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        刚刚,北斗卫星拿下收官之战,中国组建起覆盖全球卫星导航星座​

        2020-06-24 13:16 | 作者: 王雷生, 李薇

        经过26年,中国人建立了全球第三个成熟的卫星导航系统。它不仅将会帮助中国摆脱对GPS的依赖,同时有希望对GPS的全球统治地位发起挑战。

        文 | 《中国福利电影家》记者  王雷生

        编辑 | 李薇

        头图来源 | 视频截图

        26年漫长历程。2020年6月23日,中国北斗三号全球卫星导航系统迎来最后一战。 

        上午9时43分04秒,随着点火命令下达,搭载第55颗北斗导航卫星的长征三号乙运载火箭,在腾空而起的橘红色火焰中飞向太空。这颗卫星是北斗三号最后一颗全球组网卫星,至此北斗三号全球卫星导航系统星座部署比原计划提前半年全面完成。

        此次发射的收官星,是北斗三号系统中3颗地球同步静止轨道卫星之一,也是北斗三号系统中重量最重、体积最大的一颗,具备无线电导航、无线电测定、星基增强、精密单点定位、短报文通信、星间通信与测量六大功能。

        火箭起飞140秒后,火箭助推器实现分离;157秒后,火箭一级发动机分离;340秒后,火箭二级三级实现分离;约1270秒后,三级火箭二次点火,将卫星加速到10km每秒;约1540秒后,星箭成功实现分离;约1620秒后,卫星太阳翼展开。

        位于三级发动机上的摄像头幸运地拍到了卫星太阳翼展开的画面,当它展开之时,恰好反射出太阳的光泽,与蓝色的地球、丝絮状云朵构成了一幅绝美的画面。

        10时17分许,西昌卫星发射中心主任张学宇宣布:“北斗卫星导航系统第55颗卫星已准确进入预定轨道,太阳帆板展开到位,卫星状态正常,此次发射任务取得圆满成功。”

        实际上,最后一颗北斗原计划在5月发射,后因航天发射任务失利,工程全线举一反三 ,进行质量复查,发射时间由5月调整至6月。6月16日,又因临射前发现产品技术问题,发射任务再次推迟。

        6月22日,据中国卫星导航系统管理办公室消息,因故推迟执行的北斗三号最后一颗全球组网卫星发射任务相关技术问题已排除,任务重新启动,拟于6月23日择机执行。

        这次收官发射意味着,我国自上世纪80年代提出设想、1994年正式启动“三步走”的北斗系统建设,终于在2020年中走完最后一步,实现了全球组网,建立起覆盖全球的卫星导航星座。

        这是继美国GPS、俄罗斯格洛纳斯之后,由中国人建立的全球第三个成熟的卫星导航系统。它不仅将会帮助中国摆脱对GPS的依赖,同时有希望对GPS的全球统治地位发起挑战。

        自建星座

        说起卫星导航,不得不从美国说起。

        1957年,苏联人发射升空了第一颗人造卫星之后,美国两位年轻的研究者比尔·盖伊和乔治·威芬巴赫,在对苏联这颗卫星的追踪中发现,卫星在飞近地面接收机时收到的无线电频率逐渐增高,飞远时则逐渐降低。那这意味着,如果在地面上架设多部接收机,就可以根据接收到的信号的不同频差推算出这个卫星的具体位置。

        当他们把这个结果告诉实验室主任弗兰克·麦克卢尔时,后者敏锐地察觉到了这在军事上的重要应用,它将有可能帮助在大洋中的核潜艇确定自己的位置,并将核导弹准确地落在敌人的城市上方。

        1960年4月13日,美国成功发射世界第一颗定位导航卫星——“子午仪-1B”号,到1967年,被命名为“海军导航卫星系统”的卫星组网完成。

        资料显示,同样在1967年,大洋彼岸的中国也发现了导航卫星的应用价值,于是启动“灯塔计划”,但最终却因技术方向转型、财力有限等被迫放弃。

        直到1983年,陈芳允院士等专家学者提出,基于国情我国可以先发展技术相对简单、成本较低廉的“双星快速定位通信系统”,这是第一代北斗卫星导航系统的雏形。

        不过这一提议直到1989年9月才真正实现第一代“北斗”的可行性测试,可见这一过程进展并不迅速,结合当时集中力量发展经济的时代背景,这并不难理解。

        世界另一端。在第一代导航星座基础上,1973年美国全球定位系统正式诞生,在这个方案中,要在20200千米高的6个轨道平面上,每个轨道平面布设4颗卫星,总计24颗组网卫星,再加上4颗备份卫星共28颗卫星组成导航星座。

