中国北斗卫星导航系统的建设历程

王晶金 李成智

中国北斗卫星导航系统（简称“北斗系统”）是中国自主建设、独立运行的工程技术项目的一面旗帜，在重大专项创新上具有典型性和独特性，是新中国成立70年来重大科技与工程成就之一。

1994年，中国开始研制发展独立自主的卫星导航系统，至2000年底，北斗卫星导航试验系统（即北斗一号）建成，采用有源定位体制服务中国。至此，中国成为继美、俄之后，第三个拥有卫星导航系统的国家。2012年，第二代北斗卫星导航系统（即北斗二号）建成，面向亚太地区提供无源定位服务。2020年6月23日，北斗全球卫星导航系统（即北斗三号）最后一颗组网卫星发射成功。

北斗系统的雏形——灯塔一号

北斗系统并不是中国最早开展的卫星导航项目。其实在北斗一号之前，就进行了卫星导航系统的探索工作。1965年1月8日，钱学森向国防科委提交《研制卫星打算》的报告，建议研制导航卫星。从时间上看，中国研制导航卫星构思出现得很早，不比美国全球定位系统（global positioning system， GPS）晚太多。

1965年正值中国正大力发展导弹潜艇，而潜艇需要导航与定位。于是，钱学森建议研制发射用于潜艇导航的导航卫星，并将其作为第二优先发展的卫星。1967年下半年，海军司令部向空间技术研究院筹备处建议研制中国卫星导航系统。次年7月，海军正式呈报中央军委《关于研制和建设对潜艇指挥通信、导航系统事》，提出了对卫星通信和导航系统的使用要求。

1969年3月13日，国防科委确定导航卫星工程代号为“691工程”，即1969年的第一号任务。1970年11月，钱学森在卫星方案论证会上建议将导航卫星正式命名为灯塔一号。1972年，灯塔一号正式开始设计。1973年，灯塔一号导航卫星列入国家计划。到了1977年，灯塔一号设计、各项试验工作陆续完成，达到可总装生产的程度。但在1980年12月31日，研制任务撤销。究其原因有三：第一，国家财政困难，1980年代初国民经济调整，大量国防项目下马，灯塔一号是其中一项。第二，卫星导航技术不够先进，导航精度低于美国子午仪卫星导航系统（Transit navigation satellite system）。美国解密了子午仪，并向民用市场开放，中国海军购买了子午仪接收机。第三，运载火箭的协调工作出现问题，当时自行研制的火箭难以达到导航卫星的入轨精度要求。

北斗系统战略规划的调整

1980年代，中国航天界和有关科学家再次提出要研制中国的卫星导航系统。关键问题集中在研究怎样的卫星系统。美国GPS系统和俄罗斯格洛纳斯（global navigation satellite system， GLONASS）系统十分复杂，耗资巨大，以中国当时的经济状况，无法承担如此庞大的科研经费。

北斗一号

陈芳允等人独立提出了双星导航设想：主要分系统是两颗位于静止轨道的导航卫星，轨道间隔为60o。这个设想充分考虑了中国当时的经济状况，导航计算量大大降低，而且两颗卫星的覆盖范围够广，可完全覆盖中国领土及近海，系统建设成本较低，维护费用不高。当时，国外也有多人研究单星、双星、三星等区域导航定位方案。[1]

1989年9月25日在北京，总参测绘局的首次“双星快速定位通信系统”功能演示成功。双星定位试验系统由此在1993年被列入国家“九五”计划。然而，列入计划并不代表正式立项。1994—1995年，总参测绘局四处奔走，为立项而努力。计划上报后，国务院考虑到经费难以保证，建议还是先进行预研。其实，总参测绘局早在1986年批准双星定位系统时就着手预研，[2]至1995年已进行了近10年，重复预研实无必要。经协调，最终决定将另外两个卫星计划的备份星指标分给卫星导航试验系统使用。这样，双星定位试验系统立项不再需要单独划拨资金，于1994年得以正式立项。这就是北斗卫星导航试验系统计划的由来。中国卫星导航系统取名北斗（Compass），意指北极星。

头二颗北斗一号卫星运行在经度相距60°的地球静止轨道上，它们组成了世界上首个有源卫星导航定位系统。有源方式又称主动式，即用户进行导航定位时要主动向卫星发送信号。北斗一号卫星有效载荷由天线分系统和转发器分系统组成。天线分系统完成以下四项任务：发射用户链路S波段下行和接收L波段上行定位及移动通信信号；发射和接收卫星定位主站链路C波段信号；发射和接收C波段通信信号；发射C波段卫星遥测信号（卫星定点后）。转发器分系统是核心有效载荷，包括定位转发器和通信转发器。

