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剛剛，北斗衛(wèi)星拿下收官之戰(zhàn)，中國組建起覆蓋全球衛(wèi)星導(dǎo)航星座
經(jīng)過26年，中國人建立了全球第三個(gè)成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。它不僅將會(huì)幫助中國擺脫對(duì)GPS的依賴，同時(shí)有希望對(duì)GPS的全球統(tǒng)治地位發(fā)起挑戰(zhàn)。
26年漫長歷程。2020年6月23日，中國北斗三號(hào)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)迎來最后一戰(zhàn)。
上午9時(shí)43分04秒，隨著點(diǎn)火命令下達(dá)，搭載第55顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星的長征三號(hào)乙運(yùn)載火箭，在騰空而起的橘紅色火焰中飛向太空。這顆衛(wèi)星是北斗三號(hào)最后一顆全球組網(wǎng)衛(wèi)星，至此北斗三號(hào)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)星座部署比原計(jì)劃提前半年全面完成。
此次發(fā)射的收官星，是北斗三號(hào)系統(tǒng)中3顆地球同步靜止軌道衛(wèi)星之一，也是北斗三號(hào)系統(tǒng)中重量最重、體積最大的一顆，具備無線電導(dǎo)航、無線電測定、星基增強(qiáng)、精密單點(diǎn)定位、短報(bào)文通信、星間通信與測量六大功能。
火箭起飛140秒后，火箭助推器實(shí)現(xiàn)分離；157秒后，火箭一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)分離；340秒后，火箭二級(jí)三級(jí)實(shí)現(xiàn)分離；約1270秒后，三級(jí)火箭二次點(diǎn)火，將衛(wèi)星加速到10km每秒；約1540秒后，星箭成功實(shí)現(xiàn)分離；約1620秒后，衛(wèi)星太陽翼展開。
位于三級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)上的攝像頭幸運(yùn)地拍到了衛(wèi)星太陽翼展開的畫面，當(dāng)它展開之時(shí)，恰好反射出太陽的光澤，與藍(lán)色的地球、絲絮狀云朵構(gòu)成了一幅絕美的畫面。
10時(shí)17分許，西昌衛(wèi)星發(fā)射中心主任張學(xué)宇宣布：“北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)第55顆衛(wèi)星已準(zhǔn)確進(jìn)入預(yù)定軌道，太陽帆板展開到位，衛(wèi)星狀態(tài)正常，此次發(fā)射任務(wù)取得圓滿成功?！?/p>
實(shí)際上，最后一顆北斗原計(jì)劃在5月發(fā)射，后因航天發(fā)射任務(wù)失利，工程全線舉一反三 ，進(jìn)行質(zhì)量復(fù)查，發(fā)射時(shí)間由5月調(diào)整至6月。6月16日，又因臨射前發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品技術(shù)問題，發(fā)射任務(wù)再次推遲。
6月22日，據(jù)中國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)管理辦公室消息，因故推遲執(zhí)行的北斗三號(hào)最后一顆全球組網(wǎng)衛(wèi)星發(fā)射任務(wù)相關(guān)技術(shù)問題已排除，任務(wù)重新啟動(dòng)，擬于6月23日擇機(jī)執(zhí)行。
這次收官發(fā)射意味著，我國自上世紀(jì)80年代提出設(shè)想、1994年正式啟動(dòng)“三步走”的北斗系統(tǒng)建設(shè)，終于在2020年中走完最后一步，實(shí)現(xiàn)了全球組網(wǎng)，建立起覆蓋全球的衛(wèi)星導(dǎo)航星座。
