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北斗 黑夜里最闪耀的星

2020-08-12 09:07:11 微型计算机·Geek 2020年7期

文图

6月23日9时43分,最后一颗北斗组网卫星在西昌卫星发射中心发射成功。至此,中国耗时26年、投入超过120亿美元、先后发射59颗卫星的自研卫星导航系统终于建成。这意味着中国有了自己的全球导航定位系统,彻底结束了依赖GPS的历史。之所以要搞这套系统,拿现如今流行的话语来说,就是要拥有上帝视角。打过《模拟城市》这款游戏的,应该很容易理解这个词。不玩游戏的,也有办法,想想你看电影的时候,你是什么事情都知道的,而电影里的人物所知道的信息是没有你多的,所以你才会为人物的命运担心,进而有一种代入感。对于北斗系统这样的“上帝之眼”来说,它是怎么诞生的,未来会我们带来什么不一样的生活呢?

当下,卫星导航系统为我们生活的方方面面提供便捷,但它最初却是为国防安全量身定做的。卫星导航系统的“首秀”便是在海湾战争。1991年,以美军为主的多国部队在全球卫星定位系统(Global Positioning System,以下简称GPS)的带领下,迅速穿过被伊拉克军队视为禁地的沙漠地区,并对其形成包抄,打了对手一个措手不及。从此,便流传出一句军事名言:谁能掌握卫星导航的优势,谁就掌握了战争主动权。

这场起初被预测会打成僵持战的战争,最终以42天的空袭加上100小时的地面作战收尾,伊拉克军队全面溃败。有了“上帝视角”的加持,军队中海陆空力量的指挥控制、部队调动、物资保障、战场救援和精确制导武器精确打击都成为可能。比如,美国国防部采购了价值超过4000万美元的8000部GPS小型接收机,在它的信息保障下,美军机械化步兵分队能够对自身位置进行精度在30米以内的定位,并且可以根据行军规划,生成面向下一个节点的方案。

此后,卫星导航系统在战争中持续发挥着功能:1995年6月2日,一架美军F-16战机在波黑上空被塞族武装的导弹击落。飞行员奥格雷迪跳伞逃生后落在塞族控制区,在靠蚂蚁、野草和雨水苦熬6天,并躲过了塞族部队的多次搜索后,最终被GPS确定了三维位置而救回。在科索沃战争中,美军的F-117隐形轰炸机被击落后,依托于飞行员GPS接收机的呼救装置,飞行员在7小时内就被找到并救出。2004年8月,美军进行了一场异于寻常的空投实验,将降落区的坐标编进程序,进行精准定位,再通过马达牵引线来操纵飞行,最终精准降落,使得投放高度提升到3200米。

无论是“一招制敌”还是敌后救援,卫星导航系统都大大增加了任务成功的概率。不止如此,卫星导航系统还彻底改变了战争形态,贡献了一个新名词——“外科手术式打击”。海湾战争中,美国海军向伊拉克本土发射的282枚导弹中,只有142枚打击了50个预定目标中的42个。两年后,美国发射了45枚“战斧”导弹攻击伊拉克南部工业区的7座建筑物,攻击成功率只有64%。同年,美军又发射23枚“战斧”导弹攻击巴格达的情报机构,只有18枚命中目标。

低命中率源于最初采用的“惯性导航+等高线地形匹配(TERCOM)+数字式景象匹配相关器(DSMAC)”的复合制导方式。一方面,使用单独的惯性导航,导弹在一千余公里的累计误差能达到十几公里,就算使用“地形匹配制导”辅助修正,如果飞行路径中的地形过于平坦或山脉过多,加之夜间、烟尘和恶劣天气等因素,依舊会影响打击精度。另一方面,20世纪50年代以来,一直依赖改善陀螺仪和加速度计的方式提升导航性能,这种单纯依靠元器件性能来提高精度惯性导航的方法越来越困难。

海湾战争之后,美军开始将GPS与惯性导航系统组合使用。要精准攻击地面固定目标,首先须对目标进行精确的GPS定位。在照相侦察时,用GPS精准确定拍照时刻的轨道位置和高度等,将这些数据作为制导目的数据,或直接装订在制导计算机中,或通过数据链传送给制导计算机,控制导弹飞向预定目标所在区域,再通过成像未制导最后确定目标,实施攻击。有了GPS,导弹飞行航线的选择也不再依赖地图,也不再受水域和地形特征的制约。甚至,由于精度提高了,海湾战争中,“战斧”导弹战斗部本来450公斤的重量缩减到320公斤,可携载更多燃料,航程增加50%以上。

