張毓書

我們知道，定位導(dǎo)航的功能在今天擔(dān)負(fù)著人類生活當(dāng)中極為重要的角色且不可或缺。古往今來，人們一直都在不斷地探索、開發(fā)、創(chuàng)造更有利的條件讓它更好更高效地為人類服務(wù)，并幫助滿足人們生活中的各式需求。但若說起定位導(dǎo)航存在的具體概念卻模糊不清，那么其具體工作有哪些？是由怎樣的系統(tǒng)模式所產(chǎn)生？如何演變？未來，又會有哪些進(jìn)步完善，從而更好地服務(wù)新發(fā)展呢？隨著中國重器北斗衛(wèi)星定位導(dǎo)航的崛起，我們靠近它、走近它，來傾聽“它的訴說”……

定位導(dǎo)航授時，人類的基本需求

概括來說定位導(dǎo)航就是以捕捉時空信息為基石的一種工作，是人類的基本需求。

所謂時空，主要包括三個方面的內(nèi)涵：定位、導(dǎo)航與授時。

定位，就是指能夠提供精確的二維或三維位置和方位的能力；導(dǎo)航，是指通過確定當(dāng)前位置和目的地位置，并參考地理和環(huán)境信息，修正航線、方向和速度，以抵達(dá)目的地的能力；授時，就是得到并保持準(zhǔn)確和精密時間的能力。

人類在社會生活中的任何工作都離不開定位。

在上古時代，所用的導(dǎo)航方法是通過識別自然現(xiàn)象或人為標(biāo)記來指引路線。日月星辰、起伏的山巒、疊起的石堆、刻痕的樹木等，便是早期人類出行認(rèn)路的“參考點”。隨著人類活動范圍的擴(kuò)大，導(dǎo)航的技術(shù)方法、手段和儀器也隨之豐富。早在我國戰(zhàn)國時期，就出現(xiàn)了“司南”這種指示方向的工具，北宋時期又發(fā)明了指南針，這些工具很快就被應(yīng)用到軍事、生產(chǎn)和日常生活等方面。明初，航海家鄭和“七下西洋”，寶船及船隊安全往返，指南針起到了決定性作用。

進(jìn)入到航海時代，光知道方位是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的了，人們利用星盤、六分儀等儀器，測量恒星或太陽的角度和方位，配合指南針等工具可以確定方向和緯度。18世紀(jì)，木匠出身的哈里森父子經(jīng)過數(shù)十年、兩代人的努力，發(fā)明制造了精度較高的航海鐘，才確定了相對準(zhǔn)確的海上經(jīng)度。自此，人類才擁有測量方位、緯度和經(jīng)度的導(dǎo)航技術(shù)。這個階段，主要依賴于天文觀測和航海鐘，定位精度比較粗略，大約十幾公里的誤差，觀測時間長，易受天氣影響，但已滿足航海的基本要求。

進(jìn)入20世紀(jì)后，短短的幾十年間，人類經(jīng)歷了兩次世界大戰(zhàn)，坦克、潛艇、飛機(jī)、導(dǎo)彈陸續(xù)投入使用，進(jìn)入海陸空三軍聯(lián)合作戰(zhàn)時期。這個時期，對定位、導(dǎo)航乃至授時，提出了更高的要求，要求能夠?qū)崿F(xiàn)全天候、大范圍、快速、連續(xù)、高精度的作戰(zhàn)。也是在這個時期，無線電發(fā)明了。電磁波在均勻介質(zhì)中沿直線傳播、速度恒定，遇到障礙物或介質(zhì)變化有反射和折射特性。能否利用無線電波進(jìn)行導(dǎo)航呢？科學(xué)家們的探索隨之開始了。1906年，無線電測向儀制造成功，1921年出現(xiàn)無線電信標(biāo)，1937年雷達(dá)開始在艦船上用作導(dǎo)航手段。第二次世界大戰(zhàn)中后期，陸基無線電導(dǎo)航系統(tǒng)得到迅速發(fā)展，通過測量無線電導(dǎo)航臺發(fā)射的信號，可以確定運動載體相對于導(dǎo)航臺的方位、距離、距離差等幾何參量，從而確定運動載體與導(dǎo)航臺之間的相對位置關(guān)系，據(jù)此對運動載體進(jìn)行定位、導(dǎo)航和授時。相比航海時代，這個時期的導(dǎo)航技術(shù)已經(jīng)有了很大程度上的飛躍，定位精度大約為100至200米，覆蓋范圍千余公里。導(dǎo)航技術(shù)的應(yīng)用，也從陸地、海洋走向了天空。至今，仍然有很多無線電導(dǎo)航技術(shù)作為主要手段或者作為輔助手段在使用，比如飛機(jī)著陸用的儀表著陸系統(tǒng)和羅蘭-C系統(tǒng)。

