新闻中心HAIGE P.R 核心导读
高科技竞争是大国竞争的集中表现领域。中国北斗导航系统的建立和发展，突破国际高科技封锁，代表自主科技创新的辉煌成果，是中国的大国竞争重器，体现大国崛起战略。北斗三号首发卫星于2017年11月5日发射成功，标志着北斗系统迈进全球组网的新时代。作为世界上第三个具有独立自主导航能力的系统，北斗系统对比美国GPS有何优势？
本文作者徐颖博士是中科院光电研究院导航技术研究室副主任，光电院建院以来最年轻的研究员和博导，在复杂环境下辅助北斗系统实现连续高精度定位的多源融合导航增强技术，在多源信息/信号辅助卫星导航增强方面开展了系统性的算法理论和工程应用研究工作。她授权《pg电子游戏app通信》杂志转载的这篇文章，被称为介绍北斗系统前世今生最详尽之作。
文：徐颖（中科院光电研究院）
曾经，北斗七星闪烁夜空，标识方向，引领着人类“身在何处，心向何方”的最初梦想；如今，北斗系统经天纬地，星耀苍穹，指引着华夏大地的“中国方向”。作为继 GPS、GLONASS（俄罗斯格洛纳斯卫星导航系统）之后，世界上第三个具有独立自主导航能力的系统，北斗导航系统的建立不仅代表了我国航天领域的巨大成就，也充分体现了我国的大国战略。
美国GPS闪耀海湾战争
1991 年爆发的海湾战争不仅改变了世界的格局，也带来了军事领域的巨大变革。当时伊拉克装备了非常先进的坦克飞机，号称“世界第三大军事强国”，但是却遭到以美国为首的北约军事集团以摧枯拉朽之势打得毫无还手之力。在这场战争中，扮演着极为重要甚至是决定性角色是精确制导武器，伊拉克的飞机坦克还来不及离开机场车库就被炸得粉身碎骨，而这一切都仰赖先进的卫星导航定位系统提供的精确定位信息。
当时的 GPS 系统虽然尚未完全建成，但在战争中也发挥了巨大的作用，可谓是“养在深闺人未识，一朝名动天下知”。这场战争直接改变了人们的军事思想，确定了以信息战为基础的现代战争理论。而导航定位技术成为了信息战的核心部分，以 GPS 为代表的卫星导航定位系统具有全天候、全天时、广覆盖、精度高等优点，也成了信息战中的重要组成部分。
美国战斧导弹采用惯性导航加GPS导航技术
除了在军事方面具有重要意义之外，卫星导航定位系统也能为各类民用活动提供了位置信息。同时，其系统本身具备非常高精度的时间信息，也能为电网、通信网、金融系统等国计民生密切相关的行业基础设施提供了严格的时间基准。
作为一个坚持独立自主、和平发展的国家，中国长期受到西方一些势力的孤立和封锁。别国开放的卫星导航定位系统固然可用，但如果对它保持军民体系上的完全依赖，那么等于将国家的军事和经济命脉都放在别国的手中。要想在发展上不受制于人，就必须建设一套属于中国人自己的卫星导航系统。也正是因为同样的原因，俄罗斯虽然遭遇了苏联解体这样的巨大动荡，却从未停止过对GLONASS系统的建设与发展。
欧盟在各种矛盾协调困难的情况下，努力地发展自己的 GALILEO系统，核心目的就是：“使欧洲的经济建立在自己掌握的卫星导航系统的基础之上。”作为一个崛起中的大国，建设独立自主的全球卫星导航系统，不仅可以增强我国军事实力，促进社会的进步发展，也与我国的大国国策相符。
北斗系统的建设目标是：建成独立自主、开放兼容、技术先进、稳定可靠的覆盖全球的独立运行的全球卫星导航系统。北斗系统的建设分为“三步走”，第一步，在 2000 年形成区域有源服务能力，解决我国卫星导航系统的有无问题；第二步，在 2012 年启动区域无源服务能力，能够为我国以及周边地区提供导航定位服务；第三步，在 2020 年左右形成全球服务能力，真正实现从“中国的北斗”到“世界的北斗”。
