徐  颖

■徐 颖（中国科学院空天信息创新研究院导航系统部副主任、研究员、博士生导师）

5月6日，中央和国家机关“强素质·作表率”读书活动2023年第3期（总第155期），在支部工作 APP 首播，随后在“学习强国”学习平台、中国出版集团相关新媒体平台播发，备受关注。

中国科学院空天信息创新研究院导航系统部副主任、研究员、博士生导师，北斗导航系统科学家徐颖以《北斗的建设与发展》为题作主题讲座。中央和国家机关各部门党员干部及家属共700余人参加活动，现场气氛热烈。徐颖用鲜活生动的语言，深入浅出地梳理了人类导航技术的发展历程，讲解了北斗导航系统的建设方案和应用领域，眺望了北斗的未来发展前景，让听众对这一“国之重器”有了较为准确、全面的了解，进一步激发了大家坚持自信自立的底气、骨气和志气。活动现场推荐了国防工业出版社的《北斗导航》、山东文艺出版社的《中国北斗》等图书作为延伸阅读图书，帮助听众深刻领会北斗精神“自主创新、开放融合、万众一心、追求卓越”的价值内涵。

中央和国家机关“强素质·作表率”读书活动由中央和国家机关工委、中央宣传部（国家新闻出版署）主办，已连续举办 15年。今年的读书活动由中国出版集团有限公司承办，中国出版传媒商报社、“学习强国”学习平台协办。配合主题教育工作，读书活动进行了改版升级，重点围绕习近平总书记要求党员干部学习的“经济、政治、历史、文化、社会、科技、军事、外交”等内容推荐好书，并邀请权威畅销书作者作主题讲座，开展书籍导读。将适时举办部级领导干部荐书寄语、电影鉴赏、艺术赏析、参观学习、阅读竞赛等活动，力求把读书活动作为大兴读书学习之风、推动书香机关建设的重要载体，在中央和国家机关营造爱读书、读好书、善读书的浓厚氛围。

人类导航技术的发展

人类从古代到现代都有导航定位需求，哲学上的三问——我是谁、我从哪来、我要到哪去，导航解决的就是我从哪来到哪去的问题。古代人通过什么方式实现导航定位？就是地文导航，即人们最初通过石头、树木、河流、山川等等一系列的地面参照物分辨方向。与之相对应的是天文导航，古人也会通过看太阳、月亮、星星这样的自然天体来判断方向。

指南针的发明，极大拓宽了人类活动范围。近代，人类开始通过地面测量导航设备和导航台站间无线电波的幅、频、相等电参数获得导航信息。此后，人造卫星成为导航台的无线电导航系统。1957年，世界上第一颗人造地球卫星由前苏联发射升空。1958年，美国开始研制“子午仪”卫星导航仪系统，是世界上最早研制并试验成功的全球、全天候卫星导航定位系统；1964年，“子午仪”系统研制成功并投入使用；1967年，“子午仪”进入民用领域。

继美国之后，世界主要强国均在卫星导航系统上投下巨资。1963年，前苏联开始研制与“子午仪”原理类似的“蝉”系统；1979年，该系统建成并投入使用。这是俄罗斯GLONASS系统的前身。

我国的航天事业于20世纪50年代起步。1960年，中国自主研制的第一枚液体燃料推进的探空火箭飞行高度为8公里。同年，我国仿制的第一枚近程导弹发射成功。1970年，中国第一颗人造卫星发射成功。

1973年，美国开始建设第二代卫星导航系统——全球定位系统GPS（Global Positioning System），通过20年的努力，总计耗资200亿美元，于1994年建成，具备在海陆空进行全方位实时三维导航与定位的能力。1991年1月17日海湾战争爆发，以美国为首的多国部队获得联合国授权向伊拉克宣战，历经42天的空袭和100小时的陆战，重创伊拉克军队。那时，美国的GPS系统还没有完全建成，但已经发挥出巨大的军事效应。一系列最新式飞机和精确制导武器多方向、多波次、高强度地持续突袭选定目标。GPS的使用使得盟军在不被敌人发现的情况下穿越沙漠，GPS还提供了每天24小时的二维服务和19个小时的导航定位服务。“远程打击”“精确制导” 等名词在这场战争后为世人所熟知，它还直接影响了军事技术和军事思想领域的发展，带来的变革性影响被统称为“新军事革命”。导航之父帕金森说：“我想要获得的是一种人性化的武器，就是军队能够击中它想要击中的东西，而漏掉它想要漏掉的。我们需要把5颗炸弹投掷到同一个洞里。”卫星导航在现代战争中的重要地位和作用可见一斑。