二戰(zhàn)后“子午儀”的誕生，為后續(xù)“全球定位系統(tǒng)”的建設(shè)奠定了基礎(chǔ)

二次大戰(zhàn)后，人類進(jìn)入相對和平的發(fā)展時期。但是戰(zhàn)略威懾、軍事應(yīng)用仍然在推動導(dǎo)航技術(shù)的持續(xù)發(fā)展。美國在1957年開始研制戰(zhàn)略導(dǎo)彈核潛艇，同年前蘇聯(lián)向太空發(fā)射了第一顆人造地球衛(wèi)星。這兩個國家研制的不同裝備，看似沒有關(guān)聯(lián)，但卻有著驚人的耦合。美國的核潛艇要在全球巡邏和作戰(zhàn)，怎么樣能夠?qū)崿F(xiàn)全球、全天候、連續(xù)、準(zhǔn)確的定位和導(dǎo)航呢？陸基無線電導(dǎo)航的覆蓋范圍有限，已經(jīng)不能滿足要求。蘇聯(lián)的衛(wèi)星發(fā)射，給了美國人很好的啟示。在觀測這顆衛(wèi)星信號的過程中，人們發(fā)現(xiàn)：在位置精確已知的觀測站，利用測量得到的衛(wèi)星信號多普勒頻移可以確定衛(wèi)星軌道；反之，如果衛(wèi)星軌道已知，通過測量衛(wèi)星信號的多普勒頻移，就可以確定地球上接收機(jī)的位置?；谶@個發(fā)現(xiàn)和推論，1964年誕生了第一代導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)——美國海軍導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)。由于衛(wèi)星軌道與地球子午圈重疊，又稱為“子午儀”系統(tǒng)。這個系統(tǒng)，將導(dǎo)航臺放置在衛(wèi)星上，在地球表面任何地方、任何氣候條件下，一小時內(nèi)均能測定位置，精度與觀測次數(shù)有關(guān)，精度在1至500米之間。

“子午儀”系統(tǒng)的成功應(yīng)用，在美國海、陸、空三軍中掀起了衛(wèi)星導(dǎo)航熱。經(jīng)過詳細(xì)的論證，1973年美國啟動GPS計劃，1995年達(dá)到完全運行能力，標(biāo)志著一個革命性的全新導(dǎo)航時代的到來。GPS系統(tǒng)的特點鮮明，它用24顆衛(wèi)星實現(xiàn)了全球性覆蓋和全天候服務(wù)，可實時動態(tài)地提供十米級至厘米級的定位、導(dǎo)航和授時一體化服務(wù)，充分體現(xiàn)了航天技術(shù)的魅力和其它導(dǎo)航方式難以比擬的優(yōu)越性。

北斗衛(wèi)星與其他三大全球?qū)Ш较到y(tǒng)競相發(fā)展

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)包括三個基本組成部分：空間段、地面段和用戶段。空間段就是導(dǎo)航衛(wèi)星星座，向地面連續(xù)地廣播無線電導(dǎo)航信號。地面段包括監(jiān)測站、主控站和注入站，負(fù)責(zé)監(jiān)控導(dǎo)航衛(wèi)星，計算衛(wèi)星軌道參數(shù)和鐘差，并注入到衛(wèi)星中。地面段就是用戶接收設(shè)備，就是我們經(jīng)常說的接收機(jī)，比如手機(jī)、專用終端等。衛(wèi)星導(dǎo)航的基本原理是：以導(dǎo)航衛(wèi)星為參照物，通過測量接收機(jī)與衛(wèi)星之間的距離，運用三球交匯原理，解算用戶的三維位置。