北斗系统发展战略
目前北斗系统已经完成了“三步走”建设中的第一步和第二步，正在建设北斗全球系统。北斗系统已于 2012 年底正式向我国及周边地区、海域提供定位、测速、授时以及特有的短报文通信一体化服务。目前，北斗系统的定位精度优于10米，授时精度优于10纳秒，测速精度优于 0.2 米 / 秒。
北斗卫星导航系统是中国航天的骄傲，更是中国的骄傲。如同中国改革开放的发展历程，它的建设并非一帆风顺，从中更可以深刻的认识到中国维护民族独立自主的艰巨性和历史意义。
北斗卫星导航系统的建设可划分为“北斗一号”、“北斗二号”和“北斗全球”三个阶段。在不断的摸索和学习中，我们国家对全球定位系统的发展循序渐进，对它的认识也由浅入深。
北斗一号：打破国外卫星导航领域的垄断
早在 1964 年 , 美国就率先发射了世界上第一颗导航定位卫星，开始构建子午仪系统，开始为美国潜艇提供定位导航服务，虽然子午仪的定位误差高达上百米，但仍使美国海军实力突飞猛进。无独有偶，为精确导引弹道导弹，苏联也开始自己的卫星导航系统——蝉系统的研制。
冷战时代，看不见的硝烟四下弥漫，两个国家的军备竞赛你争我赶，异常激烈。早期建设的卫星导航系统都是单星定位系统，那时的定位方式大多采用多普勒定位方法，定位精度极差，难以满足军队对于精度的要求。于是，美国又于 1970 年代初期提出了建设一种新型的卫星导航系统的方案，命名为全球定位系统，也就是 GPS 系统。从 1970 年代末到 80 年代初，美国对该系统进行了试验验证，定位结果出乎意料的精确，远超设计标准。之后，美国开始对该系统进行组网建设，到 1993 年完成了系统的建设，正式投入运行。
面对 GPS 的试验成功，1983 年，陈芳允院士提出了建设基于两颗地球静止轨道卫星的卫星导航系统的构想。这个想法得到了国家的高度重视，并于 1985年成立了论证小组，组织专家进行反复的论证和关键技术攻关。1986 年，双星快速定位通信系统的建议正式提出，这标志着中国的自主卫星导航系统正式开始进行卫星导航系统试验性研究。
北斗卫星平台
1989 年，七部委的相关人员在北京沙河参加了双星快速定位通信系统演示性试验。试验利用我国已发射的两颗通信卫星（DFH-2A）建立双星快速定位通信演示系统，在不足 30 平方米的临时机房中，设置着信号接收和定位计算中心。计算机在一秒钟之内处理完参数，给出了用户所在的精确地理位置，定位精度在 20 米左右，与当时的 GPS 定位精度相当，这表明利用两颗地球同步卫星和用户高程信息对用户位置进行快速测定的体制原理是正确的。新华社第二天就发出了题为《我国卫星通信技术有突破——首次双星快速定位通信演示成功》的新闻，向全世界通报这个消息：“利用两颗卫星将快速定位、通信和定时一体化并获得理想的试验数据，这在国际上还是首次，快速定位精度达到了国际先进水平。”
1993 年 , 双星快速定位系统开始申请立项，并暂取名“北斗一号”。北斗星为我古人指明北极方位，它的寓意与卫星导航系统很贴切，故名之。这就是我国的“北斗卫星导航系统”名字的来历，现在我们称之为“北斗一号”。
1994 年，在历史上非常平常的一年，但是这却是北斗卫星导航系统的诞生元年，北斗卫星导航系统正式立项，中国宣布要建设自己的卫星导航系统了。