北斗一号使得中国冲出无自主导航系统的困境。它是一个成功、实用、投资很少的初级起步系统，虽然建设之初是为军事应用服务的，但自2003年起，正式对民用领域开放。北斗一号已在中国国防建设和经济社会发展中发挥了积极作用，广泛应用于工业、农业、林业、渔业、交通和经济等领域。[3]在2008年四川省汶川抗震救灾中，它成为抗震救灾和指挥保障的重要手段。

北斗二号

相较于GPS等系统，北斗一号的优势在于投入小、设备简单，能连续定位，能对用户集中指挥、控制和管理，系统的定位精度提高了，具备通信、用户识别、区域广播等功能。然而作为试验演示系统，北斗一号在导航定位功能方面存在许多不足：定位精度低且不能实现三维定位；安装的有效载荷采用有源定位模式，需要地面用户发送上行信号才能实现卫星对其的定位（这属于定位信号的“透明转发”，在技术上更接近通信卫星技术）。[4]此外，北斗一号卫星上的某些核心载荷从国外进口，不仅受限制，而且极不利于导航定位自主性。导航授时系统是导航卫星最为核心的组成部分，当时北斗一号卫星上还未能装上中国自行研制的星载铷原子钟。

对标美国GPS系统，北斗一号也有一些弱项。例如，用户设备体积功耗大导致隐蔽性差；可容纳用户数量有限，推广受限；定位时间长，实时性差，无法应用到高速飞行器；卫星信号不能覆盖全球；过多依赖中心控制站，生存能力不强；定位精度受限。这些问题是由该系统的规模、卫星技术水平等方面因素导致的，仅靠多发几颗卫星是解决不了的。此外，中国GPS用户爆炸式增长的境况，使得北斗一号面临更严峻的局面，如终端接收机价格高，接收机体积大、功耗高，使用不便等；用户入网手续繁杂，令人望而却步。这些不足以及国内军民应用领域对卫星导航的巨大需求成为促使北斗二号上马的主要因素。

2004年8月30日，北斗二号正式批准立项，其论证工作始于1997年。其间，科索沃战争爆发，中国大使馆被炸。在此背景下，技術创新的重要性凸显，中国开始着手中长期科技发展规划，并开展一些重大科技专项论证。随着国家经济能力提升与科技投入加大，航天科技愈发显示出强大的带动和引导效应。其中，卫星导航系统显示出巨大的军事意义和经济价值，经济安全、国家安全、军事等方面则均迫切需要自主导航定位系统，这些促使中国政府出台并不断强化卫星导航发展与应用新政策。然而令人困惑的是，2006年10月之前的官方报道和文献中均没有明确表述，北斗二号是全球性的还是区域性的，是单纯民用、军用抑或军民两用。

2006年10月，中国政府发布第二版航天白皮书——《2006年中国的航天》，就未来导航卫星的发展提出：“完善‘北斗导航试验卫星系统，启动并实施‘北斗卫星导航系统计划。发展卫星导航、定位与授时的自主应用技术和产品，建立规范的、与卫星导航定位相关的位置服务支撑系统、大众化应用系列终端，扩展应用领域和市场。”这是官方正式宣布建设北斗二号。

影响北斗二号定位的一个关键因素是中欧合作的伽利略导航系统，该合作计划被称为迄今为止“中欧最大的科技合作项目”，其政治意义远大于科技意义，中国政府不能不考虑两个导航计划的关系问题。

当时，有一些学者推测，中国即将立项的自主的北斗卫星导航系统是一个扩展的区域系统，主要服务于军事用户；而伽利略系统将作为中国民用用户全面开放使用的平台。[5]这种推测在逻辑上说得通。先看用途定位，GPS已被美国军方成功运用于精确制导武器，国内专家在文章中曾对中国军方异常重视中国自主的卫星导航定位系统的发展有相关暗示或建议。再看管理机构，北斗二号建设由军方领导下的原总装备部负责，2005年组建的中国卫星导航系统管理办公室也隶属于军方。

《2006年中国的航天》白皮书发布几年后，陆续有文献印证北斗二号是区域系统这一判断。2008年有文指出，第二代北斗卫星导航系统虽然仍为区域卫星导航系统，但服务区域比北斗卫星导航试验系统扩大了很多，具有连续实时三维定位测速能力。[6] 2008年2月，中国国家遥感中心副主任景贵飞在德国慕尼黑召开的卫星导航峰会上答记者问时表示，国家是否批准资金用于全球卫星导航系统建设还未确定，但现阶段系统建设的资金有保障的。这意味着，到2008年，全球卫星导航系统建设尚未得到政府批准，2004年批准建设的是扩大的区域导航系统。通过对“中国知网”检索发现，2006年底以前，没有一篇文章谈及 “三步走”战略及北斗二号是全球系统。直到2011年，第三版中国航天白皮书——《2011年中国的航天》终于明确北斗二号的性质：自2006年以来，“全面实施‘北斗卫星导航区域系统建设。”[7]

