中国北斗导航系统完成全球组网,26年走过了怎样的传奇之路?

随着北斗三号全球卫星导航系统星座部署全面完成,中国北斗导航“三步走”战略完成最后一步。

随着6月23日“嚞星”(北斗三号最后一颗全球组网卫星)就位,北斗三号全球卫星导航系统星座部署全面完成。

回溯历史,从北斗一号系统的从无到有,北斗二号系统正式提供区域服务,再到北斗三号系统服务全世界,我国自主研发的北斗导航系统完成了非凡之旅,在卫星导航领域书写了一段“东方传奇”。

有人也许会问,不是已经有GPS了吗,为何还要发展北斗?众所周知,GPS是美国一手建设起来的,对其拥有绝对的控制权,任何国家如果依赖GPS,将给国家安全带来极大隐患。这是因为卫星定位系统无论在测绘、勘探、救援等民用方面,还是在追踪、探测、定位目标等军事领域都有着非凡意义。

如此重要的系统怎么能掌握在别国手里?

早在北斗工程诞生之前,我国就曾在卫星导航领域苦苦摸索。作为先驱者,立项于上世纪60年代末的“灯塔计划”虽然最终因技术方向转型、财力有限等原因终止,但它却如同黑夜中的一盏明灯,为中国北斗照亮了未来。

艰难的抉择。

1983年,以陈芳允院士为代表的专家学者提出了利用2颗地球同步轨道卫星来测定地面和空中目标的设想,通过大量理论和技术研究,双星定位系统的概念逐步明晰。接下来的北斗路,是一步跨到全球组网,还是分阶段走?在当时引发了不小的争议。最终,“先区域、后全球”的思路被确定下来,“三步走”的北斗之路计划横空出世。

第一步,建设北斗一号系统,实现卫星导航从无到有。

1994年,北斗一号系统建设正式启动。然而,当时国外对我国技术封锁,国内的部件厂家尚未成熟,北斗一号研制只能在摸索中起步。当时,国产化从北斗一号的太阳帆板做起,那时很多卫星都不敢上,北斗是第一个“吃螃蟹”;之后的国产化攻关更为艰苦,不论是东方红三号平台的横空出世,还是影响长寿命的关键部件,老一辈北斗人逐一攻克。

2000年,随着2颗地球静止轨道(GEO)卫星成功发射,北斗一号系统建成并投入使用。2003年,又发射了第3颗地球静止轨道(GEO)卫星,进一步增强系统性能。北斗一号系统的建成,迈出了探索性的第一步,初步满足了中国及周边区域的定位、导航、授时需求。当时采用的是有源定位体制,也就是说,用户需要发射信号,系统才能对其定位,这个过程要依赖卫星转发器,所以有时间延迟,且容量有限,满足不了高动态的需求。但北斗一号巧妙设计了双向短报文通信功能,这种通信与导航一体化的设计是北斗的独创。

北斗系统独有的短报文通信功能。

北斗一号的建成,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(GPS)、俄罗斯(格洛纳斯)之后第三个拥有卫星导航系统的国家。而此间积累的建设和应用实践经验教训,也为后续北斗建设打下了基础。

北斗系统由空间段、地面段和用户段三部分组成。

第二步,建设北斗二号系统,从有源定位到无源定位,服务区覆盖亚太。

2004年,北斗二号卫星工程正式立项研制。为实现快速形成区域导航服务能力的国家战略,中国北斗人设计了国际上首个以GEO(地球静止轨道卫星)/IGSO(地球同步轨道卫星)卫星为主、有源与无源导航多功能服务相融合的卫星方案,攻克了以导航卫星总体技术、高精度星载原子钟等为代表的多项关键技术。

一直到2012年,8年的北斗二号工程共完成了14颗卫星的发射组网,建成了国际上首个混合星座区域卫星导航系统。14颗卫星中,有5颗地球静止轨道(GEO)卫星、5颗倾斜地球同步轨道(IGSO)卫星和4颗中圆地球轨道(MEO)卫星。