        1978年美国第1颗GPS试验卫星发射成功,到1985年时,美国共发射了11颗GPS卫星。

        此时恰好是中美交流密切时期。在中国卫星导航的发展路径上,到底是像美国这样一步到位全球组网还是分阶段走,引发了争论,最终的结果是确定了“ 先区域、后全球”的思路。这为之后提出“三步走”的战略打下了基础。

        从1985年开始,在持续了8年多的测试论证后,1994年1月北斗一号被正式立项。

        有资料认为,真正使中国下定决心搞自己的卫星导航系统的原因,很大一部分是由于国际局势的变动。上个世纪80年代末90年代初,中美两国关系重回冰点,中国想要应用卫星导航必须依靠自己。同时1991年左右进行的海湾战争中,美军向世界初次展示了GPS在军事领域中的巨大作用,推动了中国加快自己卫星导航系统的发展。

        另一个更重要的原因是在海湾战争中,美国对包括欧洲盟友在内的使用者关闭了GPS信号,这让许多国家意识到,不能依赖于美国GPS系统,必须建设自己的卫星导航系统。如1992年,欧洲宣布启动伽利略计划,建设自己的导航星座。

        三步走的北斗

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

        第一步,1994年至2003年,建设北斗一号系统,后更名为“北斗卫星导航试验系统”,实现卫星导航从无到有,定位精度20米。

        第一步走的重点节点包括,1994年北斗一号系统建设正式启动;2000年发射2颗地球静止轨道(GEO)卫星,北斗一号系统建成并投入使用;2003年,发射第3颗地球静止轨道(GEO)卫星。

        北斗一号系统的建成,初步满足了中国及周边区域的定位、导航、授时需求。使中国卫星导航系统实现了从无到有的跨越,中国成为继美国、俄罗斯之后第三个拥有卫星导航系统的国家。并且在设计中实现了双向短报文通信功能,成为北斗的独创。

        但资料显示,北斗一号系统存在大量缺点。首先它只覆盖了中国及周边,无法全球使用,当时索马里海域护航编队就无法使用北斗进行导航;其二,它是有源定位,需要用户发射信号,系统才能对其定位,用户无法实现无线电静默,这就决定了它不能应用于军事;第三,它的轨道远高于GPS,造成在定位精度上存在较大差距。

        正是在这样的差距下,2003年9月,在欧盟的主动邀请下,中国与欧盟达成合作加入伽利略计划,并计划投入2.3亿欧元支持这一项目。但短短一年,遭遇欧美施加的不公正待遇后,中国渐渐远离了这一计划。

        第二步,2004年至2012年,中国开始建设“北斗二号系统”,服务区域为中国与亚太,定位精度10米。

        2004年,北斗二号系统建设启动。到2012年,完成了14颗卫星的发射组网。这14颗卫星中,有5颗地球静止轨道(GEO,约3.57万km)卫星、5颗倾斜地球同步轨道(IGSO,约3.57万km)卫星和4颗中圆地球轨道(MEO,约2.2万km)卫星。

        同时,在兼容北斗一号有源定位体制的基础上,增加了无源定位体制,仅靠接收信号就能定位。 

        2012年10月25日,第16颗北斗导航卫星发射升空并进入预定轨道,北斗二号部署完成。2012年12月27日,北斗二号正式向亚太地区提供区域服务。

        第三步,2009年至2020年,建设北斗三号系统,实现全球组网,定位精度2.5m-5m。

        北斗三号标称星座一共有30颗卫星,包括24颗中圆地球轨道卫星、3颗地球静止轨道卫星,以及3颗倾斜地球同步轨道卫星。正式开展星座组网之前,北斗三号还发射了5颗试验卫星进行技术验证。北斗三号总共发射的卫星数量达到35颗。

        北斗三号系统继承了北斗一代有源定位和北斗二号无源定位两种技术体制,通过星间链路解决了全球组网需要全球布站的问题。同时在北斗二号的基础上提升性能、扩展功能,为全球用户提供定位导航授时、短报文通信和国际搜救等服务;同时在中国及周边地区提供星基增强、地基增强、精密单点定位和区域短报文通信服务。