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的主要功能是定位、導(dǎo)航、授時、短報文，其中短報文是北斗的獨有功能。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的特點是高精度、高動態(tài)、實時性、連續(xù)性、全天候、全球性，單機(jī)實時定位精度可以達(dá)到十米左右，差分后可以達(dá)到分米級、厘米級甚至毫米級，定位頻率可從每秒一次到幾十次，可以滿足我們絕大一部分的應(yīng)用需求，比如，車輛導(dǎo)航、板塊監(jiān)測、城市測繪、武器制導(dǎo)、精確授時等等。

正是因為衛(wèi)星導(dǎo)航有這些顯著的優(yōu)點，使得大家都想擁有這種服務(wù)。目前，世界衛(wèi)星導(dǎo)航的格局，已經(jīng)從美國GPS一枝獨秀，演變?yōu)槊绹癎PS”、俄羅斯“格洛納斯”（GLONASS）、中國“北斗”（BDS）和歐洲“伽利略”（Galileo）四大全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)競相發(fā)展的局面。這四大系統(tǒng)現(xiàn)在或建成后覆蓋全球，因此稱為全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS）。區(qū)域系統(tǒng)還有日本的準(zhǔn)天頂系統(tǒng)（QZSS）和印度的區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（IRNSS）。

四大全球系統(tǒng)中，美國的GPS建設(shè)最早，發(fā)展比較順利，1995年后維持全運行能力，是當(dāng)前技術(shù)最為成熟、用戶最多的系統(tǒng)，目前正在開展現(xiàn)代化工作。俄羅斯始于蘇聯(lián)時代的GLONASS緊隨其后建設(shè)，歐洲在2000年啟動Galileo系統(tǒng)建設(shè)。我們的北斗系統(tǒng)，從2000年以來一直保持很好的發(fā)展態(tài)勢。四大系統(tǒng)，既有競爭，也有合作，相互促進(jìn)，共同為人們提供更好的導(dǎo)航服務(wù)。

2020年是一個很重要的時間節(jié)點，GPS完成了現(xiàn)代化，GLONASS完全了復(fù)蘇，北斗也建成了全球系統(tǒng)，Galileo按計劃完成建設(shè)，到那個時候，將是一個“群星璀璨”的導(dǎo)航時代，圍繞地球，將有140多顆導(dǎo)航衛(wèi)星，在任何一個戶外地點觀測到幾十顆衛(wèi)星將是家常便飯。我們的定位、導(dǎo)航的精度、可用性、連續(xù)性、完好性都將得到很大的提升。

“三步走”發(fā)展戰(zhàn)略鑄就磅礴航天工程

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)，是一項磅礴、恢弘的航天工程，天上幾十顆衛(wèi)星，地上幾十個地面站，還有數(shù)十億級的用戶在線使用，要把系統(tǒng)建設(shè)、運行、維護(hù)、應(yīng)用好，需要制定嚴(yán)密細(xì)致的計劃。

在我國由“大起來”邁向“強起來”的歷史進(jìn)程中，北斗系統(tǒng)按照“三步走”發(fā)展戰(zhàn)略，和“先區(qū)域、后全球，先有源、后無源”的發(fā)展思路進(jìn)行實施。

中國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)管理辦公室主任冉承其在《北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)與發(fā)展》的報告中詳細(xì)地闡述了北斗系統(tǒng)的現(xiàn)狀和未來發(fā)展規(guī)劃，并普及、公開了北斗系統(tǒng)的“三步走”發(fā)展戰(zhàn)略。

第一步，2003年建成了北斗試驗系統(tǒng)，即北斗一號。全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)一般需要30顆以上的衛(wèi)星組成星座，要解決十分復(fù)雜的工程難題；此外，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)投資巨大，一經(jīng)建成，一定要投入廣泛應(yīng)用，發(fā)揮效益。從2000年到2003年，我們共發(fā)射了3顆GEO衛(wèi)星，其中一顆是備用星。北斗一號的建設(shè)，標(biāo)志著我們國家成為世界上第三個擁有自主衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的國家，使我們成功躋身于衛(wèi)星導(dǎo)航這個行列中。