通过分析发现，北斗二号的决策受当时国内外诸多因素的影响，如GPS在军事与民用领域的大规模应用，中国日益强调高技术发展与产业化以及重视军事与经济的自主性等。中国投入了大量资金到伽利略计划，卫星导航则完全可以依靠北斗一号、GPS和伽利略系统，因此，北斗二号当时的目标定位就是建设一个扩展的区域系统，且以服务于军事为主。况且，北斗二号这个区域性、能够覆盖亚太地区的自主卫星导航定位系统足够满足中国长期奉行的防御性国防战略需求。

既然已同时拥有北斗二号和伽利略一军一民两个导航系统，为什么中国政府在2009年底又决定立项建设北斗全球卫星导航系统呢？

促成立项最为直接的原因是中欧伽利略合作项目发生了重大变故，出现多种问题，中国被排除在伽利略计划的管理机构之外，成为可有可无的小角色。[8]在中欧政治、经济关系紧张的局面下，中国政府开始重新思考北斗二号的定位。围绕技术上能否实现全球导航，2006—2009年间，北斗二号进行了不间断的立项论证工作，保证了自主的北斗全球卫星导航系统计划得以推行。2009年11月，国务院常务会议通过《中国第二代卫星导航系统重大专项实施方案》，正式批准建设自主性北斗全球卫星导航系统，最终确定其发展目标。

自2010年开始，北斗系统“三步走”发展战略的说法迅速出现在各类媒体上。“三步走”发展战略究竟是何时以及怎样形成的？

“三步走”发展战略经历15年的论证、部署、使用、扩展，并充分考虑了国内外各种因素。第一步即北斗一号，批准于1994年，2000年底建成；第二步即北斗二号，批准于2004年，2012年建成；第三步即北斗三号，批准于2009年，2020年正式建成开通。2009年底，中国第二代卫星导航系统专项管理办公室发布《北斗系统发展计划》，首次明确阐述中国北斗系统的“三步走”发展战略。

通过回顾立项过程，可以看出，北斗系统“三步走”发展战略是回溯性的，并非一步到位制定实施，而是根据国际国内政治、经济环境的发展变化，军民对卫星导航不断增长的需要，中欧关系的演变、自主技术能力的提高等多种复杂因素逐渐完善而成的。不同于中国载人航天工程完全独立进行，从一开始就制定了“三步走”战略，中国导航卫星系统涉及的因素更多，如政治、经济、社会、科技等方面，还有国际合作以及国际关系，其“三步走”战略渐进形成，每一步的发展计划都是在综合考虑上一步各种影响因素后出台的。尤其第三步，是在中欧伽利略合作陷入僵局的情况下，历经艰难做出的重要决策。

北斗系统建设过程概况

“三步走”战略形成后，北斗系统各阶段系统名称得以统一：第一步北斗一号，采用第一代北斗一号卫星；第二步北斗二号，采用第二代北斗二号卫星；第三步北斗三号，混合使用北斗二号卫星和北斗三号卫星。

在北斗二号卫星的研制过程中，通过联合集智攻关，先后攻克了高增益微波控制、精密频率控制、空间环境适应性试验及测试方法等关键技术，实现了理论突破，完成了产品工程化、小型化研制，达到宇航产品的任务要求，打破国外垄断，部分技术达到国内领先、国际先进水平。截至2012年12月25日，共计发射了16颗北斗二号卫星，包括地球静止轨道卫星6颗、中地球轨道卫星5颗、倾斜地球同步轨道卫星5颗。值得一提的是，第12、13颗北斗二号和第14、15颗北斗二号由长征三号乙运载火箭实现了双星发射。先期发射的10颗北斗二号卫星已于2011年12月27日試运行。至此，北斗二号正式完成星座部署，此后，又陆续发射了多颗替补星。

与北斗二号卫星具有过渡性质不同，北斗三号卫星近乎重新研制，导航定位等功能进一步增强，核心部件产品进行重大改进或重新设计，不仅全部使用自主研制的有效载荷，而且许多关键部件得到更新换代，如原子钟采用第三代铷钟和第一代氢钟。北斗三号的服务区域扩展至全球，同时突破下行导航信号升级与改造等关键技术，不仅实现了与北斗二号下行导航信号的平稳过渡，而且增加了新的导航信号。中国空间技术研究院北斗三号研制团队攻克星座星间链路技术，实现了卫星与卫星、卫星与地面站的链路互通，解决了不能全球建站进行卫星境外监测的难题；率先提出了国际上首个高中轨道星间链路混合型新体制，形成了具有自主知识产权的星间链路网络协议，自主定轨、时间同步等系统方案，填补了国内空白，形成一大特色。北斗三号卫星的设计寿命是12年，达到国际先进水平，满足可靠性、连续性的要求。