在伊拉克战争中,美军宣称由于采用了GPS制导技术,其空中打击能力比海湾战争中提高了6倍,过去摧毁一个目标需要几架次的打击,而现在一架次就能摧毁几个目标。当然,利器通常相当“烧钱”,美国人为此付出了相当昂贵的代价。1973年,美国开始研究GPS。由于建成最早。应用范围最广,GPS一度占据霸主位置。1993年,美国已实现24颗在轨卫星满星运行,分布在6个轨道面上,保证在地球的任何地方都可同时见到4至12颗卫星,地球上任何地点、任何时刻均可实现三维定位、测速和测时。几十年来,美国总共为GPS投入了约300亿美元。就是因为卫星导航系统太重要,即便花费巨大,不管是俄罗斯还是欧盟,依旧争相投入研发。

其实除了大家都能想到的定位、导航之外,卫星导航系统还具有精确授时、测速等功能,在关系国民经济生产安全的诸多领域都扮演着重要的角色。比如在人们已经习以为常的高铁中,导航系统在不依赖于地面设备的情况下能全天候为列车进行定位和测速,从而避免列车追尾。

在国家电网中,如果没有卫星导航系统的授时性,就无法保证时间的精确和一致;如果没有卫星导航系统对故障精确定位,快速引导至故障点进行抢修,电网安全稳定运行就是一个未知数。

大宗商品交易对基本面信息的获取有非常迫切的需求。以往,通过传统渠道获得数据信息,会有时效性低、信息不足的问题存在,这导致全球大宗商品供应链的市场透明度始终不高。卫星导航系统提供的“另类数据”,为提升大宗商品市场透明度提供了新的可能性。甚至人们天天使用的共享单车,也依靠定位系统实现电子围栏停车。

不仅如此,在无人驾驶、测绘、出海航行、灾害救援等众多领域,导航系统发挥着无可替代的作用。而在战时状态,一旦导航系统不受自己控制,那么精准制导武器的精准性、飞行路径就无法保证。严重的情况下,武器甚至无法作战,形同废铁。可以说,卫星导航系统就像国家和人类的第三只眼睛,观测着地球上发生的一切行为。

早在20世纪60年代,我国就开始研究利用卫星进行地面定位服务。但由于当时国力较弱等原因,这一计划并未实施。到了20世纪80年代,我国开始探索适合国情的卫星导航系统发展道路。当时,美国的GPS已是星座构成最完善、定位精度最稳定、应用最广泛并呈现市场垄断的卫星导航系统,而且,对全世界免费开放,连外国军队都可以使用。于是,有一种声音说:“有必要耗费这么大的精力,去自主研发一个定位系统吗?”

当然!首先,GPS是一个以军用为主的卫星导航系统,所有权、控制权、运营权都属于美国国防部。很多国家的民用用户都担心,美国军方可以随时叫停民用信号。“免费午餐”存在巨大风险。其次,精度不够。GPS包含军码和民码两种信号,二者精度级别不在一个水平线上。2000年以前,美国军方对GPS发布的民用信号进行干扰,为的是降低民用信号提供精度,保护美国信息安全。

在此背景下,1985年10月,“863”计划倡导者、中科院院士陈允芳在中国科学院和解放军原总参谋部测绘局联合召开的会议上提出了一个大胆的构想:用两颗地球静止轨道卫星,就可以覆盖中国区域,并对地面目标和海上移动物体进行定位导航,还能兼具通信功能。这一构想,日后被称为“双星定位”理论。

到了1989年9月25日,在北京一处不足30平方米的临时机房里,陈允芳首次用两颗卫星演示了“卫星定位系统”。这次演示的,正是日后北斗一号系统的雏形。此次实验,给了中国人极大的信心——中国有能力造出自己的导航系统。

此后,由于没有合适的时机,自建卫星导航系统的想法一直没被重视。海湾战争让一些有远见的科学家意识到卫星导航系统的重要性。而此后发生的“银河号”事件,则让中国人意识到自建卫星导航系统的必要性。

1993年7月23日,中国“银河号”货轮载着制造化学武器的原料运往伊朗。当货轮行驶到印度洋上,突然停止了—导航没有信号,船员不辨方向,无法继续前行。随行船员还以为是信号设备出了故障,结果怎么维修都无济于事。后来才得知,原来是美国怀疑中国向伊朗输送武器,故意停掉了该船所在海域的导航信号。

这一消息传回国内,让许多航天科学家和国防人员意识到自主导航的重要性。随后,中科院院士孙家栋找到时任国防科工委副主任的沈荣骏,称“发展卫星导航,刻不容缓,势在必行。”结果两人不谋而合,联名向国家“上书”,建议启动中国北斗卫星导航系统。

1994年12月,北斗导航实验卫星系统工程获得国家批准。而一旦想认真搞导航,中国马上看到了困境和差距。彼时,美国已在GPS工程上投入了超过200亿美元,且每年维护费用高达5亿美元;但当时中国的经济基础仍十分薄弱,研发包括航天在内7大领域技术的“863”计划总预算也不过100亿人民币。