时不我待，工程立项之后便开始了如火如荼的紧张建设。双星导航定位系统具有全天候、高精度、快速实时的区域性定位、导航，并兼有简短数字报文通信与授时的功能，是解决我军快速定位问题的有效手段。
该系统将采用地球同步轨道，覆盖我国全境，包括南海海域。由卫星、运载火箭、发射场、测控和地面应用五大分系统组成。地面系统的建设与卫星的研制统筹安排，确保卫星上天后，系统就能投入使用。
经过中国航天人不懈努力和攻坚克难，2000 年 , 首颗北斗导航试验卫星（北斗一号 01 星）在西昌卫星发射中心由长征三甲火箭于凌晨发射升空。当年 12 月，第 2 颗北斗导航试验卫星 ( 北斗一号 02 星 ) 在西昌卫星发射中心由长征三甲火箭发射升空。2003 年，北斗一号 03 星，即系统备份星升空，与前两颗星组成完整系统，正式提供全天候卫星导航信息服务。2004 年，北斗一号正式向军民用户开放使用。这也标志着北斗一号工程圆满成功，基于北斗一号的一系列研究与应用也紧接着展开。
北斗一号的成功，标志着继美苏之后我国也拥有了属于自己的卫星导航系统，成为世界上第三个拥有独立的导航定位系统的国家。北斗一号导航定位系统采取的是有源定位方式（也叫应答式定位），与 GPS的无源定位方式并不完全相同。
北斗一号系统工作时，首先由中心控制系统向卫星 1 和卫星 2 同时发送询问信号，经卫星转发器向服务区内的用户广播。用户响应其中一颗卫星的询问信号，并同时向两颗卫星发送响应信号，经卫星转发回中心控制系统。中心控制系统接收并解调用户发来的信号，然后根据用户的申请服务内容进行响应的数据处理。
与 GPS 系统不同，北斗一号的用户终端并不具备定位能力，所有用户终端位置的计算都在地面控制中心站完成，中心站在定位后可以将位置信息发送出去给用户，也可以由中心站主动进行指定用户的定位，定位后不将位置信息发送给用户，而在中心站保存。因此，控制中心可以保留全部北斗终端用户机的位置及时间信息。此外，地面控制中心站还负责整个系统的监控管理。
北斗二号：自主导航全面快速发展
北斗一号系统的建成，打破了国外卫星导航领域的垄断，用很少的资金投入，解决了我国卫星导航系统的有无问题，具有重要意义。但是由于北斗一号有源系统的原理限制，它存在用户容量受限，会暴露用户位置、精度不高等问题，无法满足社会发展对导航定位日益增加的需求。
在北斗一号成功建立之后，正在着力于构建GALILEO系统的欧盟看到中国在卫星导航方面的出色研究，也向中国伸出了橄榄枝。而我们也很快有了回应，2003 年，我国参与到了GALILEO系统的建设之中。
不过随着中国国力的迅速提高，中国的发展受到了很多国家的警惕，中欧导航系统的合作也很快到头，仅仅 4年后，我国就被排除在重大决策以外。
秉承着中华民族自力更生、艰苦奋斗的传统美德，2004 年，国家批准北斗二号建设任务，中国自主导航全面进入了北斗二号的快速发展时期。
北斗二号示意图
要想建设成功北斗二号无源定位系统，首先必须要突破原子钟的自主生产技术，这是因为要想精确测量出从卫星到用户的传输时间，就需要将所有的卫星测量源统一到同样的时间基准下，这也就意味着需要有高精度的星载原子钟设备。
我国一直以来的原子钟技术依赖于从欧洲进口，2005 年，欧方突然宣布对中国禁运，引进谈判受到无端责难，生产具有自主知识产权的原子钟成为了构建自主知识产权卫星导航系统的必要条件之一。
