申超波 /文

北京時間6 月23 日上午，國內(nèi)幾乎所有媒體的目光都對準了四川大涼山腹地的中國西昌衛(wèi)星發(fā)射中心。9 時43 分，萬眾期待，山呼海嘯般騰空而起的長征三號乙運載火箭底部噴射出著耀眼的尾焰，托舉著北斗三號最后一顆全球組網(wǎng)衛(wèi)星飛向太空，約30 分鐘后，衛(wèi)星順利進入預定軌道。這是北斗三號全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)第三顆地球同步軌道衛(wèi)星，隨著該衛(wèi)星在北斗三號全球組網(wǎng)“大棋局”的落子定盤，北斗三號30 顆組網(wǎng)衛(wèi)星已全部到位，北斗三號全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)星座部署全面完成。

至此，耗時26 年、先后發(fā)射59 顆衛(wèi)星的自主衛(wèi)星導航系統(tǒng)終于建成，我國實現(xiàn)了衛(wèi)星導航領(lǐng)域關(guān)鍵核心技術(shù)的自主可控，把創(chuàng)新發(fā)展的主動權(quán)牢牢掌握在自己手中，依賴國外導航系統(tǒng)的歷史一去不復返了！

從1994 年北斗一號系統(tǒng)工程立項到2020 年完成全球衛(wèi)星導航星座部署，中國北斗走過了非凡的26載。回望26 年北斗研發(fā)路，有核心設備被卡脖子的無奈，有藍圖繪就的豪邁，有險勝頻率之戰(zhàn)的驚險，更有創(chuàng)紀錄密集發(fā)射的“北斗”速度，幾代北斗人嘔心瀝血、攻堅克難，用北斗之光照亮了中國的自主創(chuàng)新路。

中國衛(wèi)星導航“三步走”

衛(wèi)星導航系統(tǒng)的誕生，最早源于戰(zhàn)爭需求。20 世紀90 年代初的海灣戰(zhàn)爭讓中國意識到了GPS 系統(tǒng)的巨大威力。海灣戰(zhàn)爭中多國部隊對伊拉克各個地區(qū)進行了高密度的空襲，GPS 攻擊部隊提供了極為精確的導航，尤其是為美軍“戰(zhàn)斧”巡航導彈的精確打擊立下了汗馬功勞，讓這一型號的導彈名聲大噪；GPS 也提高了美軍如F-117 隱身戰(zhàn)斗機、F-16 戰(zhàn)斗機的攻擊精度，為美軍地面行動清除了不少障礙。

海灣戰(zhàn)爭讓一些有遠見的科學家意識到衛(wèi)星導航系統(tǒng)的重要性。而此后發(fā)生的“銀河號”事件，則讓中國人意識到自建衛(wèi)星導航系統(tǒng)的必要性。

1993 年7 月23 日，中國貨輪“銀河號”行駛在印度洋上，突然導航系統(tǒng)失去信號，船只無法繼續(xù)前行。隨行船員還以為是信號設備出了故障，結(jié)果怎么維修都無濟于事。后來才得知，原來是美國懷疑中國向伊朗輸送武器，故意停掉了該船所在海域的導航信號。

這一消息傳回國內(nèi)，讓中國科學家意識到自主導航的重要性。隨后，中科院院士孫家棟找到時任國防科工委副主任的沈榮駿，稱“發(fā)展衛(wèi)星導航，刻不容緩，勢在必行?！苯Y(jié)果兩人不謀而合，聯(lián)名向國家“上書”，建議啟動中國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)。

1994 年12 月，北斗導航實驗衛(wèi)星系統(tǒng)工程獲得國家批準。北斗導航工程的大幕正式拉開！

萬事開頭難，北斗工程剛剛上馬，不得不正視與美國的巨大差距：彼時，美國已在GPS 工程上投入了超過200 億美元，且每年維護費用高達5 億美元；但當時中國的經(jīng)濟基礎(chǔ)仍十分薄弱，研發(fā)包括航天在內(nèi)7 大領(lǐng)域技術(shù)的“863”計劃預算也才只有100億人民幣。

開弓沒有回頭箭！中國不會被困難嚇倒，中國人從不缺少智慧：既然不能一口吃個胖子，那就分三口吃。

于是，我國將導航衛(wèi)星的建設分為三步：第一步僅覆蓋國內(nèi)區(qū)域，第二步逐漸覆蓋亞太區(qū)域，第三步再覆蓋全球。這也是59 顆北斗衛(wèi)星分屬北斗一號、北斗二號、北斗三號的由來——北斗一號為試驗階段，共發(fā)射了4 顆實驗衛(wèi)星，覆蓋國內(nèi)區(qū)域；北斗二號有14 顆組網(wǎng)衛(wèi)星（實際上共發(fā)射了23 顆），實現(xiàn)亞太地區(qū)的覆蓋；北斗三號則包含30 顆組網(wǎng)衛(wèi)星（實際發(fā)射32 顆），實現(xiàn)全球覆蓋。