這是繼美國GPS、俄羅斯格洛納斯之后，由中國人建立的全球第三個(gè)成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。它不僅將會(huì)幫助中國擺脫對(duì)GPS的依賴，同時(shí)有希望對(duì)GPS的全球統(tǒng)治地位發(fā)起挑戰(zhàn)。
自建星座
說起衛(wèi)星導(dǎo)航，不得不從美國說起。
1957年，蘇聯(lián)人發(fā)射升空了第一顆人造衛(wèi)星之后，美國兩位年輕的研究者比爾·蓋伊和喬治·威芬巴赫，在對(duì)蘇聯(lián)這顆衛(wèi)星的追蹤中發(fā)現(xiàn)，衛(wèi)星在飛近地面接收機(jī)時(shí)收到的無線電頻率逐漸增高，飛遠(yuǎn)時(shí)則逐漸降低。那這意味著，如果在地面上架設(shè)多部接收機(jī)，就可以根據(jù)接收到的信號(hào)的不同頻差推算出這個(gè)衛(wèi)星的具體位置。
當(dāng)他們把這個(gè)結(jié)果告訴實(shí)驗(yàn)室主任弗蘭克·麥克盧爾時(shí)，后者敏銳地察覺到了這在軍事上的重要應(yīng)用，它將有可能幫助在大洋中的核潛艇確定自己的位置，并將核導(dǎo)彈準(zhǔn)確地落在敵人的城市上方。
1960年4月13日，美國成功發(fā)射世界第一顆定位導(dǎo)航衛(wèi)星——“子午儀－1B”號(hào)，到1967年，被命名為“海軍導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)”的衛(wèi)星組網(wǎng)完成。
資料顯示，同樣在1967年，大洋彼岸的中國也發(fā)現(xiàn)了導(dǎo)航衛(wèi)星的應(yīng)用價(jià)值，于是啟動(dòng)“燈塔計(jì)劃”，但最終卻因技術(shù)方向轉(zhuǎn)型、財(cái)力有限等被迫放棄。
直到1983年，陳芳允院士等專家學(xué)者提出，基于國情我國可以先發(fā)展技術(shù)相對(duì)簡單、成本較低廉的“雙星快速定位通信系統(tǒng)”，這是第一代北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的雛形。
不過這一提議直到1989年9月才真正實(shí)現(xiàn)第一代“北斗”的可行性測試，可見這一過程進(jìn)展并不迅速，結(jié)合當(dāng)時(shí)集中力量發(fā)展經(jīng)濟(jì)的時(shí)代背景，這并不難理解。
世界另一端。在第一代導(dǎo)航星座基礎(chǔ)上，1973年美國全球定位系統(tǒng)正式誕生，在這個(gè)方案中，要在20200千米高的6個(gè)軌道平面上，每個(gè)軌道平面布設(shè)4顆衛(wèi)星，總計(jì)24顆組網(wǎng)衛(wèi)星，再加上4顆備份衛(wèi)星共28顆衛(wèi)星組成導(dǎo)航星座。
1978年美國第1顆GPS試驗(yàn)衛(wèi)星發(fā)射成功，到1985年時(shí)，美國共發(fā)射了11顆GPS衛(wèi)星。
此時(shí)恰好是中美交流密切時(shí)期。在中國衛(wèi)星導(dǎo)航的發(fā)展路徑上，到底是像美國這樣一步到位全球組網(wǎng)還是分階段走，引發(fā)了爭論，最終的結(jié)果是確定了“ 先區(qū)域、后全球”的思路。這為之后提出“三步走”的戰(zhàn)略打下了基礎(chǔ)。
從1985年開始，在持續(xù)了8年多的測試論證后，1994年1月北斗一號(hào)被正式立項(xiàng)。
有資料認(rèn)為，真正使中國下定決心搞自己的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的原因，很大一部分是由于國際局勢的變動(dòng)。上個(gè)世紀(jì)80年代末90年代初，中美兩國關(guān)系重回冰點(diǎn)，中國想要應(yīng)用衛(wèi)星導(dǎo)航必須依靠自己。同時(shí)1991年左右進(jìn)行的海灣戰(zhàn)爭中，美軍向世界初次展示了GPS在軍事領(lǐng)域中的巨大作用，推動(dòng)了中國加快自己衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展。