在早期研发导航系统的资金上,中美间的差距远不止十倍。有一个故事真实地反映这种窘状。当时北斗工程的办公室十分紧张,北斗系统副总设计师谭述森与4个人共处一个办公室,而这间办公室不足20平方米,只能勉强容下几个人的办公桌。

好在,中国人有自己的智慧,穷有穷的办法。既然不能一口吃个胖子,那就分三口吃。于是,我国将导航卫星的建设分为三步:第一步仅覆盖国内區域,第二步逐渐覆盖亚太区域,第三步再覆盖全球。

这也是59颗北斗卫星分属北斗一号、北斗二号、北斗三号的由来——北斗一号为试验阶段,共发射了4颗实验卫星,覆盖国内区域;北斗二号有14颗组网卫星(实际上共发射了23颗),可实现亚太地区的覆盖;北斗三号则包含30颗组网卫星(实际发射32颗),可实现全球覆盖,精度可媲美GPS。

当时的北斗项目,除了缺钱,更大的困难是缺技术、缺人才。卫星导航系统是关系一国军事安全的“国之重器”,而当时的西方国家在几乎所有高科技领域都对中国实施严酷的技术封锁。比如,在大推力电动振动试验设备领域,20世纪80年代以前国外对中国禁运1吨以上推力的振动平台,90年代后改为禁运5吨以上推力的振动平台,后又改为禁运9吨以上的设备。

甚至1996年7月,包括美国、英国在内的33个西方国家又签署《瓦森纳协定》,对中国等国家实施军用、军民两用商品和技术的控制清单,包括电子器件、计算机、传感器、新材料等9大类高新技术被实施禁运。

在既缺钱又缺技术的情况下,北斗系统被逼出来了自己的“开创性”。当时的北斗一号研发团队,陈允芳、孙家栋等人没有选择采用GPS的无源定位技术,而是基于有源定位技术(定位时,用户终端需通过导航卫星向地面控制中心发出一个申请定位的信号;无源定位则不需要),用两颗地球静止轨道卫星就可以对地面目标和海上移动物体进行定位导航,且能覆盖中国及周边区域。但北斗一号没有高度信息。要完成相似区域的覆盖,按照GPS和格洛纳斯系统的原理,至少需要三颗卫星。

北斗一号的另一个特殊之处是,它还具备一般导航卫星没有的短报文通信功能。这意味着北斗卫星同时具备卫星的3个主要应用方向——“通、导、遥”(即通信、导航和遥感)中的两项。这对当时的中国而言,可谓花小钱办大事,一石二鸟。

立项6年后的2000年,北斗一号的首批两颗地球静止轨道卫星成功发射,北斗一号实验系统正式建成并开始投入使用。尽管北斗一号看上去简陋,但意义非凡,凭借这两颗卫星,中国成为继美国、俄罗斯之后世界上第三个拥有自主卫星导航系统的国家。

2003年,第三颗地球静止轨道卫星发射,北斗实验系统的性能进一步增强。不过必须承认的是,虽然当时距北斗正式起步已过去9年,但北斗与GPS依然差距明显。北斗一号的定位精度为20米,授时精度为单向100纳秒,短报文通信能力为120个汉字/次。相比之下,此时GPS不仅已覆盖全球,且民用定位精度和授时精度分别达到10米和10纳秒级别;军用定位甚至已经精确到1米。

而北斗一号只能提供模糊的定位、授时功能,而且无法测速。这样的北斗,不仅在商用领域没有优势(GPS可在全球免费使用),军用领域的价值也有限。我们必须造出更精确的导航定位系统。

除了缺钱、缺技术,中国作为导航系统战场的后来者,还面临着第三个资源型的挑战——缺频率。中国要真正在北斗一号的基础上提升卫星导航系统的精确性和扩大覆盖区域,就要发更多卫星。而卫星上天的前提,是拥有合法的频率轨位。

国际电信联盟(ITU)分配给卫星导航系统的频率资源是有限的,这是世界上想要发展自己的卫星导航系统的国家必争的宝贵资源。而取得合法的轨位,需要先向ITU申报,并与相关系统进行协调。

1994年,北斗一号启动的同时,中国也开始在ITU的框架下启动北斗导航卫星系统的频率申请工作。此时,导航卫星的“黄金导航频段”L频段已经被先发的GPS、格洛纳斯系统占领,中国只能申请次优频率。

恰好,欧盟此时也在建设伽利略导航系统,同样需要申请频率。到2000年,中欧前后脚向ITU提出了导航卫星系统的频段申请:中国在当年4月17日先行动,不到两个月后的6月5日,欧盟也向ITU提出了频率申请。最终,中欧两方在ITU框架下拓展了1164MHz~1215MHz、1260MHz~1300MHz的导航卫星频段。

