北斗科普专题 | 问天征程的开始

    过去的70年，中国取得了举世瞩目的成就。其中，北斗卫星导航产业实现了从0到1，从1到N的飞速跨越，北斗芯片技术也跃居全球前列阵营。不久前，第47、48颗北斗导航卫星发射成功，北斗全球组网开始从基本系统向完整系统过渡和升级，北斗正式进入高密度发射阶段。

    关于“北斗”一词，我们不止一次在新闻、报刊等信息中看到，但很明显的一个现象是，大众似乎对它若即若离。其实，小编想要告诉你的是，北斗离我们并不那么远，它早已闯入、影响并且改变着我们的生活。

    此次的北斗专题，我们将分四期，带你看一看关于北斗的前世与今生，以及它与我们的联系。

    2008年的汶川地震，北斗一号为灾区指挥提供了及时准确的信息支援，在通信尚未恢复、信息不通的情况下，实现了各点位之间、点位与北京之间的直线联络。同时，北斗一号还用于奥运安保车辆位置监控系统，确保北京奥运会顺利进行。

    此外，它还在其他领域产生了益处，东北、新疆的田间正因北斗的存在，人员作业效率和产量收入提升了；海南上万只渔船部署了北斗载船终端，从根本上解决了船位检测、险情通报、海上救援等问题；长江三峡水情遥测系统、金沙江水情自动测报系统因北斗的出现，让困难的水文信息报知问题顺利解决……

    探寻宇宙世界，中国人一直保有好奇之心。在改变未来和探索世界臻美的路途中，我们一直不忘一个长征导向——中国的北斗，世界的北斗。在这样一个伟大愿景的指引下，如今跻身世界前列的北斗是怎样历经这段跟跑、并跑、领跑的征程？本次北斗专题，我们一起了解一下。

萌芽：觉醒时分

    1957年，在苏联发射了世界上首颗人造卫星后，美国也盯上了空间领域，开始启动GPS计划，在1964年提供了全球导航服务。美国一开始的想法是用于核潜艇开发，但这个出于领域的目的后来却在民用领域深得人心。

    大众对于GPS的接触更多是手机里的各类地图，我们利用GPS进行路线规划，寻找去处；在汽车驾驶中利用GPS引导我们到达目的地等等，作为卫星导航代表之一的GPS，也常常成了提高现代影视科技感的选择之一。

    中国作为一个有抱负心的大国，同样处于60年代的我们又在干嘛呢？其实在那时，我们为了探寻空间领域，开始从“灯塔计划”着手，但因财力现状和社会环境等因素的影响，此计划未果而终。

    这个探索的想法并没有因此而停息，到了70年代的“新四星”计划，中国开始对全球系统进行设想、论证与再论证。1983年，“两弹一星”中科院院士陈芳允提出双星定位设计方案，之后展开了双星定位演示验证，由于各种客观原因的限制，卫星定位工程再次被搁置了。

    万物不是在沉默中爆发，就是在沉默中灭亡。1991年是个转折点，一场发生在美国与伊拉克之间的海湾战争给世界带来了很大的震撼，美国利用GPS系统在战斗中成功取胜，这场战争的爆发开始展现出了GPS的强大威力。

    短短两年后， “银河号” 事件爆发了，美国无端指控中国运往伊朗的货轮，要求停船检查，在反抗过程中，美国强行关闭了GPS导航服务，航行的“指南针”没了，货船也不知该往何方行驶。

    GPS的诞生，对于人类世界来说是件好事，全球都可以免费享用到，但同时GPS又存在划分，我们日常使用到的是民用版GPS，与军方使用的GPS相比，在其精度上却相差一大截。如果我们一直坚持使用GPS，将会在依赖与威胁的夹缝中生存，像吸毒者那样不能自拔。这种受制于人的恶果我们当然不想再次遭遇，搁置了十年的卫星探索重新正式启动了。

彷徨：备尝艰苦

    万事开头难，北斗一起步就经历“拦路虎”。首先，当时的国外对我国进行了严格封锁，得不到任何外力的帮助，想要开启这场征程，我们只能自立自主，这个过程让北斗的研制周期延长了。当时国内的行业人才特别匮乏，没有一家院校开设卫星导航课程，研究卫星导航的人员寥寥可数。其次，经费捉襟见肘，在研制北斗一号期间，两颗试验卫星的经费是在压缩其它卫星的情况下挤出来的。更为关键的一点是，研制北斗一号时，卫星的频率资源受限，适合的卫星空间频率几乎已被卫星导航大国瓜分殆尽。

