北斗导航系统的发展历程及应用研究

高贝贝 鲁同所 廖偲含

摘 要：北斗导航系统（BDS）是我国自主研发、独立设计，秉承着开放自主、兼容渐进建设原则的一项高新技术成果。本文主要介绍了它的构成，立项建设背景、研发历程、特征性能、优势和应用以及发展前景。BDS成功组网打破了GPS在我国市场应用的垄断地位，提升了我國在国际相关领域的话语权和影响力。BDS全面投入使用将不仅能够推动我国信息技术方面的革新，而且还可以提高国内各种资源的整体利用率和成果转化率。

关键词：BDS;北斗三号;卫星;航天;定位

中图分类号：V19  文献标识码：A  文章编号：1673-260X（2021）04-0037-07

0 引言

有人说中国“北斗”距全面赶超美国“GPS”只差一颗卫星，2020年6月23日9时43分我们在西昌卫星发射中心实现了这个目标;换而言之，伴随这一时刻的到来，已经拥有55颗组网卫星的北斗系统在亚太地区的精准度将达到前所未有的10cm，远非精准度为30cm的美国GPS可比。在这个重要的历史时刻，我们终于可以自豪地挺直中国航天的腰板。这意味着BDS（其轨道示意图见图1）完美完成发射任务并且成功组网。其实早在20世纪70年代我国便提出了有关北斗的构想，因为“银河号”事件的发生，直到1993年才正式提出了规划，1994年北斗一号正式立项，由此开始了长达30年的研发历程。在这30年里，面对GPS的快速发展和风靡全球，我国全力攻克每一道难题，尽力修复系统缺陷，终于在2020年6月23日9时43分取得了巨大的突破。我们的在轨卫星数量远超他国，定位精度优于其他系统，最重要的是，我们拥有其他国家不曾具备的优势——短报文通信[1]，可以在国际搜救、救灾行动中发挥重要作用。

1 什么是北斗导航系统

中国是继美国、俄罗斯之后第三个自主研发出成熟的全球卫星导航系统的国家，现已成为联合国卫星委员会钦定的四大供应商之一[1]。

“北斗”一词来源于《尚书纬》，象征着希望和前进的方向[2]。BDS的标志（如图2）是一个正圆形图案，远看象一对点缀着北斗七星的太极阴阳鱼，下方散布着网格化地球，周围环绕着中英文名称;圆形图案寓意为中国传统文化中的“圆满”;蓝色代表着航天事业。早在远古时期，人们便用北斗七星来辨识方位，我国古代发明的司南[3]（如图3）是世界上最早的导航装置，这两种方位识别方法的应用彰显了我国古人的智慧;网格化地球和中英文文字代表了BDS开放兼容的态度以及服务全球的愿景。

我国自主研发的BDS不仅是我国重要的空间基础设施，还可以为全球用户提供无间断的定位、导航和计时服务。具体可分为开放服务和授权服务。BDS的徽章（如图4）主要由三个部分组成：地球、司南和北斗七星。网格的下半部分代表相交的纬度和经度即我们生活的地球，表明BDS正在构建一个全球性的定位导航系统，寓意对未来的承诺和期望。网格上部波浪状的图案是指在战国时期古中国所采用的导航装置-司南。司南是由天然磁铁矿制成的杓形物体，放置在标有方向的光滑的铜板上，利用磁铁指南的作用，可以识别方向。它是世界上最早的指南针。BDS徽章中包含司南元素一方面是为了突出中国导航的悠久历史，另一方面也代表了BDS的基本职责即定位导航，指示人们前进的方向。

顶部印刷的是每个人都熟悉的星体组合——北斗七星（如图5）。北斗七星在古代是指引人夜间行进的重要标志，用在此处一则可以展示BDS作为人们的向导，二则也反映了浓烈的民族色彩及自豪感。

BDS采用点位测量技术，利用3颗人造卫星即可实现精准的导航、定位、授时等功能[3，4]，目前全球各国的卫星导航系统均采用三球交汇定位原理[5，6]（如图6），具体流程如下：

（1）地球上的北斗用户接收机可以同时测量到3颗卫星的距离。

（2）各卫星的位置通过导航电文播发给用户。

（3）以卫星为球心，接收机到卫星的距离为半径画球面。

（4）3个球面相交得两个点，根据地理常识排除一个不合理点即得用户位置。

值得注意的是，因为误差的存在，3颗卫星的定位并不是特别准确，这就需要3颗以上的卫星来实现高精度的定位。

毫无疑问，BDS系统也采用了三球交汇原理进行建造设计，通过地面的控制中心进行数据解算，随后向用户提供坐标数据。整个系统由三大部分组成：空间部分（人造卫星）、地面部分（地面监控站）与设备部分（卫星信号接收设备）;空间段包括5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星，地面段包括主控站等许多个地面站，用户段包括北斗与其他卫星导航系统兼容的终端[7]。