“從國內(nèi)到亞太再到全球，北斗系統(tǒng)建設發(fā)展的三步走方案，充分結(jié)合了中國國情，極具中國特色，彰顯了中國智慧、中國速度和中國精度，為世界衛(wèi)星導航的發(fā)展貢獻了中國方案。”北斗總設計師楊長風說。

經(jīng)過六年的艱苦攻關(guān)，新千年來臨，2000 年10月31 日和12 月21 日，在不到兩個月的時間內(nèi)，我國相繼發(fā)射兩顆北斗導航試驗衛(wèi)星，北斗一號系統(tǒng)建成。憑借這兩顆衛(wèi)星，中國成為繼美國、俄羅斯之后世界上第三個擁有自主衛(wèi)星導航系統(tǒng)的國家。

雖然，北斗一號與GPS 依然差距明顯，北斗一號的定位精度為20 米，授時精度為單向100 納秒。相比之下，此時GPS 不僅已覆蓋全球，且民用定位精度和授時精度分別達到10 米和10 納秒級別；軍用定位甚至已經(jīng)精確到1 米。但是，中國人在自主研制導航定位系統(tǒng)的征程上終于邁出了堅實而自信的第一步。

在2008 年的汶川地震抗震救災中，北斗一號系統(tǒng)就發(fā)揮了重要的作用。地震發(fā)生后，指揮中心為救援部隊緊急配備了1000 多臺“北斗一號”終端機，實現(xiàn)了各點位之間、點位與北京之間的直線聯(lián)絡。在災區(qū)通信沒有完全修復，信息傳送不暢的情況下，各救援部隊利用北斗一號及時準確地將各種信息發(fā)回，為指揮部指揮抗震救災提供了重要的信息支援。北斗一號系統(tǒng)的優(yōu)秀表現(xiàn)堅定了我國發(fā)展更先進衛(wèi)星導航系統(tǒng)的決心。

北斗二號險勝頻率保衛(wèi)戰(zhàn)

挑戰(zhàn)接踵而來！

中國作為導航系統(tǒng)戰(zhàn)場的后來者，面臨著一個現(xiàn)實挑戰(zhàn)——缺頻率。國際電信聯(lián)盟（ITU）分配給衛(wèi)星導航系統(tǒng)的頻率資源是有限的，這是世界上想要發(fā)展自己的衛(wèi)星導航系統(tǒng)的國家必爭的寶貴資源，而取得合法的軌位，需要先向ITU 申報。

2000 年4 月17 日，中國向ITU 正式提出了頻率申請。

根據(jù)ITU 的規(guī)則，頻率資源要“先用先得”和“逾期作廢”，有效期以申請日期開始計算，只有7年。這意味著，中國必須在2007 年4 月18 日零點之前成功發(fā)射導航衛(wèi)星有成功播發(fā)信號。而且中國不僅要和時間競賽，還和一個不容小覷的對手競爭，那就是歐洲的伽利略系統(tǒng)。這是因為中歐雙方雖然分別向ITU 申請了頻段，但是雙方導航系統(tǒng)的頻率在1164MHz～1215MHz 段內(nèi)高度重合。按照IUT 的“先用先得”原則，雙方需要競爭頻率。

這就給北斗帶來了第二道時間門檻——必須比伽利略更快。

2004 年，北斗導航系統(tǒng)的第二步——北斗二號啟動。此時，北斗二號在進度上已比歐洲的伽利略系統(tǒng)晚了2年。眼看北斗進展直追伽利略計劃，因種種原因，沒占到頻率的歐洲又使出了另外一招——用核心設備限制中國。原本歐洲已經(jīng)同意向中國出售導航衛(wèi)星的核心設備——原子鐘，但在臨簽署合同時突然反悔?！皩嶋H上它（歐洲）是禁運，要控制這種高精尖的東西，不賣給我們?！北倍沸l(wèi)星導航系統(tǒng)總設計師楊長風在回憶這一風波時說。