不过申请频率只是第一步。第二步则要与已上天的卫星系统进行频率协调。为此,从2000年起中国先后与20多个国家、地区和国际组织的300余个卫星网络开展了频率协调。频率协调并不是个容易活儿,首先就要说服对方,如何在不影响对方利益的同时实现频率兼容。北斗频率设计与国际协调首席专家谭述森参与了全过程。

经过复杂的频率设计与周密的干扰仿真计算,谭述森创造性地提出了卫星导航频谱共用与兼容性评估准则。方案最终赢得了其他卫星网络的认可,北斗终于取得合法频率。然后才到了第三步:真枪实战发卫星、传信号的阶段,这是一场争分夺秒的“生死时速”。

因为根据ITU的规则,频率资源要“先用先得”和“逾期作废”,有效期以申请日期开始计算,只有7年。这是北斗的第一道时间锁——即中国必须在2007年4月18日零点之前成功发射导航卫星并成功播发信号。

而且中国不仅要和时间竞赛,还要和一个不容小觑的对手竞争,那就是欧洲的伽利略系统。这是因为中欧双方虽然分别向ITU申请了频段,但是双方导航系统的频率在1164MHz~1215MHz段内高度重合。按照IUT的“先用先得”原则,双方需要竞争频率。

这就给北斗带来了第二道时间锁—必须比伽利略更快。这两道槛,栽了任何一道都是“一夜回到解放前”。频率一旦作废,此前数年的准备、申请和协调工作就会前功尽弃;研发上,还得调整原有设备中的发射频率标定点、晶体等设计与部件,以适配更换后的频率,其过程极为烦琐,几乎等于从头再来。

而好不容易申请、协调好频率的北斗系统此时正遇到了“DDL(截止时间)的危机”。在频率下来后,中国北斗卫星导航系统管理办公室立即开始组织立项和安排计划。结果排下来一看,最早也要到2007年底才能发射首颗卫星,这比2007年4月18日零点的失效日期多了整半年。

要保住频率,只能把发射日程提前半年。这在中国航天史上也是从来没有过的事。而此时的伽利略系统,无论在技术上还是工程进展上都领先于北斗,北斗胜出机会渺茫。就在中国为此焦头烂额之时,转机出现了。

2002年,伽利略导航计划启动。但由于当时欧洲正遭遇财务危机,伽利略计划进展并不顺利。而且让欧洲人头疼的是,老朋友美国也不安分。自苏联解体后,美国便没了对手。放飞自我的美国开始奉行单边主义外交政策。

2003年,美国对伊拉克发动战争。这片跟欧洲隔海相望的土地上的战火,让欧洲人感受到了“单极世界”的危险。时任法国总统的希拉克对外呼吁建立“多极化世界”,时任德国总理施罗德也对此表示支持。在这样的背景下,欧盟把目光扫向亚洲,决定把中国纳入已启动的伽利略计划。中国成为伽利略伽计划中第一个非欧盟的参与国。

中国加入伽利略计划,不仅使欧洲一些国家的领导人赚足了政治资本,也使“伽利略”计划捉襟见肘的财政状况得到极大缓解,更给“伽利略”进入中国市场打下了基础。对中国而言,加入伽利略计划也有实实在在的好处。按照计划,伽利略导航系统是基于民用的全球卫星导航定位系统,非军方控制、管理,且精度和可靠性都优于GPS。在無须担心军事威胁的情况下,它不仅能为中国提供免费定位、导航和定时服务,还能让中国学到先进的导航技术。

2004年中欧正式签署技术合作协议,中方承诺投入2.3亿欧元的巨额资金,第一笔7000万欧元的款项很快就到位了。然而,政治场上总是风云变幻,政治家的脸说变就变。中欧在伽利略项目合作上的喜悦持续了不到一年就消失了。

2005年,欧洲各国的亲美政治人物纷纷上台,欧洲政治开始转向,再次回到美国阵营中。自然而然,欧洲航天局也与美国重归于好。当初为伽利略计划投入巨额资金的中国,此时不仅没得到与之相称的对待,甚至待遇还不如没投钱的其他非欧盟国家,如印度。

这“结局”令中方十分不满。双方在合作开发导航系统上的冲突越来越多。同年,对合作已经失望的中国抽身离去,把精力重新转移到北斗二号系统上。

幸运的是,在双方开始合作的时候,中国就留了一手。2004年,北斗导航系统的第二步——北斗二号启动。此时,北斗二号在进度上已比欧洲的伽利略系统晚了两年。随着合作破裂,当年共同申请的频率眼看将被昔日的朋友、今日的对手抢走。

2005年12月28日,伽利略计划的首颗实验卫星“GIOVE-A”被顺利送入太空轨道。如果此时频率被欧洲占去,那北斗第二步将面临刚要抬脚便无路可走的窘境。让人意外的是,这颗伽利略实验卫星并未开通频率,只占了轨道没占频率。