我們的第一步就是先探路，花很少的錢，建設(shè)需要衛(wèi)星數(shù)量很少的試驗系統(tǒng)，驗證系統(tǒng)設(shè)計思想的正確性。通過北斗一號的建設(shè)和應(yīng)用實踐，逐漸建立北斗的科研隊伍，包括衛(wèi)星、火箭，尤其是非常重要的地面段的運行控制、應(yīng)用推廣，為后續(xù)工程的建設(shè)打下扎實的基礎(chǔ)。

第二步，2012年前建成北斗區(qū)域系統(tǒng)，即北斗二號。北斗一號解決了我國在衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域“有無”的問題，積累了經(jīng)驗和技術(shù)，也取得了很好的應(yīng)用。但北斗一號是有源系統(tǒng)，這就導(dǎo)致我們的用戶機(jī)個頭大、功耗大、易暴露，在定位、導(dǎo)航的精度、連續(xù)性、實時性、覆蓋性上，與我們快速增長的應(yīng)用需求還存在較大的差距。因此，我們要把區(qū)域有源試驗系統(tǒng)發(fā)展成區(qū)域無源系統(tǒng)，在保留北斗特色的同時，進(jìn)一步提升北斗的性能。

北斗二號首創(chuàng)了三種衛(wèi)星的混合星座——用5顆GEO衛(wèi)星、5顆IGSO衛(wèi)星和4顆MEO衛(wèi)星組成我們的北斗星座，不但保留了北斗一號的技術(shù)能力，還可以優(yōu)先服務(wù)我國及周邊，最終走向服務(wù)全球。

冉承其如是告訴大家，北斗二號于2012年12月27日正式提供服務(wù)，運行已有5年半，系統(tǒng)總體運行穩(wěn)定可靠，服務(wù)性能滿足承諾指標(biāo)要求，從未發(fā)生服務(wù)中斷，定位精度由10米提升至6米。建設(shè)北斗地基增強系統(tǒng)，形成全國“一張網(wǎng)”，可提供實時厘米級高精度服務(wù)。建成全球連續(xù)監(jiān)測評估系統(tǒng)，具備對北斗、GPS、格洛納斯、伽利略四大系統(tǒng)的監(jiān)測評估能力。為保證北斗二號系統(tǒng)持續(xù)平穩(wěn)運行，未來兩年內(nèi)再發(fā)射2顆北斗二號備份衛(wèi)星，確保服務(wù)性能穩(wěn)中有升。

第三步，2020年建成北斗全球系統(tǒng)，即北斗三號。2017年11月，2018年1月、2月、3月，半年內(nèi)成功發(fā)射四組八顆北斗三號衛(wèi)星，北斗全球系統(tǒng)組網(wǎng)建設(shè)進(jìn)入快車道。目前正在進(jìn)行組網(wǎng)衛(wèi)星的在軌測試、系統(tǒng)集成與性能評估，初步結(jié)果表明衛(wèi)星在軌狀態(tài)良好，性能滿足指標(biāo)要求。北斗三號增加了星間鏈路、全球搜索救援等新功能，播發(fā)更優(yōu)的導(dǎo)航信號，采用了新一代銣原子鐘和被動型氫原子鐘結(jié)合的方式，天穩(wěn)定度達(dá)到E-15量級，整體性能大幅提升。經(jīng)過在軌測試，空間信號用戶測距誤差預(yù)計達(dá)到0.5米，系統(tǒng)定位精度將達(dá)到2.5米至5米。北斗特色RDSS服務(wù)容量提高10倍，用戶發(fā)射功率降低至1/10，支持手機(jī)應(yīng)用。

今后，還將持續(xù)推進(jìn)以北斗系統(tǒng)為核心的綜合PNT體系建設(shè)，爭取到2035年，構(gòu)建空天地海無縫覆蓋、高精度安全可靠、萬物互聯(lián)萬物智能的國家綜合定位導(dǎo)航授時體系，更顯著地提升時空信息服務(wù)能力，滿足國民經(jīng)濟(jì)和國家安全需求，為全球用戶提供更為優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。