那么，原子鐘在衛(wèi)星導航系統(tǒng)里到底是起什么作用呢？簡單說，原子鐘就是導航系統(tǒng)的心臟，就如同一塊手表，是一種精確測量時間的時鐘，它以原子共振頻率標準來計算及保持時間的準確，這是世界上已知最準確的時間測量和頻率標準。它直接決定著衛(wèi)星導航系統(tǒng)的精度。沒有原子鐘，就沒有校準的時間，導航衛(wèi)星基本上就沒用了。

數(shù)次被“卡脖子”的北斗研發(fā)人員，終于鐵了心要攻克這一關(guān)。哪怕技術(shù)弱一點，也要把主動權(quán)牢牢攥在自己手里。按楊長風制定的目標，中國自己研發(fā)的原子鐘誤差要達到10 的-12 次方，即原子鐘每十萬年只出現(xiàn)一秒的誤差。

為了趕工期，北斗匯聚了中科院、航天科技、航天科工三支隊伍，同時攻關(guān)，并在基礎(chǔ)理論、材料、工程等領(lǐng)域同步進行推進。最終兩年之后，國產(chǎn)星載原子鐘被成功研制出來。

讓人欣喜的是，這款中國自主研發(fā)的原子鐘，性能指標比當初想買的歐洲原子鐘還要好。消息傳到歐洲人那里，此時歐洲又同意賣給中國原子鐘，而且價格還比原來降了一半。但中國仍堅持用自己的原子鐘?！拔覀冊斐隽撕诵年P(guān)鍵器部件，國產(chǎn)化的信心也增強了?！睏铋L風說。

2007 年4 月上旬，趕在頻率失效前的最后幾天，衛(wèi)星被運到發(fā)射基地，搭上發(fā)射塔架。數(shù)年緊繃神經(jīng)的北斗人，眼看就可以松一口氣了。衛(wèi)星最后的發(fā)射日期定在4 月14 日。這個日期已經(jīng)很緊張了，如果一切順利的話，該星升空并回傳信號，北斗就能趕在4 月18日頻率失效前完成頻率占用。

可是，好事總是多磨。

在發(fā)射前三天的第三次總檢查時，工作人員突然發(fā)現(xiàn)衛(wèi)星上的應答機異常。這個應答機，相當于人們用的手機，它讓天上的衛(wèi)星和地面接收站形成互聯(lián)互通。應答機壞了，衛(wèi)星就不能發(fā)射無線電信號，那就拿不到合法的頻率資源。這一消息就像一盆冷水，潑在正沉浸于喜悅中的北斗人頭上?！白铌P(guān)鍵的時候，出了這個問題，我們非常揪心?！北倍沸l(wèi)星導航系統(tǒng)總設計師楊長風說。

由于這顆衛(wèi)星帶著占領(lǐng)頻率資源的“使命”，只能背水一戰(zhàn)。北斗科研人員只有3 天的時間來解決這個問題。為了確保衛(wèi)星萬無一失，研發(fā)人員在細細研究后決定對衛(wèi)星“開膛破肚”。工作人員先爬上塔架打開火箭、撥開衛(wèi)星，然后進去拿出有問題的應答機設備，這過程不能有絲毫的不當操作，否則其他系統(tǒng)受到損害麻煩將更大。

最后，應答機拿出來了，另外一個問題也來了：應答機的科研單位在上海，發(fā)射地所在的西昌彼時還沒有高速公路和機場，想在3 天內(nèi)往返于西昌和上海并修復應答機，絕無可能。

在各方協(xié)調(diào)之下，北斗指揮人員決定在成都一家科研單位修復應答機。“顛簸了四五個小時，都是懷里抱著的，防止車的震動損壞應答機，像個孩子一樣保護著?！睏铋L風說。

工作人員終于趕在發(fā)射前將應答機裝回衛(wèi)星。2007 年4 月14 日4 時11 分，這顆肩負著保頻率使命的北斗衛(wèi)星成功發(fā)射。接下來的三天，十多家北斗衛(wèi)星研制廠家集中在一個大操場上，把衛(wèi)星信號接收機擺成一線，等待著信號的傳回。工作人員不分白天黑夜地調(diào)試地面設備，接收信號。但直到4 月17 日白天，地面站仍未收到衛(wèi)星信號。

這三天，對年近50 歲的楊長風而言度日如年?！熬S修的那三天說句實在話，心情緊張、沉重、壓力也很大，72 小時基本上沒合眼?！彼f。

17 日晚，眼看著ITU 的“七年之限”即將到期，地面信號接收機仍毫無動靜。到了晚上八點，十幾個用戶接收機界面突然跳動，北斗衛(wèi)星終于下發(fā)了第一組信號?？吹竭@一幕，“我們整個操場歡呼跳躍，同志們互相擁抱，來祝賀這個勝利。”楊長風回憶稱。