俄罗斯GLONASS系统尽管遭遇了“过山车”般大起大落的经历，却仍然坚持发展，并规定重点行业使用GLONASS系统。

欧盟在各种矛盾协调困难的情况下，努力地发展自己的Galileo（伽利略）系统，核心目的是“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”。

卫星导航定位系统是一把守护国门的金钥匙，一定要握在自己手中，这是保障国土安全和经济发展的非常必要的依据。

北斗卫星导航系统的建设

北斗，是中华民族的“指极星”，更是 “导航星”。我国对北斗有史上最早的观察记录，很早就开始了对它的利用。《史记·天官书》记载：“分阴阳，建四时，均五行，移节度，定诸记，皆系于斗。” 

从20世纪70年代开始，我国积极探索适合我国国情的卫星导航定位系统的技术途径和方案。1983年，著名航天专家陈芳允院士提出了利用两颗地球静止轨道卫星与地面系统相互配合，实现区域性快速导航定位并兼有通信功能的卫星导航定位系统的方案设想。

1983年，我国第一颗地球同步通信卫星的发射工作紧锣密鼓地开展。同时，专家组基于卫星应用发展考虑，思考的重心向“如何更好地利用发射成功的卫星”倾斜。1985年，双星快速定位通信系统论证小组在跟踪与通信技术研究所成立，开展深入全面论证。

1989年9月，总参、海军、铁道部、交通部等7个部委的相关人员到沙河卫通站观看演示，届时精度在20米之内，与当时GPS的精度相当。新华社第二天发表了题为《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。”

1994年，北斗一号系统启动建设。

2000年10月，北斗一号01星成功入轨。同年12月，北斗一号02星发射成功。 自此中国的导航卫星开始为我国提供导航、定位、授时、通信服务。

2003年5月，北斗一号03星，即系统备份星升空，与前两颗卫星组成完整系统，正式提供全天候卫星导航信息服务。我国成为世界上第三个拥有自主卫星导航系统的国家。

2004年，北斗一号系统正式向用户开放使用。第一代北斗星座接收机是有源的，存在暴露用户位置的缺陷，因而在某些特殊领域里用途受限。北斗系统卫星总指挥表示，“第一代卫星导航系统是起步阶段，用很少的资金投入，打破了国外卫星导航领域的垄断，但由于本身原理上的限制，无法发展成全球卫星系统，所以在第一代导航系统建设同时，开始了第二代导航系统的建设认证。”

北斗系统有四个发展基本原则。第一个原则是自主，坚持自主建设、发展和运行北斗系统，具备向全球用户独立提供卫星导航服务能力。第二个原则是开放，免费提供卫星导航公开服务，鼓励开展全方位、多层次、高水平的国际交流与合作。第三个原则是渐进，分步推进北斗系统建设，持续提升北斗系统服务性能，不断推动卫星导航产业健康、快速、持续发展。第四个原则是兼容，提倡与其他卫星导航系统兼容与相互操作，鼓励国际交流与合作，致力于为全球用户提供更好的服务。

2004年，北斗二号区域系统开始建设，我国卫星导航定位系统走向发展新时期。

2007年，北斗二号系统建设稳健推进，发射了第一颗试验星04星用于接替北斗一号01星，以保证系统连续稳定运行和不间断服务提供。

2009年，北斗二号G2星升空，预备接替已经工作9年的北斗一号02星；2010年，接替北斗一号01星的北斗二号G1星发射成功；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。

平稳过渡后，北斗二号的建设开始着重解决北斗一号的某些不足，其中，星座结构设计成为后期工作的重中之重。美国、俄罗斯的导航系统采用的是中圆轨道，卫星均匀分布在轨道面上，都是MEO卫星。这样的对称星座，轨道面均匀，相位也均匀，是覆盖全球的最优星座。