另一個(gè)更重要的原因是在海灣戰(zhàn)爭中，美國對(duì)包括歐洲盟友在內(nèi)的使用者關(guān)閉了GPS信號(hào)，這讓許多國家意識(shí)到，不能依賴于美國GPS系統(tǒng)，必須建設(shè)自己的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。如1992年，歐洲宣布啟動(dòng)伽利略計(jì)劃，建設(shè)自己的導(dǎo)航星座。
三步走的北斗
自1994年1月立項(xiàng)，到2020年6月16日，北斗完成了三步走。
第一步，1994年至2003年，建設(shè)北斗一號(hào)系統(tǒng)，后更名為“北斗衛(wèi)星導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)”，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星導(dǎo)航從無到有，定位精度20米。
第一步走的重點(diǎn)節(jié)點(diǎn)包括，1994年北斗一號(hào)系統(tǒng)建設(shè)正式啟動(dòng)；2000年發(fā)射2顆地球靜止軌道（GEO）衛(wèi)星，北斗一號(hào)系統(tǒng)建成并投入使用；2003年，發(fā)射第3顆地球靜止軌道（GEO）衛(wèi)星。
北斗一號(hào)系統(tǒng)的建成，初步滿足了中國及周邊區(qū)域的定位、導(dǎo)航、授時(shí)需求。使中國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了從無到有的跨越，中國成為繼美國、俄羅斯之后第三個(gè)擁有衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的國家。并且在設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)了雙向短報(bào)文通信功能，成為北斗的獨(dú)創(chuàng)。
但資料顯示，北斗一號(hào)系統(tǒng)存在大量缺點(diǎn)。首先它只覆蓋了中國及周邊，無法全球使用，當(dāng)時(shí)索馬里海域護(hù)航編隊(duì)就無法使用北斗進(jìn)行導(dǎo)航；其二，它是有源定位，需要用戶發(fā)射信號(hào)，系統(tǒng)才能對(duì)其定位，用戶無法實(shí)現(xiàn)無線電靜默，這就決定了它不能應(yīng)用于軍事；第三，它的軌道遠(yuǎn)高于GPS，造成在定位精度上存在較大差距。
正是在這樣的差距下，2003年9月，在歐盟的主動(dòng)邀請下，中國與歐盟達(dá)成合作加入伽利略計(jì)劃，并計(jì)劃投入2.3億歐元支持這一項(xiàng)目。但短短一年，遭遇歐美施加的不公正待遇后，中國漸漸遠(yuǎn)離了這一計(jì)劃。
第二步，2004年至2012年，中國開始建設(shè)“北斗二號(hào)系統(tǒng)”，服務(wù)區(qū)域?yàn)橹袊c亞太，定位精度10米。
2004年，北斗二號(hào)系統(tǒng)建設(shè)啟動(dòng)。到2012年，完成了14顆衛(wèi)星的發(fā)射組網(wǎng)。這14顆衛(wèi)星中，有5顆地球靜止軌道（GEO，約3.57萬km）衛(wèi)星、5顆傾斜地球同步軌道（IGSO，約3.57萬km）衛(wèi)星和4顆中圓地球軌道（MEO，約2.2萬km）衛(wèi)星。
同時(shí)，在兼容北斗一號(hào)有源定位體制的基礎(chǔ)上，增加了無源定位體制，僅靠接收信號(hào)就能定位。
2012年10月25日，第16顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)射升空并進(jìn)入預(yù)定軌道，北斗二號(hào)部署完成。2012年12月27日，北斗二號(hào)正式向亞太地區(qū)提供區(qū)域服務(wù)。