经过了两年时间的艰苦攻关，我国实现了国产星载原子钟，精度实现了几百万年甚至上千万年 1 秒的时钟漂移，有效地保障了北斗系统的时间基准。北斗系统的工程需求，推动了我国原子钟从研究到产品应用的步伐，现在中国卫星上的原子钟已经实现了全部国产化，从真正意义上打破了西方的技术垄断。
北斗二号系统包括 5 颗 GEO（地球静止轨道）卫星、4 颗 MEO（中高度圆轨道）卫星和 4颗 IGSO（倾斜地球同步轨道）卫星。这是世界上首个混合星座的系统，它能够更好地覆盖我国以及周边地区，为亚太区域定位提供良好的手段。
2007 年，北斗二号首颗卫星发射成功，既保住了我们为北斗系统申请的频率资源，也拉开了北斗二号系统的建设帷幕。
2010 年，接替北斗一号 03 星的北斗二号 G3 星发射成功；G1 卫星、G3 卫星顺利接入北斗一号系统，操作时间比预计缩短一半，系统中断服务仅 1 秒钟，圆满实现平稳过渡。
在 2010 年到 2012 年的三年时间中，北斗二号系统总共发射了 15 颗卫星，还实现了两次一箭双星的发射，这是世界航天史上少有的发射速度，也凝聚着科研人员的集体心血和智慧。
2012 年 12 月 27 日，北斗卫星导航系统新闻发布会在国务院新闻办公室新闻发布会厅召开，宣布北斗系统正式向亚太大部分地区正式提供连续无源定位、导航、授时等服务，同时发布了北斗系统空间信号接口控制文件（ICD）正式版，为北斗系统走向应用提供了开放条件，真正向着从“中国的北斗”到“世界的北斗”迈出了坚实的步伐。
北斗全球系统2020年前后建成
现在，北斗系统已经在抗震救灾、精确授时、老少关爱、保护动物、海洋渔业等方面都有了深入的应用，但北斗仍然没有停止探索的步伐，正在构建北斗全球系统。
北斗全球星座是由 5 颗 GEO 卫星、3 颗 IGSO 卫星和 27 颗 MEO 卫星构成的覆盖全球的系统。目前，已经发射了 5 颗新一代北斗卫星，完成了核心关键技术的攻关，包括技术体制、星间链路等，正在积极推动全球组网建设。预计将于 2020 年前后建成北斗全球系统。
北斗三号首发星于2017年11月5日发射成功
北斗全球系统的建成，将会为北斗带来最好的市场和发展机遇。习主席提出“一带一路”，目的在打造一支以中国 13 亿的市场撬动世界半数人口市场的杠杆，国家将“稳步推进北斗系统走出去”列入“一带一路”战略规划，为北斗系统国际化发展提供了前所未有的发展机遇和广阔平台，北斗系统正在成为代表中国、服务世界的国家名片和民族品牌。北斗系统将于2018年前后发射约18颗卫星，具备为“一带一路”沿线国家提供基本服务的条件。
北斗系统于 2016 年 6 月发布了白皮书，引起了大家对北斗系统的广泛关注。现在北斗系统已经是国际海事组织认可的第三个卫星导航系统；国际民航组织也在积极推动北斗进入到国际民航组织相关标准的论证、研究和试验验证工作；北斗系统已经正式加入了全球移动通信组织的标准；全面支持北斗的 RINEX 3.03 标准已于 2016 年 1 月正式对外公布。此外，《卫星导航条例》已列入《国务院 2016年立法工作计划》，将成为我国首部卫星导航领域的行政法规，保护北斗系统提供可靠服务，提高北斗系统法制化管理水平。
万事俱备只欠东风，北斗系统的全面应用和有序推广的时代即将来临。作为一个开放、学习、包容的大国，中国一直在努力的向世界贡献自己的力量；作为一个开放兼容而独立自主的系统，北斗系统也将持续创新，为中国和世界人民提供更好的 PNT（定位导航授时）服务！
（摘自《pg电子游戏app通信》杂志，原文转载自《中国信息安全》杂志2017年3月刊，编配有改动）
编辑：陈标杰