为何卫星都上天了却没开通频率呢?原因是没钱。开通频率需要花钱,但此时的欧洲手头正紧。不仅第一颗卫星上天没开通信号,缺钱的欧洲还把伽利略计划的第二颗卫星的发射时间推迟了两年。原定于2006年发射的伽利略系统第二颗卫星GIOVE-B最终在2008年4月27日成功发射并向地球传回了首个信号。那时北斗二号首星早已上天了一年多。当然这是后话。

回到2005年,伽利略计划虚晃的一招,反倒给了北斗一个翻身机会。只要在两年内造出一颗星,北斗就有戏。眼看北斗进展直追伽利略计划,没占到频率的欧洲又使出了另外一招——用核心设备限制中国。

原本欧洲已经同意向中国出售导航卫星的核心设备——原子钟,但在临近签署合同时突然反悔。实际上欧洲就是搞禁运,要控制这种高精尖的东西,不卖给我们。这里有必要解释下原子钟。导航卫星上的原子钟,利用原子吸收或释放能量时发出的电磁波进行计时。稳定的电磁波协同精密的仪器为卫星导航提供精确的时间测度。它能精确到什么地步?举个例子,哪怕从恐龙灭绝时计时到现在,误差也不超过3秒。它直接决定着卫星导航系统的精度,对整个工程的重要性如同人的心脏。

没有原子钟,就没有校准的时间,导航卫星基本上就没用了。数次尝到合作伙伴关键时候“掉链子”滋味的北斗研发人员,终于铁了心——与其被别人卡脖子,不如自己造出原子钟。哪怕技术弱一点,也要把主动权牢牢攥在自己手里。

按北斗系统要求制定的目标,中国自己研发的原子钟误差要达到10的-12次方,即原子钟每十万年只出现一秒的误差。为了赶工期,北斗组建了中科院、航天科技、航天科工三支队伍,同时攻关,并在基础理论、材料、工程等领域同步进行推进。最终两年之后,国产星载原子钟被成功研制出来。

那时,我国的科学家们对铷原子钟的寿命、可靠性和卫星环境适应性等完全没有概念,只能反复试验、改进,以此寻找最佳答案。比如,铷原子钟的核心部件微波腔,直接决定原子钟信号强弱,团队不断尝试,用时一年多研制出开槽管微波腔。此外,团队还发明了一种新型铷光谱灯,克服了限制铷钟寿命和卫星环境适应性的主要障碍。

让人欣喜的是,这款中国自主研发的原子钟,性能指标比当初想买的欧洲原子钟还要好。消息传到欧洲人那里,此时欧洲又同意卖给中国原子钟,而且价格还比原来降了一半。但中国仍坚持用自己的原子钟。既然我们造出了核心关键器部件,何苦再去花大价钱进口呢。

2007年4月上旬,赶在频率失效前的最后几天,卫星被运到发射基地,搭上发射塔架。数年紧绷神经的北斗人,眼看就可以松一口气了。卫星最后的发射日期定在4月14日。这个日期已经很紧张了,如果一切顺利的话,该星升空并回传信号,北斗就能赶在4月18日频率失效前完成频率占用。

可好事总是多磨,在发射前三天的第三次总检查时,工作人员突然发现卫星上的应答机异常。这个应答机,相当于人们用的手机,它让天上的卫星和地面接收站形成互联互通。应答机坏了,卫星就不能发射无线电信号,那就拿不到合法的频率资源。这一消息就像一盆冷水,泼在正沉浸于喜悦中的北斗人头上。

由于这颗卫星带着占领频率资源的“使命”,只能背水一战。北斗科研人员只有3天的时间来解决这个问题。为了确保卫星万无一失,研发人员在细研究后决定对卫星“开膛破肚”。工作人员先爬上塔架打开火箭、拨开卫星,然后进去拿出有问题的应答机设备,这过程不能有丝毫的不当操作,否则其他系统受到损害麻烦将更大。

最后,应答机顺利地拿出来了,可另外一个问题也来了:应答机的科研单位在上海,发射地所在的西昌彼时还没有高速公路和机场,想在3天内往返于西昌和上海并修复应答机,绝无可能。各方协调之下,北斗指挥人员决定在成都一家科研单位修复应答机。

颠簸了四五个小时,都是怀里抱着的,防止车的震动(损坏应答机),像个孩子一样保护着。工作人员终于赶在发射前将应答机装回卫星。2007年4月14日4时11分,这颗肩负着保频率使命的北斗卫星成功发射。

接下来的三天,十多家北斗卫星研制厂家集中在一个大操场上,把卫星信号接收机摆成一线,等待着信号的传回。工作人员不分白天黑夜地调试地面设备,接收信号。但直到4月17日白天,地面站仍未收到卫星信号。

2007年4月17日晚,眼看着ITU的“七年之限”即将到期,地面信号接收机仍毫无动静。到了晚上八点,十几个用户接收机界面突然跳动,北斗卫星终于下发了第一组信号。悬着的心终于落下了!北斗二号首颗卫星圆满完成使命,不仅成功入轨,还占到了频率。但惊险的是,等待了7年的北斗卫星,最后在离ITU的“7年之限”不到4个小时的时候迎来合法化。

