我们为什么需要北斗

2020-10-28 08:47:30 读者 2020年21期

月落乌堤

“长征三号乙”运载火箭成功发射第55颗北斗导航卫星

2020年6月23日9时43分,西昌卫星发射中心,由中国自主研制的“长征三号乙”运载火箭,成功发射第55颗北斗导航卫星,这也是“北斗三号”组网部署的最后一颗卫星。卫星发射成功后,北斗全球定位系统组网卫星部署圆满收官。

一次偶然的发现

1957年10月4日,人类历史上第一颗人造地球卫星在苏联发射成功,标志着人类迈出太空探索的第一步。

这引起美国的极大震动。在美国马里兰州的约翰斯·霍普金斯大学,在由美国政府组建的物理实验室中,两名科学家对这颗卫星展开了连续的跟踪和监控。在对卫星的无线电发报机信号的追踪过程中,他们发现了一个苏联人忽略的物理现象——多普勒频移。根据多普勒频移,可以确定卫星的实时位置。

不久之后,美国向外界公布了苏联卫星的运行轨道。这一数据,作为卫星设计及发射的国家,苏联也未能精确计算出来。

1958年2月1日,美国在匆忙中将自己的第一颗人造卫星“探险者1号”发射升空,并在“探险者1号”卫星上,增加了一个无线电信号功能:导航。

1958年3月,一项“公交导航系统”的实验性项目,在物理实验室开展起来。原理就是既然通过地球上固定的点,可以计算出卫星的轨道、速度及方位,那么通过卫星,也可以计算出地球上某一个信标的轨道、速度及方位。

没有人能想到,全球定位系统竟发轫于美国对苏联卫星的监控。

1968年,美国军方的第一代卫星导航系统正式投入使用,这个名为国防导航卫星系统的项目,成为美国乃至全球卫星导航方面第一次伟大的尝试,这一尝试,拉开卫星定位及导航的序幕。

1973年,美国国防部召开了一次由12名(军方)各部门人员参加的内部会议,在五角大楼正式提出组建一个全球性的卫星导航系统,为方便引用及推广,又将之称为全球定位系统GPS(Global Positioning System)。这是美国航空航天史上,继阿波罗计划、航天飞机计划之后,第三大空间探测及应用计划,它持续、深刻地影响着世界。

一项伟大的发明

GPS是一项伟大的发明,它真正地让地球上所有事物之间有了准确的联系信息,让每一个静止的或者移动的物体,有了可以被捕获的方式及手段,并能与其他信号源产生联系,甚至共享实时数据。

但是,GPS在设计之初只是为军方服务的,直到1973年9月才由美国国会批准,改为“军民两用”性质。

民用信号为SPS,这一信号可供公众自由使用。由于GPS诞生的特殊背景,美国保留限制GPS信号强度,甚至关闭GPS信号的权力。GPS对提供给非军事用户的信号精度上,进行了一定的限制,在这一公开信号中,美国加入了SA码的干扰源,以降低GPS功能的精度。

2000年4月28日,克林顿政府签署命令,解除对SPS的SA码干扰,使SPS的精度,从之前的100米~300米,直接提升到1米~20米,人们自此得以真正享受到GPS带来的便利。

军用信号为PPS,这一信号,只有获得授权的使用者具备解码设备、密码及特殊信号接收机才能使用。PPS信号是整个GPS系统中最优质的部分,它能达到厘米级定位。为了保障PPS信号不被干扰,美国对GPS系统加入反电子欺骗技术,通过对PPS信号进行加密处理,防止PPS信号被电子干扰和非特许用户对精码进行解码。

中国人警醒

20世纪90年代初,海湾战争爆发,这场战争广泛使用了当时最先进的武器装备。战争表明,掌握电磁空间的控制权,对取得战争胜利具有重大意义。

GPS在战争中的作用,进一步刺激了中国的科学家。

1983年9月1日,一架大韩航空客机从纽约起飞,在经过苏联边境时,偏离航线,误入苏联的禁飞区。苏联在发出警告没有收到回应的情况下,将其击落,269人无一生还。

之后,里根总统签署总统令,开放发展了10年的GPS系统供民用。这对地球上每一个有志于研究卫星定位导航的国家来说,既是机遇,又是挑战。

这一年,北京跟踪与通信技术研究所所长、国家“两弹一星”科学家陈芳允提出一个有别于GPS系统的定位理论——双星定位通信系统,即通过两颗地球静止轨道卫星,实现区域性快速导航定位并兼有通信功能的定位方式。