2 北斗导航系统的提出背景

2.1 国外催化

GPS（如图7）是美国为监控快速发展的苏联而联系多位科学家研发的。为收回成本，各国必须高价购买才能得到使用权。GPS最早应用在军事领域，为防止提供方随意更改编码及错乱定位，我国决心建立属于自己的导航系统——BDS（如图8）。

2.2 国内需求

卫星导航系统不仅能够为全球的用户提供24小时不间断的高精度的导航、定位和授时服务，还可以拓展人类活动、促进社会发展，创造很高的经济效益。作为独立自主的大国，建立专属于本国的卫星导航系统势必能显示其综合国力，还能在世界上争取更多话语权。

首先，从国家安全方面考虑，如果我们引进GPS，不仅要付出巨大代价接受美国的低版本服务，还得提防美国恶意操纵系统（延迟信息、虚假信息、关闭系统等）;建立自己的卫星导航系统，可以摆脱依赖，在未来战争中发挥主导作用，否则我们将会受制于人。具体事例如下：（1）1991年海湾战争时期美国充分利用GPS的精确制导图像服务，仅用2颗导弹轻松的摧毁了伊拉克水电站。（2）在1993年“银河号”事件中，美国为牵制我国，擅自关闭了我国的导航服务，致使“银河号”迷失方向，被迫停留在海湾地区33天，使我国蒙受巨大损失[8]。（3）1999年印巴卡吉尔战争时期美国擅自关闭了印度在战区的武器定位服务，使得印度的军事武器失去作用。虽然印度最终取得了战争的胜利，但也遭受了较大伤亡。为避免这类事件再次上演，我国踏上了自制导航系统的道路。

其次，出于经济因素考虑，拥有专属于本国的定位系统，不仅能够优先低价服务国人，让我国相关行业应用这种先进设备，发挥更大作用、创造更多的社会价值和物质财富。此外，还可以将BDS远销国外，投入国际市场，参与国际竞争，赚取外汇，百利而无一害。

最后在技术层面上，科学技术的发展永不停息，各国都在争做先驱。一旦我们发展了自己的卫星导航系统，我们就有了相应的技术储备，这便意味着我们国家的科学技术水平领先于世界其他国家，在即将到来的科技大潮中可以抢占先机。

2.3 国际大势

当今世界主要有美国的GPS、中国的BDS、欧盟的GALILEO和俄罗斯的GLONASS四大系统。实际上其它国家也有独立的、区域性的卫星导航系统，比如日本、印度等国家[9]。其中美国的GPS1973年启动，1995年全面应用，比其他导航系统发展迅速且全面。20世纪90年代，GPS走进手机，开始普罗大众。各国也在利用GPS创造更多的价值，随着应用范围的扩展，GPS衍生产品已经成功打入全球无线通信终端，并成为一项重要的产品，直接推动了GPS产品市场的快速发展。

国外卫星领域的蓬勃发展以及国内迫切的市场需求，引起了政府的高度重视，最终决定研制属于自己的导航系统，故此我国踏上了北斗之旅[10]。

3 北斗系统卫星发射、研制历程

其实早在20世纪70年代我国就提出BDS论证方案——“灯塔”计划，与美国、苏联同期拥有构想，后因为国内外严峻的形势，被迫暂停计划。后又因为1993年“银河号”事件的发生，我国决定重启“灯塔”计划（如图9）。

1994年，中科院院士孙家栋与时任国防科工委副主任的沈荣骏联名向国家提议此事，由此北斗一号工程正式立项，我国开始了漫长的研制工作[11]。俗话说万事开头难——1994年，改革开放不到20年，中国的经济基础十分薄弱，资金有限、人才匮乏、技术经验不足，还面临着美国和欧盟的技术禁运。显然我们不可能一下子就建成整个系统，这注定会是一个漫长的探索过程。于是整个北斗计划被调整为我们现在所看到的“三步走”[11，12]（如图10）。

实际上从1994年至2007年，我国只发射了4颗试验卫星，仅覆盖国内，进行区域测试服务，目前三颗已停用，另一颗无法正常进行工作。其中2000年发射的两颗静止卫星，实现了亚太区域性卫星导航服务;2003年和2007年各发射的一颗备份卫星，进一步增强了系统性能，至此实现覆盖国内区域性定位服务。2007年北斗一号正式完工，这表明我国在军事领域（战术武器等）方面一定程度上已经摆脱了对GPS的依赖。

由于自建卫星导航系统所需资金巨大，按照原计划，我国只需研发出北斗一号应用于亚太地区即可。在全球性应用方面寄希望于与欧盟共同推出GALILEO系统，相比于GPS而言，GALILEO是一个优先发展民用的系统，并不会与军方有太多牵扯，面临的军事威胁大大降低，同时参与“GALILEO计划”还可以让我国学到更为先进的技术。2000年GALILEO立项;2003年我国率先加入该项目，投资超2亿欧元，并迅速成立了中欧卫星导航技术培训合作中心。然而，造价仅仅相当于一个欧洲中型机场的GALILEO系统进展很不顺利，欧盟麾下各国明争暗斗，导致这个项目被不断推迟。虽然中国是投资方却被不断排挤，欧盟很多核心技术的研究都把中国排除在外。因此中国果断决定：自己干！