第三步，2009年至2020年，建設(shè)北斗三號(hào)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)全球組網(wǎng)，定位精度2.5m-5m。
北斗三號(hào)標(biāo)稱星座一共有30顆衛(wèi)星，包括24顆中圓地球軌道衛(wèi)星、3顆地球靜止軌道衛(wèi)星，以及3顆傾斜地球同步軌道衛(wèi)星。正式開展星座組網(wǎng)之前，北斗三號(hào)還發(fā)射了5顆試驗(yàn)衛(wèi)星進(jìn)行技術(shù)驗(yàn)證。北斗三號(hào)總共發(fā)射的衛(wèi)星數(shù)量達(dá)到35顆。
北斗三號(hào)系統(tǒng)繼承了北斗一代有源定位和北斗二號(hào)無源定位兩種技術(shù)體制，通過星間鏈路解決了全球組網(wǎng)需要全球布站的問題。同時(shí)在北斗二號(hào)的基礎(chǔ)上提升性能、擴(kuò)展功能，為全球用戶提供定位導(dǎo)航授時(shí)、短報(bào)文通信和國際搜救等服務(wù)；同時(shí)在中國及周邊地區(qū)提供星基增強(qiáng)、地基增強(qiáng)、精密單點(diǎn)定位和區(qū)域短報(bào)文通信服務(wù)。
目前，北斗定位由北斗二號(hào)和北斗三號(hào)系統(tǒng)共同提供，到2020年后，平穩(wěn)過渡到以北斗三號(hào)系統(tǒng)為主。
到2035年，中國將完成下一代北斗系統(tǒng)星座組網(wǎng)，建設(shè)以北斗為核心、基準(zhǔn)統(tǒng)一、覆蓋無縫、安全可信、高效便捷的國家綜合PNT（定位、導(dǎo)航、授時(shí)）體系。
背水一戰(zhàn)
建設(shè)如此龐大的空天工程，其中的難度與挑戰(zhàn)可想而知。
北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)工程總設(shè)計(jì)師楊長風(fēng)在接受央視采訪時(shí)，回憶起發(fā)生在2007年時(shí)的驚心動(dòng)魄的一幕。
2000年4月18日，經(jīng)過多方努力，中國終于在國際電聯(lián)獲得了北斗二號(hào)的軌道位置和頻段。不過這些稀缺資源并不是取得之后就可以一勞永逸使用，國際電聯(lián)制定了一個(gè)規(guī)則，如果在7年之后，也就是2007年4月18日，還沒有發(fā)射衛(wèi)星使用這一頻段進(jìn)行天地通信，那么這個(gè)軌道位置和頻段將被收回。
這就意味著，中國的北斗二號(hào)系統(tǒng)必須在2007年4月18日前完成發(fā)射并開始頻率傳輸。
但是從2000年到2004年4年時(shí)間里，北斗二號(hào)一直在做論證工作，同時(shí)受到加入歐洲伽利略計(jì)劃的影響，直到2004年，北斗二號(hào)系統(tǒng)才正式啟動(dòng)。
此時(shí)，距離頻率申請已過去四年，離最后的時(shí)間，只有3年。但在正常情況下，這差不多需要5年的時(shí)間才能完成所有工作。
北斗團(tuán)隊(duì)開始與時(shí)間賽跑。
終于在2007年4月，北斗二號(hào)系統(tǒng)第一顆導(dǎo)航衛(wèi)星被裝進(jìn)火箭，準(zhǔn)備發(fā)射，火箭也已經(jīng)在發(fā)射塔架上。然而在第三次總檢查時(shí)，團(tuán)隊(duì)突然發(fā)現(xiàn)衛(wèi)星應(yīng)答機(jī)異常。應(yīng)答機(jī)主要應(yīng)用于天地通信，通過它才能知道天地信號(hào)可以連通。
楊長風(fēng)和同事們面臨抉擇，如果不進(jìn)行檢修就將這顆衛(wèi)星發(fā)射，有可能出現(xiàn)應(yīng)答機(jī)故障，無法證明真正實(shí)現(xiàn)了頻率傳輸，那么已經(jīng)申請的頻率仍有可能被取消；而拿出再檢修意味著時(shí)間更加急迫，很有可能無法在截止日前完成發(fā)射。
團(tuán)隊(duì)最終還是決定將應(yīng)答機(jī)取出修復(fù)。留給團(tuán)隊(duì)修復(fù)的時(shí)間，只有短短三天。
“那三天，說句實(shí)在話，心情是緊張、沉重、壓力也很大，72小時(shí)基本上沒合眼。”楊長風(fēng)回憶。