1985年4月15日,GPS全球定位系统国际运用研讨会在华盛顿召开,中国受邀参加,出席本次会议的是后来成为解放军少将的卜庆君。会上,美国向所有与会者表明立场:“在特殊情况下,为了保证国家安全,军方会采取三种措施应对紧急状况:第一,降低对方的导航精度;第二,随时变换编码;第三,进行区域性管理。”也就是说,美国对GPS系统有绝对的控制力。

会议结束,卜慶君回到北京,写了一份报告,阐述了两个重要观点:一要跟踪、研究、应用GPS;二要着手建立我国自己的卫星定位系统。

1986年,是中国现代科学发展史上最为重要的一个年份,就在这一年,形成了共和国历史上规模最为庞大的一个科研产业化计划——“863计划”。同时,“双星快速定位通信系统”技术方案形成。

但是,由于国内与国际时局的变化,这一项目被推迟了。

首先,反对者们认为美国有GPS,俄罗斯有格洛纳斯,中国没必要发展卫星导航系统,与他们合作就可以了。

其次,这是一个烧钱的项目。GPS到第二代组网完成,前后投资高达300亿美元。而格洛纳斯更是因为资金原因,一度停止更新卫星,只能提供区域性服务,在最为窘迫的时候,甚至不能维持基本所需。那么,中国的导航系统又要花多少钱呢?

第三,欧洲也在独立开发导航系统,完全可以选择与他们合作开发,分担风险和资金压力。

国际事件的刺痛

“银河号事件”是第一件刺激中国人的事情。

1993年7月23日,美国单方面宣称,驶往伊朗阿巴斯港的“银河号”中国货船载有制造化学武器的化学品,要求中国政府立即采取禁止措施,否则美国将按照其国内法制裁中国。在国际贸易中,货轮代表的是发出国,所载货物代表的是发出国与发往国的贸易主权。

8月1日起,美方派遣在附近巡游的航空母舰战斗群的驱逐舰、飞机对“银河号”近距离跟踪和低空侦察、拍照。

随后,美国将“银河号”的GPS信号中断,“银河号”被迫在公海漂泊长达22天。

1994年1月10日,国家批准“北斗一号”工程立项,北斗终于在提出设想10余年后得以立项。立项后,紧随而来的危机,加快了北斗的研发步伐。

2001年4月1日,一起震惊中外的事件发生,这就是“南海撞机事件”。

当天早上,中国在发现美国一架侦察机飞抵中国海南岛东南海域上空执行侦察任务后,派出两架歼-8Ⅱ歼击机进行合法监视并喊话。9时7分,在海南岛东南104公里处,美国军机突然转向,其左翼同王伟驾驶的战斗机相撞,撞击造成我方飞机坠毁,驾驶员王伟少校跳伞。王伟跳伞后,中国调动了超过10万人次进行了连续10多天的搜寻,最后没有找到。

反观1999年3月27日,南联盟击落美国F-117隐形轰炸机,飞行员泽尔科跳伞后,在南联盟首都贝尔格莱德附近40公里的农田里被救走。前来营救的,仅仅是一架美军A-10攻击机与3架MH-60G直升机,他们就是依靠GPS定位导航系统,精确地将泽尔科找到并救出。

走出第一步

2000年10月31日,北斗导航卫星01星发射;2000年12月21日,北斗导航卫星02星发射。从“双星定位通信系统”转变而来的北斗系统,终于初现雏形。这是北斗走出的第一步,“北斗一号”开始初步实施组网并提供服务。

“北斗一号”的成功发射,使我国成为继美、俄之后第三个拥有自主卫星导航系统的国家。

2004年8月31号,“北斗二号”正式立项,“北斗二号”并不是“北斗一号”的延续,而是全新设计的导航系统,为此专门向国际电信联盟申请了专属频段。

从2015年3月30日首颗“北斗三号”试验卫星入轨,到2020年6月23日第55颗北斗导航卫星成功发射,“北斗三号”全球卫星导航系统星座部署全面完成。

“北斗三号”提供的服务,在全球范围内,定位精度优于10米,测速精度优于0.2米/秒,授时精度优于20纳秒;在亚太地区,定位精度优于5米,测速精度优于0.1米/秒,授时精度优于10纳秒。