于是北斗二号开始了紧锣密鼓的研发，中国正式踏上建设第二代北斗卫星导航系统（北斗二号）的征途[13]。在攻克了原子钟的核心技术难题之后，中国又在与欧盟GALILEO的频率之争中拔得头筹——当时国际电信联盟分配给卫星导航系统的频率资源是有限的，其分配原则是先发先得，在GPS与GLONASS先后占据最优频率后，北斗与GALILEO同擂竞争次优频率。在攻克了种种难关之后，我们最终先于GALILEO将卫星发射升空，保住了这来之不易的宝贵频率。到了2012年，我们已经成功发射了16颗卫星，对亚太地区实施了全覆盖。尤其是在2012年4月30日4時50分，我国突破了技术的限制，首次以“一箭双星”的方式发射了两颗卫星。相较于北斗一号，北斗二号不仅囊括了北斗一号原有的系统技术，还增加了许多性能，比如无源定位体制。在北斗二号的建设与运行过程中，我们积累了大量的技术和经验，于是有了更大的想法，即把北斗送出国门，送出亚太，投向世界。

2009年在北斗二号第二颗卫星发射的同时，北斗三号正式启动建设。2017年11月5日北斗三号进行了首次发射，标志着BDS系统开始步入全球组网时代[14]。2018年12月27日，北斗三号系统基本建设完成，预备开始提供全球服务。2020年6月23日9时43分发射的最后一颗北斗组网卫星，是北斗三号第32颗卫星，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（如图11），它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）[15]。

“三步走”北斗系统的具体情况与对比如表1。

4 北斗系统的特点优势

BDS不仅具备其他系统都有的功能，还拥有自己鲜明的特征（如图12）即它由三种轨道组成[15]。通过三种轨道上的卫星相互配合，BDS就像是太空中的一张大网，它不仅能够覆盖全球，还提供了高精度的定位和导航服务。近年来我国及周边地区相继增加了IGSO卫星，这不仅可以使局部区域导航功率信号增强，还能进一步提高我国周边及亚太地区的导航精度。三种不同轨道的卫星各司其职、优势互补，形成具有国家特色的卫星导航系统。

由于种种原因，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，BDS又最先采用了一个独特的新设计——星间链路[14]，它不仅解决了在全球建地面站的难题，还将其精度提升了两倍。

5 其他导航系统及性能参数对比

目前全球有四大卫星导航系统（如图2，图13），其中美国的GPS一经问世便以其高精度、全天候、全球覆盖、方便灵活的特质吸引众多用户，其综合定位精度可达厘米毫米级别，在全球范围内覆盖;而欧洲的GALILEO是从1978年开始制定计划，是世界上第一个优先考虑民用的全球卫星导航系统，有“欧洲GPS”之称，但其系统性能一般，曾在2019年下半年因系统故障，被迫中止服务一个多月;俄罗斯的GLONASS可追溯至苏联时期，后因苏联解体，该计划由俄罗斯接手，原定2007年年底投入使用、2009年年底拓展至全球，但终因资金不足等因素，GLONASS计划至今仍在研制阶段，它们与BDS之间的性质参数对比如下（见表2）。

6 应用领域

卫星导航定位系统广泛应用于各行各业（如图14），早些年GPS一家独大，占市场比重过大，近些年随着BDS、GALILEO及GLONASS的逐步发展完善，GPS的市场份额逐步降低，BDS的比重也在稳步增加，应用领域也在拓宽。

北斗产业也应用于其它方面，依据不同的定位精度（1mm-100m）划分出了大众消费市场和高精度专业应用市场（如图15）;主要划分为三个层次：国防应用、行业应用以及大众消费应用。其中国防应用涉及到对船舶、汽车、飞机、潜艇等运动物体进行定位导航[16]以及水上排雷定位等;行业应用涉及经济安全等方面，比如农业监控、森林调查、土地测量、车辆导航、城市智能交通等相关领域，北斗产业成熟后将在专业应用中具有巨大发展空间（见表3）。

而在大众消费应用市场方面，主要包括个人导航服务、道路智能导航应用、应急救援、危险品（贵重物品）运输以及精细化应用等板块。

7 研究意义及发展前景

我国卫星导航产业正迎来大规模爆发性发展契机，目前我国相关领域企业数高达1.4万家，从业人数超50万;截至2019年年底，专利申请量累计已达到74897件，高居全球第一位;2019年我国卫星导航与位置服务产业总体产值达3450亿元，较2018年增长14.4%（见图15）[17]。据发改委规划，2020年市场规模将达4000亿元[17]，截至2020年8月27日北极北斗产业规模已超500亿元[22]。

如果说，冷战时期的大国地位是靠原子弹决定的，那么21世纪初的大国地位很可能是靠原子钟来决定的[18]。幸运的是，中国已经成为世界上第三个在太空部署原子钟的国家，它不仅将是无处不在的向导，更将意味着标准、影响力以及制定游戏规则的权利[19]。普天之下，北斗照耀。

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