        目前,北斗定位由北斗二号和北斗三号系统共同提供,到2020年后,平稳过渡到以北斗三号系统为主。

        到2035年,中国将完成下一代北斗系统星座组网,建设以北斗为核心、基准统一、覆盖无缝、安全可信、高效便捷的国家综合PNT(定位、导航、授时)体系。

        背水一战

        建设如此庞大的空天工程,其中的难度与挑战可想而知。

        北斗卫星导航系统工程总设计师杨长风在接受央视采访时,回忆起发生在2007年时的惊心动魄的一幕。

        2000年4月18日,经过多方努力,中国终于在国际电联获得了北斗二号的轨道位置和频段。不过这些稀缺资源并不是取得之后就可以一劳永逸使用,国际电联制定了一个规则,如果在7年之后,也就是2007年4月18日,还没有发射卫星使用这一频段进行天地通信,那么这个轨道位置和频段将被收回。

        这就意味着,中国的北斗二号系统必须在2007年4月18日前完成发射并开始频率传输。

        但是从2000年到2004年4年时间里,北斗二号一直在做论证工作,同时受到加入欧洲伽利略计划的影响,直到2004年,北斗二号系统才正式启动。

        此时,距离频率申请已过去四年,离最后的时间,只有3年。但在正常情况下,这差不多需要5年的时间才能完成所有工作。

        北斗团队开始与时间赛跑。

        终于在2007年4月,北斗二号系统第一颗导航卫星被装进火箭,准备发射,火箭也已经在发射塔架上。然而在第三次总检查时,团队突然发现卫星应答机异常。应答机主要应用于天地通信,通过它才能知道天地信号可以连通。

        杨长风和同事们面临抉择,如果不进行检修就将这颗卫星发射,有可能出现应答机故障,无法证明真正实现了频率传输,那么已经申请的频率仍有可能被取消;而拿出再检修意味着时间更加急迫,很有可能无法在截止日前完成发射。

        团队最终还是决定将应答机取出修复。留给团队修复的时间,只有短短三天。

        “那三天,说句实在话,心情是紧张、沉重、压力也很大,72小时基本上没合眼。”杨长风回忆。

        2007年4月14日4时11分,这颗经过修复的北斗卫星顺利起飞。4月17日20时许,卫星传回信号。此时距离国际电联的“七年之限”只剩不到4个小时。


        掘金北斗

        5 月 21 日,在全国两会期间,全国政协委员、北斗卫星导航系统工程总设计师杨长风亮相会议首场委员通道。

        据杨长风介绍,北斗系统已经在交通运输、农林渔业、减灾救灾等各行各业得到广泛应用,在疫情防控中也发挥了巨大的作用。

        卫星导航是一个巨大的市场。

        2019年10月,欧洲全球导航卫星系统局发布了2019年全球卫星导航市场报告,预测在未来的十年内全球卫星导航市场将会保持稳定增长。预计到2029年全球卫星导航市场总产值约为3244亿欧元(约2.6万亿人民币),将会比2019年的1507亿欧元翻一番。亚太地区市场容量超过全球一半。

        2020年5月18日,中国卫星导航定位协会也发布了《2020中国卫星导航与位置服务产业发展白皮书》。数据显示,2019年我国卫星导航与位置服务产业总体产值达3450亿元,较2018年增长14.4%。

        而随着“北斗+”和“+北斗”应用的深入推进,由卫星导航衍生带动形成的关联产值继续保持较高速度增长,达到2284亿元。

        白皮书同时显示,截至2019年底,国产北斗兼容型芯片及模块销量已突破1亿片,国内卫星导航定位终端产品总销量突破4.6亿台,其中具有卫星导航定位功能的智能手机销售量达到3.72亿台。我国卫星导航与位置服务领域企事业单位数量保持在14000家左右,从业人员数量超过50万。

        截至2019年第三季度,在中国市场申请入网的手机有400余款具有定位功能,其中支持北斗定位的近300款。

        在面向国内时,北斗也逐渐走向全球。资料显示,国产北斗基础产品已出口 120 余个国家和地区。

        由于在进行设计时重点考虑到国内与亚太区的应用,北斗在亚太大部分地区,每时可见约 12 至 16 颗卫星,全球其他地区每时可见 4 至 6 颗卫星。而亚太区域恰恰又是人口众多、经济发展迅速的地区,这为北斗产业的发展增添了助力。

        “对于北斗而言,研制与发射的挑战已经完成,未来如何在全球推广应用是它面临的更多也更大的挑战。”航天领域专业人士对《中国福利电影家》表示。

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        制作:武昭含  校对:张格格   审校:高欢欢

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