从1994年立项,2000年首星入轨,到2020年组网完成,中国在20年的时间里,发射了59颗北斗系统卫星,这在世界卫星发射史上都是罕见的。

过了九九八十一难

“一次次被逼到绝境,又一次次爬起来。”这句话是总设计师杨慧接受采访时说的。这句话,也是对北斗系统最真实的反映。

首先,频段方面,根据国际电信联盟的规则,卫星运行的轨道和信号频率在使用前必须提前申请,必须在申请通过后的7年内完成卫星发射入轨和信号接收,否则相关资源会被回收,且有“先申请,先获得;先发射,先占有”的规定。

2000年4月18日,中国申请的频段获得通过。这意味着在接下来的7年里,卫星必须发射升空并传回可接收的信号。

留给中国人的时间不多了,在“北斗一号”第三颗卫星发射成功,开始提供服务之后,中国选择与欧盟合作,共同推进欧洲版的GPS——伽利略计划。

根据预估,伽利略计划的资金投入为33亿欧元,中国应该出资约2.3亿欧元。钱付了,但中国的工作人员连伽利略计划的核心内容都不能接触。

2006年年中,为伽利略系统注资的政府社会资本共同体瓦解,欧盟委员会决定将伽利略系统国有化。随着欧盟委员会将伽利略计划收归国有,出于对欧美关系以及对安全与技术独立的考量,中国被踢出伽利略计划,中国之前的投资也没有得到任何回报。

2006年12月,中国重启被耽搁的北斗系统,并抢在欧盟之前,率先在2007年先后发射了“北斗一号”的最后一颗接续卫星和“北斗二号”首星。“北斗二号”首星的发射时间是2007年4月14日,从变轨到入轨到定点,已经是4月16日晚8时。监控大厅接收到从两万公里外的太空传回的信号并成功解析,此时距向国际电信联盟申请的频段失效仅剩4个小时。

借此,中国获得了国际电信联盟划分给中国的“北斗二号”系统的频段,这部分频段,正是与伽利略计划频段重叠的部分黄金优质频段。

绝境不止一次

发射“北斗一号”时,中国采用的授时原子钟是从瑞士进口的。当时,仅美国、俄罗斯和欧盟(仅瑞士)有原子钟。美国不可能出口原子钟给中国,俄罗斯自顾不暇,那么,中国的授时原子钟,只能向欧洲求助。

“北斗二号”立项后,中国试图继续从瑞士进口原子钟,结果瑞士不予出口。原因是“北斗一号”采用的是有源定位,只能民用,军用价值不大,而且“北斗一号”的实验意义更大。但“北斗二号”改为无源定位,这意味着跟GPS一样,是军民两用的产品。瑞士作为《瓦森纳协定》的缔约方之一,绝不可能出口高精尖产品给中国,用于可能军用的产品。

当时,中国在卫星搭载授时原子钟方面,技术几乎为空白。

用了整整两年时间,中国航天科工集团二院203所便突破了铷原子鐘技术;之后,上海天文台自主研发了星载氢原子钟。也就是说,中国不同的部门,自主研发了不同的星载原子钟,而且精度比从欧盟进口的还要高。

北斗的突破,其实不只是单个器件的突破,还是整个系统和整个系统之下的产业链,甚至包括运载火箭的突破。

“北斗三号”卫星的使用寿命,从“北斗二号”的8年增至10年以上,其部件全部实现国产化,其中被限制进口的原子钟,性能更是得到极大的提升,精度已经达到1000万年差1秒,并且还有两套不同类型的原子钟可供选择。运力方面,2017年年底发射1箭2星,2018年发射9箭17星,2019年发射6箭8星,2020年发射3箭3星……不到3年时间,30颗卫星发射升空,完成组网。

浩瀚星空,北斗指路。古人借助北斗七星,找寻方位和星座;而今,借助北斗系统,我们踏上星辰大海的征途。

(陈金峰摘自微信公众号“财经无忌”,本刊节选)