶無法實現無線電靜默,這就決定了它不能應用于軍事;第三,它的軌道遠高于GPS,造成在定位精度上存在較大差距。

            正是在這樣的差距下,2003年9月,在歐盟的主動邀請下,中國與歐盟達成合作加入伽利略計劃,并計劃投入2.3億歐元支持這一項目。但短短一年,遭遇歐美施加的不公正待遇后,中國漸漸遠離了這一計劃。

            第二步,2004年至2012年,中國開始建設“北斗二號系統”,服務區域為中國與亞太,定位精度10米。

            2004年,北斗二號系統建設啟動。到2012年,完成了14顆衛星的發射組網。這14顆衛星中,有5顆地球靜止軌道(GEO,約3.57萬km)衛星、5顆傾斜地球同步軌道(IGSO,約3.57萬km)衛星和4顆中圓地球軌道(MEO,約2.2萬km)衛星。

            同時,在兼容北斗一號有源定位體制的基礎上,增加了無源定位體制,僅靠接收信號就能定位。 

            2012年10月25日,第16顆北斗導航衛星發射升空并進入預定軌道,北斗二號部署完成。2012年12月27日,北斗二號正式向亞太地區提供區域服務。

            第三步,2009年至2020年,建設北斗三號系統,實現全球組網,定位精度2.5m-5m。

            北斗三號標稱星座一共有30顆衛星,包括24顆中圓地球軌道衛星、3顆地球靜止軌道衛星,以及3顆傾斜地球同步軌道衛星。正式開展星座組網之前,北斗三號還發射了5顆試驗衛星進行技術驗證。北斗三號總共發射的衛星數量達到35顆。

            北斗三號系統繼承了北斗一代有源定位和北斗二號無源定位兩種技術體制,通過星間鏈路解決了全球組網需要全球布站的問題。同時在北斗二號的基礎上提升性能、擴展功能,為全球用戶提供定位導航授時、短報文通信和國際搜救等服務;同時在中國及周邊地區提供星基增強、地基增強、精密單點定位和區域短報文通信服務。

            目前,北斗定位由北斗二號和北斗三號系統共同提供,到2020年后,平穩過渡到以北斗三號系統為主。

      到2035年,中國將完成下一代北斗系統星座組網,建設以北斗為核心、基準統一、覆蓋無縫、安全可信、高效便捷的國家綜合PNT(定位、導航、授時)體系。


            背水一戰

            建設如此龐大的空天工程,其中的難度與挑戰可想而知。

            北斗衛星導航系統工程總設計師楊長風在接受央視采訪時,回憶起發生在2007年時的驚心動魄的一幕。

            2000年4月18日,經過多方努力,中國終于在國際電聯獲得了北斗二號的軌道位置和頻段。不過這些稀缺資源并不是取得之后就可以一勞永逸使用,國際電聯制定了一個規則,如果在7年之后,也就是2007年4月18日,還沒有發射衛星使用這一頻段進行天地通信,那么這個軌道位置和頻段將被收回。

            這就意味著,中國的北斗二號系統必須在2007年4月18日前完成發射并開始頻率傳輸。

            但是從2000年到2004年4年時間里,北斗二號一直在做論證工作,同時受到加入歐洲伽利略計劃的影響,直到2004年,北斗二號系統才正式啟動。

            此時,距離頻率申請已過去四年,離最后的時間,只有3年。但在正常情況下,這差不多需要5年的時間才能完成所有工作。

      北斗團隊開始與時間賽跑。

            終于在2007年4月,北斗二號系統第一顆導航衛星被裝進火箭,準備發射,火箭也已經在發射塔架上。然而在第三次總檢查時,團隊突然發現衛星應答機異常。應答機主要應用于天地通信,通過它才能知道天地信號可以連通。

            楊長風和同事們面臨抉擇,如果不進行檢修就將這顆衛星發射,有可能出現應答機故障,無法證明真正實現了頻率傳輸,那么已經申請的頻率仍有可能被取消;而拿出再檢修意味著時間更加急迫,很有可能無法在截止日前完成發射。

            團隊最終還是決定將應答機取出修復。留給團隊修復的時間,只有短短三天。

            “那三天,說句實在話,心情是緊張、沉重、壓力也很大,72小時基本上沒合眼?!睏铋L風回憶。

            2007年4月14日4時11分,這顆經過修復的北斗衛星順利起飛。4月17日20時許,衛星傳回信號。此時距離國際電聯的“七年之限”只剩不到4個小時。


            掘金北斗

            5 月 21 日,在全國兩會期間,全國政協委員、北斗衛星導航系統工程總設計師楊長風亮相會議首場委員通道。

            據楊長風介紹,北斗系統已經在交通運輸、農林漁業、減災救災等各行各業得到廣泛應用,在疫情防控中也發揮了巨大的作用。

      衛星導航是一個巨大的市場。

            2019年10月,歐洲全球導航衛星系統局發布了2019年全球衛星導航市場報告,預測在未來的十年內全球衛星導航市場將會保持穩定增長。預計到2029年全球衛星導航市場總產值約為3244億歐元(約2.6萬億人民幣),將會比2019年的1507億歐元翻一番。亞太地區市場容量超過全球一半。

            2020年5月18日,中國衛星導航定位協會也發布了《2020中國衛星導航與位置服務產業發展白皮書》。數據顯示,2019年我國衛星導航與位置服務產業總體產值達3450億元,較2018年增長14.4%。

            而隨著“北斗+”和“+北斗”應用的深入推進,由衛星導航衍生帶動形成的關聯產值繼續保持較高速度增長,達到2284億元。

            白皮書同時顯示,截至2019年底,國產北斗兼容型芯片及模塊銷量已突破1億片,國內衛星導航定位終端產品總銷量突破4.6億臺,其中具有衛星導航定位功能的智能手機銷售量達到3.72億臺。我國衛星導航與位置服務領域企事業單位數量保持在14000家左右,從業人員數量超過50萬。

            截至2019年第三季度,在中國市場申請入網的手機有400余款具有定位功能,其中支持北斗定位的近300款。

            在面向國內時,北斗也逐漸走向全球。資料顯示,國產北斗基礎產品已出口 120 余個國家和地區。

            由于在進行設計時重點考慮到國內與亞太區的應用,北斗在亞太大部分地區,每時可見約 12 至 16 顆衛星,全球其他地區每時可見 4 至 6 顆衛星。而亞太區域恰恰又是人口眾多、經濟發展迅速的地區,這為北斗產業的發展增添了助力。

      “對于北斗而言,研制與發射的挑戰已經完成,未來如何在全球推廣應用是它面臨的更多也更大的挑戰?!焙教祛I域專業人士對《中國企業家》表示。

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