2007年4月14日4時(shí)11分，這顆經(jīng)過修復(fù)的北斗衛(wèi)星順利起飛。4月17日20時(shí)許，衛(wèi)星傳回信號(hào)。此時(shí)距離國際電聯(lián)的“七年之限”只剩不到4個(gè)小時(shí)。
掘金北斗
5 月 21 日，在全國兩會(huì)期間，全國政協(xié)委員、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)工程總設(shè)計(jì)師楊長風(fēng)亮相會(huì)議首場委員通道。
據(jù)楊長風(fēng)介紹，北斗系統(tǒng)已經(jīng)在交通運(yùn)輸、農(nóng)林漁業(yè)、減災(zāi)救災(zāi)等各行各業(yè)得到廣泛應(yīng)用，在疫情防控中也發(fā)揮了巨大的作用。
衛(wèi)星導(dǎo)航是一個(gè)巨大的市場。
2019年10月，歐洲全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)局發(fā)布了2019年全球衛(wèi)星導(dǎo)航市場報(bào)告，預(yù)測在未來的十年內(nèi)全球衛(wèi)星導(dǎo)航市場將會(huì)保持穩(wěn)定增長。預(yù)計(jì)到2029年全球衛(wèi)星導(dǎo)航市場總產(chǎn)值約為3244億歐元（約2.6萬億人民幣），將會(huì)比2019年的1507億歐元翻一番。亞太地區(qū)市場容量超過全球一半。
2020年5月18日，中國衛(wèi)星導(dǎo)航定位協(xié)會(huì)也發(fā)布了《2020中國衛(wèi)星導(dǎo)航與位置服務(wù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展白皮書》。數(shù)據(jù)顯示，2019年我國衛(wèi)星導(dǎo)航與位置服務(wù)產(chǎn)業(yè)總體產(chǎn)值達(dá)3450億元，較2018年增長14.4％。
而隨著“北斗＋”和“＋北斗”應(yīng)用的深入推進(jìn)，由衛(wèi)星導(dǎo)航衍生帶動(dòng)形成的關(guān)聯(lián)產(chǎn)值繼續(xù)保持較高速度增長，達(dá)到2284億元。
白皮書同時(shí)顯示，截至2019年底，國產(chǎn)北斗兼容型芯片及模塊銷量已突破1億片，國內(nèi)衛(wèi)星導(dǎo)航定位終端產(chǎn)品總銷量突破4.6億臺(tái)，其中具有衛(wèi)星導(dǎo)航定位功能的智能手機(jī)銷售量達(dá)到3.72億臺(tái)。我國衛(wèi)星導(dǎo)航與位置服務(wù)領(lǐng)域企事業(yè)單位數(shù)量保持在14000家左右，從業(yè)人員數(shù)量超過50萬。
截至2019年第三季度，在中國市場申請入網(wǎng)的手機(jī)有400余款具有定位功能，其中支持北斗定位的近300款。
在面向國內(nèi)時(shí)，北斗也逐漸走向全球。資料顯示，國產(chǎn)北斗基礎(chǔ)產(chǎn)品已出口 120 余個(gè)國家和地區(qū)。
由于在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)重點(diǎn)考慮到國內(nèi)與亞太區(qū)的應(yīng)用，北斗在亞太大部分地區(qū)，每時(shí)可見約 12 至 16 顆衛(wèi)星，全球其他地區(qū)每時(shí)可見 4 至 6 顆衛(wèi)星。而亞太區(qū)域恰恰又是人口眾多、經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速的地區(qū)，這為北斗產(chǎn)業(yè)的發(fā)展增添了助力。
“對(duì)于北斗而言，研制與發(fā)射的挑戰(zhàn)已經(jīng)完成，未來如何在全球推廣應(yīng)用是它面臨的更多也更大的挑戰(zhàn)。”航天領(lǐng)域?qū)I(yè)人士對(duì)《中國企業(yè)家》表示。
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