北斗系统中的卫星三兄弟。

北斗二号系统在兼容北斗一号有源定位基础上,增加了无源定位体制。也就是说,用户不用自己发射信号,仅靠接收信号就能定位,解决了用户容量限制,满足了高动态需求。北斗二号系统的建成,不仅服务中国,还可为亚太地区用户提供定位、测速、授时和短报文通信服务,北斗系统也成为国际卫星导航系统四大服务商(美国全球定位系统GPS、俄罗斯“格洛纳斯”系统、欧洲“伽利略”系统、中国“北斗”系统)之一。

第三步,建设北斗三号系统,实现全球组网。

2000年成功研制我国第一代导航卫星试验系统,2012年成功建成国际上首个混合星座区域卫星导航系统,北斗导航“三步走”战略顺利完成前面两大步。

就在北斗二号正式提供区域导航定位服务前,北斗三号全球导航系统在2009年启动,确定了建设“独立自主、开放兼容、技术先进、稳定可靠”的全球卫星导航系统发展目标,系统建成后性能与GPS相当,使我国卫星导航系统达到国际先进水平。

站在前两代星座的肩膀上,北斗“第三步”迈得无比自信,建立了器部件国产化从研制、验证到应用的一体化体系,彻底打破了核心器部件长期依赖进口、受制于人的局面。到2020年,共完成30颗卫星发射组网,全面建成北斗三号系统。这30颗卫星中,有3颗地球静止轨道(GEO)卫星、3颗倾斜地球同步轨道(IGSO)卫星,和24颗中圆地球轨道(MEO)卫星。这次刚刚发射最后一颗卫星,是地球静止轨道(GEO)卫星,也是北斗全球卫星导航系统星座部署的收官卫星。

北斗三号系统继承了有源定位和无源定位两种技术体制,并通过“星间链路”——也就是卫星与卫星之间的连接“对话”。“星间链路”中国北斗的一大创举。由于我国北斗系统不能像美国GPS那样,在全球建立地面站,为了解决境外卫星的数据传输通道,北斗三号研制团队攻克了星座星间链路技术,采取星间、星地传输功能一体化设计,实现了卫星与卫星、卫星与地面站的链路互通,这就是说,虽然“看不见”在地球另一面的北斗卫星,但用北斗卫星的星间链路同样能与它们取得联系。

中国北斗通过“星间链路”实现“手拉手”。

值得一提的是,为了提高服务精度,北斗三号还配置了新一代原子钟。原子钟是利用原子跃迁频率稳定的特性保证产生时间的精准性,目前国际上主要有铷原子钟、氢原子钟、铯原子钟等。我国北斗卫星采用铷原子钟,同时还配置了性能更高的新研国产氢原子钟。星载氢原子钟的在轨应用,实现了北斗导航定位“分秒不差”。

北斗三号在北斗二号的基础上,进一步提升性能、扩展功能,为全球用户提供定位导航授时、全球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。可以说,今日之北斗,已取得令世界航天界瞩目的成就,“三步走”的战略路径,也从“梦想在望”变成“梦想在握”。

目前,北斗服务由北斗二号和北斗三号系统共同提供,2020年后将平稳过渡到以北斗三号系统为主提供。展望未来,我国计划到2035年,以北斗系统为核心,建设完善更加泛在、更加融合、更加智能的国家综合定位导航授时体系。

链接:中国北斗传奇之路

1994年北斗一号系统工程立项。

2003年北斗一号系统建成,我国成为继美、俄之后第三个拥有自主卫星导航系统的国家。

2004年北斗二号卫星工程立项。

2012年成功建成国际上首个混合星座区域卫星导航系统,北斗卫星导航系统正式提供区域服务,北斗系统成为国际卫星导航系统四大服务商之一。

2009年12月北斗三号立项。

2018年12月27日,北斗三号基本系统正式向“一带一路”及全球提供基本导航服务,中国北斗距离全球组网的目标迈出了实质性的一步。

2019年12月底,全球系统核心星座部署完成,对北斗导航系统全球组网的顺利完成具有里程碑式重要意义。

2020年6月23日,第55颗北斗导航卫星成功发射,北斗三号全球卫星导航系统星座部署全面完成。

未来计划,到2035年,以北斗系统为核心,建设完善更加泛在、更加融合、更加智能的国家综合定位导航授时体系。

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