在整個北斗工程中,这颗星充当着承上启下的作用:既是前13年努力的结晶,也为接下来13年的建设打好铺垫。解决“合法”问题后的北斗进入了开挂模式。

2009年,第二颗北斗二号导航卫星发射;2010年一年,5颗卫星相继发射;2011年,又有3颗北斗卫星发射,其中一颗还经历了冒雨发射,颇有雷打不动的意味。到2012年10月底,北斗二号系统在连发了16颗卫星后,正式完成组网并投入运营。此后北斗二号系统又补充发射了6颗卫星,至今仍在为亚太地区提供导航等服务。

北斗二号的完成,让中国彻底赢得了中欧之间的频率竞争。实际上,在2010年北斗二号发射第三颗卫星时,就正式采用与欧洲“伽利略”卫星一样的PRS频段。为此欧洲航天局的代表团数次来到北京请求与中国谈判。

欧洲官员的说法是,该频率是欧洲从美国人手中花“血本”取得的,而且伽利略系统早已按此频率进行技术设计,已经无法修改,因此要求中国北斗系统“搬迁”到其他频道上。但中国是按照ITU的“先占先得”规则依法获得的频率,没有理由让出。2015年初,无计可施的欧盟被迫接受了中国提出的频率共用理念,中欧的频率之争得到解决。

在第二颗北斗二号卫星发射的2009年,北斗三号也启动了。8年后的2017年11月5日,我国成功以“一箭双星”的方式发射2颗北斗三号中圆轨道卫星。这是北斗三号卫星的首次发射,标志着中国北斗卫星导航系统步入全球组网时代。

接下来的一年,北斗三号进入卫星高密度发射期。2018一整年,北斗三号总共发射了18颗卫星,这在世界导航卫星史上破了先例,缔造了“北斗速度”。同年12月27日,中国卫星导航系统管理办公室主任、北斗卫星导航系统新闻发言人冉承其正式对外宣布,北斗三号基本系统完成建设,开始提供全球服务。此时的北斗已经完全超越伽利略系统。

一个例子便是,2019年下半年,欧洲伽利略导航卫星系统的所有服务中断,且中断时长近一周。欧洲将伽利略系统瘫痪的责任推给中国,抱怨这次瘫痪是“被中国逼的”。然而最终故障的调查报告却让人无语:系统瘫痪的罪魁祸首是人为失误加管理混乱。简单来说,就是没人管导致的。很难相信,这就是十多年前在技术、资金和研发进度等方面都超过北斗的导航系统。

而北斗系统依然势头不减,2019年又接连发了10颗卫星。此次发射的最后一颗北斗组网卫星,是第32颗北斗三号卫星,同时也是第55颗北斗全球组网卫星。至此,整个北斗系列共发射了59颗卫星,他们分别分布在地球静止轨道(GEO)、倾斜地球同步轨道(IGSO)和中圆地球轨道(MEO)。

其中,在最后用以支撑北斗系统全球覆盖的30颗北斗三号组网卫星(小于实际发射的卫星数量)中,3颗是GEO卫星,3颗是IGSO卫星,24颗是MEO卫星。三类卫星相互配合——3颗GEO卫星可基本实现对中国区域的三重增强覆盖,可降低整个星座的卫星数量,以控制成本,且GEO卫星还具备短报文通信功能,一星多用。

3颗IGSO卫星则可弥补GEO卫星在高纬度地区仰角过低的问题,可对高纬度地区进行有效的信号增强。最后24颗MEO卫星则构成了北斗全球组网的核心星座,GPS、格洛纳斯和伽利略导航系统的卫星均部署在该轨道上。

但由于地缘政治原因,我国不可能像美国GPS那样,在全球建立地面站。为解决境外卫星的数据传输通道问题,北斗系统又最先采用了一个独特的新设计——采取星间、星地传输功能一体化设计,实现了卫星与卫星、卫星与地面站的链路互通。

这一方式被称之为“星间链路”,它不仅解决了在全球建地面站的难题,还将北斗系统的精度提升了两倍。甚至,连GPS在2010年升级后的二代系统中也选择了用这种方式连接。这一次,中国智慧再次让“对手”叹服。

尽管北斗全球组网最终完成,但这并不是终点。按计划,到2035年我国将建成以北斗为核心,更加融合、更加智能的综合定位导航授时(PNT)体系。但当下,北斗的另一项工作正在如火如荼地展开。这项工作就是军民融合与商业化。

因军事需要诞生的卫星导航系统,在民用、商用领域有更大的价值空间。欧洲全球导航卫星系统局在《2019年全球卫星导航市场报告》中称,2019年全球卫星产业产值约为1507亿欧元,折合人民币约1.2万亿元。这其中,超过90%的市场被GPS占领,其他导航系统分食剩下不足10%的市场。