冉承其表示，目前我國雖已進(jìn)入全球組網(wǎng)建設(shè)階段，不過提供導(dǎo)航服務(wù)的目前還只有北斗二號。他說，“在2018年11月前，都將由北斗二號系統(tǒng)負(fù)責(zé)提供導(dǎo)航服務(wù)，此后到2020年10月之間，將由北斗二號和北斗三號系統(tǒng)共同提供服務(wù)，2020年10月之后，將以北斗三號系統(tǒng)為主提供服務(wù)?！蓖瑫r他透露，“與此同時，面向未來，北斗三號也將在技術(shù)體制上全面兼容北斗二號”，他說，“在北斗二號向北斗三號過渡過程中，力爭確保老用戶無感知，新用戶提性能，最終實現(xiàn)技術(shù)的新老更替。”

北斗衛(wèi)星里的中國智慧之深度融合，應(yīng)用觸手可及

現(xiàn)在，我國已形成自主可控的北斗完整產(chǎn)業(yè)鏈，北斗也在國家安全和重點領(lǐng)域標(biāo)配化使用，在大眾消費領(lǐng)域規(guī)?；瘧?yīng)用，同時正在催生“北斗+”融合應(yīng)用新模式。2017年，中國國內(nèi)衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值為2550億元，其中北斗對產(chǎn)業(yè)核心產(chǎn)值的貢獻(xiàn)率為80%。預(yù)計至2020年，我國衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)的規(guī)模將超過4000億元，北斗將拉動2400-3200億元規(guī)模的市場份額。

基礎(chǔ)產(chǎn)品方面，北斗芯片實現(xiàn)規(guī)模化應(yīng)用，工藝跨入28納米新時代，最低單片價格不到人民幣6元，總體性能達(dá)到甚至優(yōu)于國際同類產(chǎn)品，實現(xiàn)了基礎(chǔ)產(chǎn)品向高端產(chǎn)業(yè)的躍升升級。截至2017年4月底，北斗導(dǎo)航型芯片模塊銷量已突破6500萬片，高精度板卡和天線銷量已占據(jù)國內(nèi)30%和90%的市場份額，并輸出到80余個國家和地區(qū)。

行業(yè)區(qū)域應(yīng)用方面，北斗已在公安、交通、漁業(yè)、電力、林業(yè)、減災(zāi)等行業(yè)得到廣泛使用，正服務(wù)于智慧城市建設(shè)和社會治理。500多萬輛營運車輛上線，建成全球最大的北斗車聯(lián)網(wǎng)平臺，相比2012年，道路運輸重大事故率和人員傷亡率均下降50%以上。公安出警時間縮短近20%，突發(fā)重大災(zāi)情上報時間縮短至1小時內(nèi)，應(yīng)急救援響應(yīng)效率提升2倍。全國4萬余艘漁船安裝北斗，累計救助漁民超過1萬人，已成為漁民的海上保護(hù)神?；诒倍返母呔确?wù)，已用于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、危房監(jiān)測、無人駕駛等領(lǐng)域。

大眾應(yīng)用方面，北斗已走進(jìn)百姓生活。世界主流手機(jī)芯片大都支持北斗，國內(nèi)銷售的智能手機(jī)，北斗正成為標(biāo)配。共享單車配裝北斗實現(xiàn)精細(xì)管理。支持北斗的手表、手環(huán)、學(xué)生卡，更加方便和保護(hù)了人們的日常生活。以北京為例，33500輛出租車、21000輛公交車安裝北斗，實現(xiàn)北斗定位全覆蓋；1500輛物流貨車及19000名配送員，使用北斗終端和手環(huán)接入物流云平臺，實現(xiàn)實時調(diào)度。

北斗為我國各行業(yè)/領(lǐng)域提供了重要的位置導(dǎo)航時頻信息，極大地促進(jìn)了社會創(chuàng)新和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，是萬物互聯(lián)、萬物感知、萬物智能的紐帶。在新時代背景下，北斗將加強與通信、遙感、互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算等新興技術(shù)的融合發(fā)展，開展理論創(chuàng)新、技術(shù)創(chuàng)新、應(yīng)用創(chuàng)新，創(chuàng)造衍生更多新技術(shù)、新產(chǎn)業(yè)、新業(yè)態(tài)、新模式，更好地助力國民經(jīng)濟(jì)和社會持續(xù)健康發(fā)展。

（有關(guān)報告系中國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)管理辦公室提供本刊）