【航天甲子年50讲】 25 北斗导航卫星发展历程

【航天甲子年50讲】 25 北斗导航卫星发展历程



文:晟宇(视频讲解)

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前言


聊到中国自己的导航系统北斗,我的内心是非常激动,很很多大型的工程一样,北斗导航卫星系统的建设是中国航天人创新、拼搏、奉献的过程,是展现中国人,中国的科研和技术工作者的勇气、决心、毅力的集中体现。是我们所有中国人能够为之骄傲和自豪的重要成果之一。


导航卫星系统对于一个国家的重要性不用多言,我们国家从意识到这个国之重器的重要性到下定决心建设,从摸索到曲折艰辛的发展,再到步子走稳后来崛起,让人回想起来心潮澎湃。




渴望萌发到惊醒


其实随着美国的GPS和苏联的GLONASS系统的发展,我们国家其实在八十年代就已经开始感觉到导航系统对于一个国家的重要性。但是当时的情况是对于这个认识的重要性还不是很强,一方面由于我们国家在这个方面的基础非常薄弱,一方面是GPS的应用远不像今天这么普遍。我还记得我上大学时的实践课还拿着手持GPS对每个测点进行位置的记录,而现在我们身边的手机,手表都能接受导航信号,进行定位。


在漫长的论证期间,我们见证了美军在在海湾战争中的压倒性优势,其中GPS作为高精度的时空基准基础设施,为美国进行高精度的准确打击提供基础支撑。使得美国获得了第二次抵消的战略优势,利用这些指哪打哪的武器完全抵消掉了数量的优势,在很小伤亡的代价下赢得了战争。这对我们来说是非常震撼的,导航系统的重要性异常凸显。这也算是我们下定决心开始建设导航系统的契机之一。


同时日渐浮现的问题还包括对于GPS系统的依赖越来越严重,大量设备依靠GPS来进行定位完全丧失了主动权。这也是作为一个需求长期发展的大国不能接受的现实。这些原因都让我们虽然面对着巨大的困难,但是依然要搞北斗导航系统的原因。




简要历程


北斗导航系统的建设大概可以分成三个阶段,第一个是北斗一号,也是早期的试验卫星,从八十年代开始论证,到九十年代启动工程,十多年快二十年的发展,才有最早的试验系统。


后来是进一步扩展的北斗二号系统,实现了区域的覆盖,体制上也在向GPS这样的先进系统靠近。


接下来就是现在真正建设的北斗三号,预计在2020年全面建成实现和GPS、GLONASS等系统一样的全球覆盖导航服务。


整个北斗导航系统,不但包括了空间段的卫星,也包括了地面的站点,导航芯片、终端等等一个庞大的系统和产业链条。



艰难中摸索建设实验系统


由于很多条件都还不具备,建设的条件有限,因此实验系统采用了双星定位的体制,开启了北斗卫星系统工程研制的时间线。


北斗一号发射的是同步轨道上卫星,只要两颗星就可以实现定位,但是无法确定高程,所以用户要带高程仪并和卫星进行通信来进行最终的定位。


北斗一号卫星存在着很多问题,例如精度有限、覆盖区域等,在技术上也处于一个过渡的阶段,但是却是突破壁垒迈出的坚定一步,奠定了后面发展的基础。



发展还要靠自己


意识到导航系统重要性的不止是中国,欧洲也发现了导航卫星的关键作用,所以提出了伽利略计划。欧洲作为航天的重要区域,有着丰富的技术储备和能力积淀。


为了获得多方资源,欧洲向中国打开大门,我们也希望的合作的过程中学习先进技术、尤其是像原子钟这种导航系统的核心单机技术。然而事实证明欧洲人还是太老道了,在我们大方地将小一亿欧元爽快地打过去后,在实际的工作中却总是被排挤在外围。


所以关系到国家重大发展的领域,没有谁能依靠,只能靠自己。自己走出的道路才最坚实。



自力更生


自力更生非常不容易,北斗导航二号开始卫星想着无源系统发展,从简单的实验系统向提供区域服务发展。而更为关键的是留给我们的时间并不多。


对于导航卫星来说最为重要的就是频率资源,较好的频段都被GPS和GLONASS系统所使用,伽利略和中国同时在国际电联ITU进行了频率的备案。本着所谓先到先得的所谓“公平”原则其实丛林法则的规定,我们必须赶在备案失效前完成对卫星信号的接收。


最终在 2007年4月16日失效前的4个小时,地面接收到了北斗二号的信号,使得我们保住了珍贵的频率资源,虽然和伽利略系统一直存在争议,但是几经波折也走上了兼容的道路。


事实证明离开合作独立发展的路线是对的。首先是合作者并不是真心合作,其次是欧洲虽然技术坚实,但是效率较低,又是多国合作,难免有很多内部的问题需要消化,所以我们在稳步发展的过程中逐步超过了欧洲,后来者居上。




稳扎稳打&快速推进


拼搏的过程中,我们突破了导航系统的许多关键技术,实现了自主的研发。并且在建设全球系统的道路上越走越快,预计在2020年实现对全球的覆盖,成为服务全球的导航系统。






晟宇所在的中科院微小卫星创新研究院就承担着国家导航卫星的建设任务,虽然不在导航的队伍里。但是这支队伍是非常有特色,他们年轻,但是他们敢于也愿意拼搏。不断地攻关,创新使得这支队伍快速成长,担负着越来越密集的任务,依然保障每个任务的顺利完成。


相信我们的北斗导航系统到2020一定能顺利建成,期待那一刻!


下一期我们重新来聊聊卫星,来个重要卫星平台的巡礼。


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张晟宇- 中科院微小卫星创新研究院高级主管 | 到「在行」来约见我www.zaih.com图标