我国采用了混合星座设计。为什么采用混合星座设计？浩瀚天宇，怎样形成一个能为人类服务的东方星座？照搬在国际上已经较为成熟的轨道设计方案还是重新设计自己的方案？究竟哪一种方案更能适应自己的国情和技术力量？

激烈的争论从最初就存在，但大家共同的心愿都是建成一个性能先进、稳定可靠、开放兼容、覆盖全球的北斗卫星导航系统。我国科研工作者通过实验和计算验证各自的星座设计方案和组网方案，然而，即使是再周密的研究方案，也只是他们心中的理想版本。实际上，关于宇宙应该如何发挥作用的理论化预设往往已经超越了由观察和已知所提供的证据。整个北斗工程的每一步都伴随着挑战人类勇气与智慧的抉择。MEO卫星绕地球旋转，每天只有30%的时间位于中国国土上空，其他时间不能为中国提供服务。所以最终北斗没有以MEO卫星为主，更多采用了倾斜地球轨道卫星IGSO、地球静止轨道卫星GEO。这两种卫星的活动范围，相对固定。GEO同步卫星轨道倾角为0度，相对地面是不动的，但是只用这一种卫星，定位有问题。因为它们有时会处于同一直线，不能计算定点位置。所以还需要IGSO卫星，这也是同步卫星，但轨道倾角是55度。它的轨道呈“8”字形，有70%~80%的时间停留在中国国土上空。用IGSO卫星进行定位，这在世界上是第一次。北斗二号区域星座的结构是“5GEO+5IGSO+4MEO”，这是一个星地一体的卫星网络，对大型复杂星座控制与管理也是确保北斗导航系统可靠性的关键。这样的星座设计可以边建边用、以用促建，对于逐步实现卫星导航的构想是必由之路，也更符合中国国情。无论是美国的GPS、俄罗斯的GLONASS，还是欧盟的Galileo，都只有一种轨道设计，即中圆轨道设计，区别只在于选取3个轨道面还是6个轨道面上。我国的北斗全球卫星导航系统在保留中圆轨道三个轨道面设计长处的基础上，集纳了多种轨道设计优势，是世界导航系统的首创。

2012年10月，第16颗北斗导航卫星由长征三号乙运载火箭送入太空，中国北斗卫星导航定位系统（即北斗二号一期工程）完成组网任务，正式跻身世界四大全球卫星导航系统行列。至此，我国卫星导航系统三步走发展战略实现了第二步战略目标。

自2012年12月27日北斗二号正式宣布提供服务，北斗卫星导航系统已转入系统建设和应用推广并举的新阶段。

分享一个北斗提前发射抢占频率的事迹。2006年2月21日，按照北斗系统建设规划和进展，我国第一颗北斗导航系统卫星使用的卫星网络登入国际电联频率总表。2007年3月26日，北斗一号04星的发射和在轨运行正式启用了该网络。按照国际电联“先占先得”的公约，北斗卫星导航系统频率资料即将到期，必须在2007年4月17日前发射一颗新的卫星，即北斗试验卫星。一纸提前发射北斗试验卫星的命令迅速下达到北斗各大系统。在航天史上，发射计划突然改变并提前是非常罕见的，通常只有推迟发射，没有提前过。在卫星初样研制阶段，卫星系统按照正常要求完成研制工作需要一年时间。然而任务提前，卫星出厂时间必须缩短为六七个月，工厂全体技术人员要抢在卫星出厂之前，完成所有研制与测试。航天型号研制的质量和进度历来就是一对矛盾，随着工程建设不断深入，细节和深层次问题进一步凸显，难点逐渐聚焦。后来解决了进度和质量的矛盾，卫星基本具备了出厂条件。然而，这颗饱含“北斗人”一腔期待的试验卫星在进行出厂测试时，发现有一项参数没有达标。卫星不达标就不能出厂，但是要抢在预定发射窗口期发射，就必须出厂，不得延误。地面运控系统专家和国防科技大学教授根据测试结果，紧密配合，共同攻关，不仅使卫星如期运到发射场，还开创了院校和研制单位共同攻克卫星核心技术难题的新模式。按照计划，北斗二号试验卫星将使用西昌卫星发射中心三号工位进行发射。由于采用远距离测发模式，与旧工位配置有较大差别。当时，运载火箭和卫星系统方面均提出进行发射场合练的要求，却无法提供产品。发射之前不能合练，这在航天史上绝无仅有。多种方案摆在了决策者的办公桌上，最终决定通过建立三维动态模型进行演示、论证，实现对试验卫星使用三号工位模拟仿真，为相关大系统参试人员搭建一个仿真演练平台，降低不开展合练的风险。这是万般无奈之举，却开创了卫星发射史上以模拟仿真代替合练的先河。