北斗三号坚持国产化与自主可控的原则，核心产品100%国产化，从关键元器件和部件产品两方面重点开展国产化攻关，加强试验和使用验证，从根本上解决制约工程建设的瓶颈问题。此外，整个系统取得不少重大技术创新或改进，突破了新型导航信号生成、卫星自主健康管理、全桁架式卫星平台、导航卫星高精度光压建模、导航星座健康评估及预测等关键技术，实现了导航星座高效管理和导航能力的提升和跨越。按照国际标准，它也具备全球搜救、全球位置报告和星基增强等拓展服务。

在5颗北斗三号试验卫星完成测试与试验任务后，卫星的技术状态基本固化，正式组网发射工作随即开始。随着北斗三号组网卫星全部发射成功，北斗系统“三步走”发展战略于2020年圆满完成。

创新点与启示

北斗系统建设的过程中，共计突破160余项关键技术，主要有全新导航卫星星座、新型信号体制、创新星间链路设计、全新原子钟、全新中轨道（medium earth orbit，MEO）地球卫星桁架式平台、“中国速度”批量化生产、关键器件100%国产化、服务能力超越GPS、寿命达到12年的先进水平等。

系统梳理北斗系统的发展战略与建设过程，不仅可得出卫星导航系统建设的宝贵经验，为其他自主高技术研发体系的完善提供一些有益的思路，还有助于公众加深对中国全球导航卫星系统整体面貌和发展史的认识，以及了解中国大型科技计划的决策规律。

北斗系统经历了漫长的“三步走”阶段，不仅有艰难险阻，更有开拓创新。北斗系统在工程领域创新点总结有六点：第一，发挥新型举国体制优势；第二，多方协同攻关，战略科学家倡导立项，用户推动立项运行，多机构广泛参与研制；第三，渐进决策，政府在积极推进国际合作的同时，寻求独立自主，并最终以“重大科技专项”予以大力支持；第四，工程最优为首，以达到工程目标为着眼点，实现独特的工程创新；第五，吸收国际经验，强调中国特色，采取边建、边用、边改、边提高的策略；第六，在工程集成创新的同时，强调通过“三步走”发展战略逐步达到技术、产品创新与自主可控的工程目标。

通过回顾北斗系统整个发展过程，从中可以获得若干启示。第一，新型举国体制有利于集中力量办大事，发挥市场机制，围绕国家需求在战略科技领域实施国家科技重大专项。第二，组织实施国家科技重大专项，通过资源集成，突破核心技术，实现重大工程。第三，采用产业化并行，收效显著。第四，建立航天工程特色的决策与组织管理模式，企业为创新主体，产学研合作，战略科学家引领，行政官员、科学家、产业界三权合理分配。五，倡导预研在先、自主研发、独立创新，注重中国特色和中国国情，重点突破。

北斗系统是中国着眼于国家安全和经济社会发展需要，自主建设运行的全球卫星导航系统，是为全球用户提供全天候、全天时、高精度的定位、导航和授时服务的国家重要时空基础设施。秉承“中国的北斗、世界的北斗、一流的北斗”发展理念，它为服务全球、造福人类方面都做出了重大贡献，产生了显著的经济效益和社会效益，深刻改变了人们的生产生活方式。

[1]戴宏发. 北斗导航系统的发展与应用刍议. 科技信息， 2010（19）： 54-56.

[2]马京生. 陈芳允. 贵阳： 贵州人民出版社， 2005： 533.

[3]张孟阳. 北斗导航系统应用发展综述. 北京： 2009中国卫星通信广播电视应用国际研讨暨展览会第八届国际研讨会，2009.

[4]王同心. 北斗导航卫星有效载荷研制创新之路. 国防科技工业，2012（11）： 43-44.

[5]Marks P. Chinas satellite navigation plans threaten Galileo[DB/ OL]. （2006-11-18） [2023-10-08]. http：//www.newscientist.com/ article/dn10472-chinas-satellite-navigation-plans-threaten-galileo. html.

[6]中国卫星导航定位应用管理中心. 第二代北斗卫星导航系统简介及应用展望. 卫星与网络， 2008（11）： 64.

[7]国家航天局. 《2011年中国的航天》[DB/OL]. （2011-12-29）[2023-10-08]. http：//www.cnsa.gov.cn/n6758823/n6758839/ c6796175/content.html.

[8]Dinerman T. Galileo gets a Chinese overlay[EB/OL]. http：//www. thespacereview.com/article/668/1.

关键词：北斗系统 工程创新 航天史 ■