尽管目前GPS仍一家独大,但随着北斗、伽利略等系统建设完成,GPS的优势正在减弱。且北斗作为后研发的系统,在功能上有一些优越性:首先,我国的北斗导航系统首次创造了三种不同轨道的混合星座,由于高轨卫星多,因此抗遮挡能力强,在低纬度地区性能更为明显;其次,北斗导航系统具有短报文通信功能,应用方向更广泛;第三,北斗导航系统以“星间链路”的连接方式取代全球建地面站的方式,可不依赖地面通信站实现导航和通信功能。

一场新的全球导航市场竞赛正在打响。早在2013年,北斗二号系统投用后便开启了商业化。在当年的《中国卫星导航与位置服务产业发展白皮书》发布会上,中国卫星导航定位协会的代表对2013年冠以两个“元年”—“北斗系统在个人手机终端和车载电子设备标配化的启动元年”和“北斗位置服务的元年”。

这一年,国家层面数次推动北斗商业化:1月14日,交通运输部部署加快推进“重点运输过程监控管理服务示范系统工程”实施工作,成为第一个北斗卫星导航系统民用示范工程;9月,国家发展改革委、科技部等部门共同研究起草的《国家卫星导航产业中长期发展规划》正式发布实施,其提出到2020年北斗导航及其兼容产品对国内卫星导航应用市场的贡献率要达到60%。

此后,北斗相继在电力、车辆管理、汽车导航、可穿戴设备、航海导航、GIS数据采集、精准农业、智慧物流、无人驾驶、工程勘察等领域展开应用。甚至北斗很多应用就在人们的日常生活中,比如铁路安全和共享单车停放。

我国铁路主要是通过信号机、列控等信号系统来保障列车运行安全。但是,信号系统不同程度地依赖于地面设备。在强自然災害等极端情况下,设备可能遭到严重损坏,导致调度指挥出现盲区,从而引发列车追尾等重大交通事故。而北斗系统在不依赖于地面设备的情况下还能全天候为列车进行定位,成为避免列车追尾事故的首选方案。

共享单车停放是城市管理者最头疼的事之一。在应用了北斗定位系统后,单车可指定某个电子停车区域,车辆只有停放到区域内才能够锁车,否则无法锁车并一直计费。

根据中国卫星导航定位协会发布的《中国卫星导航与位置服务产业发展白皮书(2019)》,截至2018年,仅中国的卫星导航与位置服务产业总体产值已达3016亿元,与卫星导航技术研发和应用直接相关的产业核心产值达1069亿元,北斗对产业的核心产值贡献率达80%。

尽管目前北斗的市场规模在1000亿左右,远低于美国GPS,但其潜力正加速爆发,越来越多的国外项目,已经认可北斗的价值。先是东南亚四国(泰国、老挝、文莱和缅甸)与中国政府签订协议,采用我国的北斗导航系统。随后巴基斯坦也加入“北斗阵营”。此后,就连已有导航系统的俄罗斯也来购买北斗产品。

到2019年,北斗系统已经在印度尼西亚土地确权、科威特建筑施工、乌干达国土测绘、缅甸精准农业、马尔代夫海上打桩、柬埔寨无人机、泰国仓储物流、巴基斯坦机场授时以及俄罗斯电力巡检等领域得到广泛应用。如今,北斗地基增强技术和产品成体系输出海外,北斗基础产品已出口至120余个国家和地区,北斗高精度产品也出口到90多个国家和地区。

值得注意的是,这些卫星导航系统不是非要争个你死我活,多系统兼容与互操作已成为发展趋势。美军U-2侦察机已将中国的北斗卫星导航系统作为备用系统,供飞机在GPS失灵时使用。U-2飞行员佩戴的手表也内置了多个导航系统,除GPS外,也能连接北斗、格洛纳斯和伽利略系统。

为何要跟竞争对手搅在一起呢?首先是为正常运行提供保障。根据GPS的工作原理,接收机需要同时“看到”至少4颗导航卫星,才能实现定位。如果使用单一导航系统,一旦在某一区域上空卫星数量有限,接收机与某颗卫星就会断开联系,影响定位服务的持续性。北斗与GPS实现互操作以后,用户用一台接收机能同时接收两个系统的卫星信号,如GPS卫星数量不够的话,还有北斗卫星,定位的稳定性和精度会更高。

其次,卫星导航产业一般遵循由军用到行业再到民用、从小众到大众的发展规律。北斗导航系统现已广泛应用于交通运输、公共安全、农林渔业、水文监测、气象预报、通信时统、电力调度、救灾减灾等领域,而兼容可提高产品性能,提升用户体验,为商业竞争加分。