一波未平，一波又起。卫星到了靶场，测试完毕，已经装上塔架，技术人员突然发现星上还有故障。拆除卫星，不仅十分危险，而且工程进度已非常紧张，按正常流程拆除、安装卫星需要十几天，显然不可能。但是，不拆除卫星，带故障的卫星即使上了天，也会留下事故隐患。经过研究，运控系统组制定了拆除方案。仅几小时后，卫星就从火箭上拆除下来，技术人员仔细检测，最终解决了问题。在计划发射时间段，卫星又重新安装在火箭上，整装待发。

2007年4月14日4时11分，长征号火箭拖着长长的火焰，直冲蓝天。肩负重要使命的首颗北斗二号卫星成功发射，抢占频率成功！信号传回的那一刻，距离该频率“作废”只剩不到4个小时。正是这次航天史上少有的提前发射，为后来中国卫星导航事业发展奠定了基础。同时，经过艰苦谈判，北斗完成东经140度中日俄三星共位协议续签，为长期实现三星共位提供了坚实基础，建立了频率协调机制。

北斗系统在2010~2012年共发射了15颗卫星，同期美国GPS BLOCK IIR发射组网，用了8年时间才将13颗导航卫星逐一送上太空。

2009年，启动北斗三号系统建设。2020年6月23日，北斗三号系统全面建成。2020年7月31日，北斗三号全球卫星导航系统正式开通。持续提升服务性能，扩展服务功能，保障连续稳定运行。

北斗卫星导航系统的应用和未来

北斗在生活中有哪些应用？比如高精度定位，可以实现分米级的车道级定位；比如交通物流、智能驾考、动物保护、老少关爱、精确授时；比如通信系统、金融系统等等国计民生非常重要的领域。比如短报文功能，在一些无人区或海上，北斗短报文通信可以提供服务。北斗还可以提供抗震救灾通信服务。还有天气监测、森林救火等等比较特殊的应用。

北斗警用位置服务系统，帮助出警时间缩短了近20%；通过一键报备和上岗点名功能，100名以上警力协同任务的点名时间较过去缩短了97%。全国救灾人员与车辆监控系统，通过北斗报灾APP软件与全国报灾系统无缝整合，各级民政部门可利用北斗终端进行救灾物资的查询管理和监控，大幅提升了全国救灾物资管理与调运水平。北斗气象控空系统，为天气预报、气候分析和科学研究提供高空气象观测资料。北斗驾驶员考试培训系统，实时采集考试车辆的高精度位置、转向角度、行驶速度等信息，实现驾驶员考试成绩的自动评判。

北斗系统产品也非常多元化，除了手机、手表，还有各种各样的板卡、芯片、天线，国产化程度已经非常高，形成完整自主产业链。当前，智能手机98%以上的机型支持北斗。

国家“十四五”规划明确提出，深化北斗系统推广应用，推动北斗产业高质量发展。到2035年建设完善更加广泛、更加融合、更加智能的国家综合定位导航授时体系。聚焦“深化应用、融合创新、升级服务”，不断深化北斗应用，向“北斗＋”的产业深度和广度进军，持续推进北斗产业及其关联延伸产业的快速发展。

新时代的北斗精神是16个字——自主创新，开放融合，万众一心，追求卓越。每个北斗人都以北斗为荣，都以能生在这个伟大的时代为荣。我们从老一辈科学家、从“两弹一星”元勋手中接过科研的接力棒，将继续传承北斗精神，也会将这种精神传承下去。让我们一起发扬北斗精神，不断追求卓越，未来终将看到中国屹立在世界科技强国之列。