懸著的心終于落下了。

北斗二號首顆衛(wèi)星圓滿完成使命，不僅成功入軌，還占到了頻率。等待了7 年的北斗衛(wèi)星，最后在離ITU 的“7 年之限”不到4 個小時的時候迎來合法化。

“一說起這個場景，我就要流淚。這是一種壓力的釋放，更是完成任務的一種喜悅。這項工作關(guān)系到整個北斗系統(tǒng)，關(guān)系到它未來的發(fā)展。接收不到信號，就沒有現(xiàn)在的北斗系統(tǒng)。”多年后在接受媒體采訪時，楊長風回憶當時的場景仍激動不已。

在整個北斗工程中，這顆星充當著承上啟下的作用：既是前13 年努力的結(jié)晶，也為接下來13 年的建設作好鋪墊。

北斗三號沖刺全球組網(wǎng)

2012 年10 月25 日，第十六顆北斗導航衛(wèi)星發(fā)射升空并進入預定軌道，標志著北斗二號系統(tǒng)星座部署完成。2012 年12 月27 日，北斗二號系統(tǒng)正式向亞太地區(qū)提供區(qū)域服務。北斗二號系統(tǒng)作為北斗系統(tǒng)“三步走”戰(zhàn)略的中的第二步，實現(xiàn)了承前啟后的關(guān)鍵一步。

在第二顆北斗二號衛(wèi)星發(fā)射的2009 年，北斗三號也啟動了。8 年后的2017 年11 月5 日，我國成功以“一箭雙星”的方式發(fā)射2顆北斗三號中圓軌道衛(wèi)星。這是北斗三號衛(wèi)星的首次發(fā)射，標志著中國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)步入全球組網(wǎng)時代。

接下來的一年，北斗三號進入衛(wèi)星高密度發(fā)射期。2018 一整年，北斗三號共發(fā)射了18 顆衛(wèi)星，這在世界導航衛(wèi)星史上破了先例，締造了“北斗速度”。這年的12 月27 日，中國衛(wèi)星導航系統(tǒng)管理辦公室主任、北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)新聞發(fā)言人冉承其正式對外宣布，北斗三號基本系統(tǒng)完成建設，開始提供全球服務。

而北斗系統(tǒng)依然勢頭不減，2019 年又接連發(fā)射了10 顆衛(wèi)星。此次發(fā)射的最后一顆北斗組網(wǎng)衛(wèi)星，是第32 顆北斗三號衛(wèi)星，同時也是第55 顆北斗全球組網(wǎng)衛(wèi)星。至此，整個北斗系列共發(fā)射了59 顆衛(wèi)星，它們分別分布在地球靜止軌道（GEO）、傾斜地球同步軌道（IGSO）和中圓地球軌道（MEO）。在最后用以支撐北斗系統(tǒng)全球覆蓋的30 顆北斗三號組網(wǎng)衛(wèi)星中，3 顆是GEO 衛(wèi)星，3 顆是IGSO 衛(wèi)星，24 顆是MEO 衛(wèi)星。三類衛(wèi)星相互配合——3 顆GEO 衛(wèi)星可基本實現(xiàn)對中國區(qū)域的三重增強覆蓋，可降低整個星座的衛(wèi)星數(shù)量，以控制成本，且GEO 衛(wèi)星還具備短報文通信功能，一星多用；3 顆IGSO 衛(wèi)星則可彌補GEO 衛(wèi)星在高緯度地區(qū)仰角過低的問題，可對高緯度地區(qū)進行有效的信號增強；24 顆MEO 衛(wèi)星則構(gòu)成了北斗全球組網(wǎng)的核心星座，GPS、格洛納斯和伽利略導航系統(tǒng)的衛(wèi)星均部署在該軌道上。

北斗三號系統(tǒng)建成后，將形成滿足我國國民生產(chǎn)建設需要的導航、定位、授時的系統(tǒng)設施。隨著應用的發(fā)展，北斗系統(tǒng)必將面對更多、更新、更高的需求。2035 年，我國還將建成以北斗系統(tǒng)為核心的綜合定位導航授時體系，屆時中國北斗將以再次升級閃耀全球。

楊長風說，我國衛(wèi)星導航從無到有，從有到優(yōu)，從弱到強，目前，北斗已向包括“一帶一路”沿線國家和地區(qū)的全球用戶提供連續(xù)、穩(wěn)定、可靠的定位、導航和授時服務。中國的北斗已成為世界的北斗、一流的北斗，服務全球用戶。