目前,国际主流全球导航卫星系统(GNSS)厂商都采用多系统共用模式,产品一般都支持两个或者更多的卫星导航系统,北斗三号在设计建造之初就已考虑对其他卫星导航系统的兼容性,用户可以在终端上接收多个信号。

其实某种意义上,导航系统的军事价值也需要通过民用价值来巩固,因为一个没人用的导航系统在性能提升和行业渗透上都会遇到瓶颈,也就失去了在紧急状态下的安全基础和充当反制手段的潜力。

数年前,全球最著名的军事期刊英国《简氏防务周刊》就曾撰文称,中国的北斗系统对美国的GPS系统构成了挑战,美国垄断卫星导航高科技的时代将结束。如今来看,这一说法正在慢慢应验—中国独立研制的导航系统不仅冲破了种种国外封锁,还站到了世界卫星导航的竞技场,并慢慢秀出肌肉。当下的中国科技市场,正经历十多年前北斗的遭遇—技术强国的技术封锁。

这种封锁是全球化退步的无奈现象,将给各国产业带来阵痛,并重复消耗全人类本就不多的资源。但面对已在形成的事實,经济和技术上仍是后发国家的中国也没有更多的选择:只能自己干。如何在起步时间、资金、技术、人才甚至国际资源都处于下风的情况下闯出一条路?北斗或许能为中国科技发展给出启示。

总体产值已达3016亿元,与卫星导航技术研发和应用直接相关的产业核心产值达1069亿元,北斗对产业的核心产值贡献率达80%。

尽管目前北斗的市场规模在1000亿左右,远低于美国GPS,但其潜力正加速爆发,越来越多的国外项目,已经认可北斗的价值。先是东南亚四国(泰国、老挝、文莱和缅甸)与中国政府签订协议,采用我国的北斗导航系统。随后巴基斯坦也加入“北斗阵营”。此后,就连已有导航系统的俄罗斯也来购买北斗产品。

到2019年,北斗系统已经在印度尼西亚土地确权、科威特建筑施工、乌干达国土测绘、缅甸精准农业、马尔代夫海上打桩、柬埔寨无人机、泰国仓储物流、巴基斯坦机场授时以及俄罗斯电力巡检等领域得到广泛应用。如今,北斗地基增强技术和产品成体系输出海外,北斗基础产品已出口至120余个国家和地区,北斗高精度产品也出口到90多个国家和地区。

值得注意的是,这些卫星导航系统不是非要争个你死我活,多系统兼容与互操作已成为发展趋势。美军U-2侦察机已将中国的北斗卫星导航系统作为备用系统,供飞机在GPS失灵时使用。U-2飞行员佩戴的手表也内置了多个导航系统,除GPS外,也能连接北斗、格洛纳斯和伽利略系统。

为何要跟竞争对手搅在一起呢?首先是为正常运行提供保障。根据GPS的工作原理,接收机需要同时“看到”至少4颗导航卫星,才能实现定位。如果使用单一导航系统,一旦在某一区域上空卫星数量有限,接收机与某颗卫星就会断开联系,影响定位服务的持续性。北斗与GPS实现互操作以后,用户用一台接收机能同时接收两个系统的卫星信号,如GPS卫星数量不够的话,还有北斗卫星,定位的稳定性和精度会更高。

其次,卫星导航产业一般遵循由军用到行业再到民用、从小众到大众的发展规律。北斗导航系统现已广泛应用于交通运输、公共安全、农林渔业、水文监测、气象预报、通信时统、电力调度、救灾减灾等领域,而兼容可提高产品性能,提升用户体验,为商业竞争加分。

目前,国际主流全球导航卫星系统(GNSS)厂商都采用多系统共用模式,产品一般都支持两个或者更多的卫星导航系统,北斗三号在设计建造之初就已考虑对其他卫星导航系统的兼容性,用户可以在终端上接收多个信号。

其实某种意义上,导航系统的军事价值也需要通过民用价值来巩固,因为一个没人用的导航系统在性能提升和行业渗透上都会遇到瓶颈,也就失去了在紧急状态下的安全基础和充当反制手段的潜力。

数年前,全球最著名的军事期刊英国《简氏防务周刊》就曾撰文称,中国的北斗系统对美国的GPS系统构成了挑战,美国垄断卫星导航高科技的时代将结束。如今来看,这一说法正在慢慢应验—中国独立研制的导航系统不仅冲破了种种国外封锁,还站到了世界卫星导航的竞技场,并慢慢秀出肌肉。当下的中国科技市场,正经历十多年前北斗的遭遇—技术强国的技术封锁。

这种封锁是全球化退步的无奈现象,将给各国产业带来阵痛,并重复消耗全人类本就不多的资源。但面对已在形成的事实,经济和技术上仍是后发国家的中国也没有更多的选择:只能自己干。如何在起步时间、资金、技术、人才甚至国际资源都处于下风的情况下闯出一条路?北斗或许能为中国科技发展给出启示。