    探索的脚步还能迈出去吗？我们的答案是选择破浪前行。中国在加入自主卫星导航俱乐部的路途中，面对美国强大的GPS定位系统，当时产生了许多争议，情况众说纷纭，究竟是从全球组网开始，还是分阶段进行，启程的脚步又该怎么走？问题一直不曾停息。

    从双星定位伊始，论证阶段就历经了艰难的时间过程，北斗研究在经济、技术、设备、人才、经验的储备上是呈现困乏状态，一切几乎是空白。如果建设全球组网，需要花费大量的时间和资金，各方面都是挑战，对于刚刚开放的中国来说，需求主要集中在国内和周边地区，征程的脚步还得按适合的计划的走。经过一段争议后，在北斗一号卫星总设计师范本尧院士的带领下，将“先区域，后全球”的思路确定了下来，“三步走”的战略也由此展开。

启程：步伐从0到1

    北斗一代的开始是在疼痛中慢慢萌发的。1993年，我们提出了卫星总体方案，初步确定卫星状态和总体指标。在1994年，经国家批准后，中国卫星导航系统——北斗计划正式立项。

    在第一步战略中，北斗一号系统由3颗导航定位卫星组成，前两颗工作卫星发射于2000年，第三颗备用卫星发射于2003年，三颗卫星形成了区域有源服务能力，开始初步具备中国周边地区的定位能力，中国在此时有了首个卫星定位系统，改变了原本只能依靠GPS传递信息的现状，就此打破了美、俄领域的垄断。在2003年12月，北斗一号系统正式开始向国内用户提供服务，此刻举国同乐。

    这场启程的经历算得上是涅槃重生。北斗系统在建设初始就面临了“扎根”问题，根据国际规则，导航卫星发射上天需要有合法的轨道位置和频率。由于GPS和GLONASS系统建设较早，不存在频率冲突问题，到了北斗和Galileo系统建设时，频率争夺就变得紧张了，Galileo系统提前申请了频率资源，并发射了卫星占领轨道，而北斗系统尚未开始研发，频率就已被瓜分的所剩无几了。

    当时的情形让所有研究人员都心急如焚，经过复杂的频率设计和周密的干扰仿真计算，中国工程院院士谭述森提出了卫星导航频谱公用与兼容性评估准则，这期间经历了与十几个国家的300多次艰难谈判，在2000年，国际电联批准了中国申报的全球导航卫星频率和轨道，北斗系统进入了国际电联的频率总表，争取到了轨道位置和频率资源，正式取得合法地位。启程的第一步，我们做到了从无到有。

前进：破浪后的诟病

    北斗一号的诞生，随之而来的是诟病不断。在说诟病前，需要先提及一下GPS。美国在研究GPS时，明确了一个问题，就是卫星站轨，理论上三个卫星就可以覆盖全球，到底在低、中、高的哪个轨道合适呢？

    若选用低轨道，发射成本低，精度高，但需要200颗卫星覆盖，工程大且不易负担；若选用低轨道，三颗卫星就能搞定，但发射难度大，精度低。选用中轨道，覆盖全球只需24-36颗卫星，由于轨道是运动的，即使地面的物体静止，相对卫星的速度也很大。综合考虑，美国选择了24颗卫星的中轨道星座，在1978年发射了第一颗，全系统于1995年投入运行。

    对于当时的北斗而言，只有两个卫星工作，如何像GPS那样达到中轨道，实现和它相同的功能？当时的我们当然没有办法做到。我们试想了低轨卫星，但覆盖面积会变小，这样一来，两颗卫星有很大的概率只会在中国区域之外飞行，对于中国地区的用户来说，就没法正常使用。

    轨道弄高，可以吗？根据战略走，我们当时做了静止的高轨道卫星，可以覆盖中国地区，两颗工作卫星静止，虽然能像国际通信卫星那样做到通信功能，但通讯资源需要让定位数据传送，通信的资源会变小，不能实时语音通话，只能做到短信通讯，其通信功能是不及国际通信卫星的。由于轨道高，地面被测物体对于卫星的相对速度就低，定位精度远不及GPS。

    面对形如巨人的GPS，身为孩童的北斗一号是无法一口气吃成一个胖子的。北斗一号的出现对于我国卫星导航系统的发展来说，已经是一个成功的里程碑了。虽然此时北斗1号的缺陷明显，卫星颗数不多，能力也有限，但本身带有的短信通讯功能是当时的GPS不具备的。因此，这已算是一个进步的工程了。

下一代的北斗二号，我们的脚步又经历了怎样的故事？下一期告诉你答案。

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