6月23日9時43分，我國在西昌衛星發射中心用長征三號乙運載火箭，成功發射北斗系統第55顆導航衛星，暨北斗三號最后一顆全球組網衛星，至此北斗三號全球衛星導航系統星座部署比原計劃提前半年全面完成。

20 世紀80 年代開始，我國開始探索適合國情的衛星導航系統發展道路，形成了“三步走”發展戰略。自1994年北斗一號系統工程立項至今，我國用26年的時間實現了59顆北斗衛星（包括55顆北斗導航衛星和4顆北斗導航試驗衛星）的發射。

衛星導航系統對于一個國家有多重要？北斗的全球組網意味著什么？今天庫叔和你聊聊。

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衛星導航系統的“首秀”

當下，衛星導航系統為我們生活的方方面面提供便捷，但它最初是為[敏感詞]安全量身定做的。

衛星導航系統的“首秀”是在海灣戰爭。

1991年海灣戰爭沙漠風暴行動后，伊拉克軍隊撤退的道路旁眾多的廢棄車輛。

1991年，以美軍為主的多國部隊在全球衛星定位系統（Global Positioning System，以下簡稱GPS）的帶領下，迅速穿過被伊拉克軍隊視為禁地的沙漠地區，并對其形成包抄，打了對手一個措手不及。

這場起初被預測會打成僵持戰的戰爭，最終以42天的空襲加上100小時的地面作戰收尾，伊拉克軍隊全面潰敗。

有了“上帝視角”的加持，軍隊中海陸空力量的指揮控制、部隊調動、物資保障、戰場救援和[敏感詞]制導[敏感詞][敏感詞]打擊都成為了可能。

1991年3月2日，科威特，“沙漠風暴”行動，伊拉克軍隊撤離前將油井點燃。

比如，美國[敏感詞]部采購了價值超過4000萬美元的8000部GPS小型接收機，在它的信息保障下，美軍機械化步兵分隊能夠對自身位置進行精度在30米以內的定位，并且可以根據行軍規劃，生成面向下一個節點的方案。

此后，衛星導航系統在戰爭中持續發揮著功能：

*1995年6月2日，一架美軍F-16戰機在波黑上空被塞族武裝的導彈擊落。飛行員奧格雷迪跳傘逃生后落在塞族控制區，在靠螞蟻、野草和雨水苦熬6天，并躲過了塞族部隊的多次搜索后，最終被GPS確定了三維位置而救回。

*在科索沃戰爭中，美軍的F-117隱形轟炸機被擊落后，依托于飛行員GPS接收機的呼救裝置，飛行員在7小時內就被找到并救出。

*2004年8月，美軍進行了一場異于尋常的空投實驗，將降落區的坐標編進程序，進行精準定位，再通過馬達牽引線來操縱飛行，最終精準降落，使得投放高度提升到3200米。

注：傳統空投的投放精度取決于飛機高度及當時的風速等外界環境因素，一般情況下，普通降落傘低空投放均低于610米，雖然落點準確，但是會將飛機完全暴露給敵方。

無論是“一招制敵”還是敵后救援，衛星導航系統都大大增加了任務成功的概率。不止如此，衛星導航系統還徹底改變了戰爭形態，貢獻了一個新名詞——“外科手術式打擊”。

“戰斧”式巡航導彈的技術革新就是典型案例。

1991年，美軍“威斯康星號”戰艦向伊拉克目標發射“戰斧”導彈。

海灣戰爭中，美國海軍向伊拉克本土發射的282枚導彈中，只有142枚打擊了50個預定目標中的42個。兩年后，美國發射了45枚“戰斧”導彈攻擊伊拉克南部工業區的7座建筑物，攻擊成功率只有64%。

同年，美軍又發射23枚“戰斧”導彈攻擊巴格達的情報機構，只有18枚命中目標。

低命中率源于最初采用的“慣性導航＋等高線地形匹配（TERCOM）＋數字式景象匹配相關器（DSMAC）”的復合制導方式。

一方面，使用單獨的慣性導航，導彈在一千余公里的累計誤差能達到十幾公里，就算使用“地形匹配制導”輔助修正，如果飛行路徑中的地形過于平坦或山脈過多，加之夜間、煙塵和惡劣天氣等因素，依舊會影響打擊精度。

另一方面，上世紀50年代以來，一直依賴改善陀螺儀和加速度計的方式提升導航性能，這種單純依靠元器件性能來提高高精度慣性導航的方法越來越困難。

海灣戰爭之后，美軍開始將GPS與慣性導航系統組合使用。

要精準攻擊地面固定目標，首先須對目標進行[敏感詞]的GPS定位。在照相偵察時，用GPS精準確定拍照時刻的軌道位置和高度等，將這些數據作為制導目的數據，或直接裝訂在制導計算機中，或通過數據鏈傳送給制導計算機，控制導彈飛向預定目標所在區域，再通過成像未制導最后確定目標，實施攻擊。

有了GPS，導彈飛行航線的選擇也不再依賴地圖，也不再受水域和地形特征的制約。

甚至，由于精度提高了，海灣戰爭中，“戰斧”導彈戰斗部本來450公斤的重量縮減到320公斤，可攜載更多燃料，航程增加50%以上。

在伊拉克戰爭中，美軍宣稱由于采用了GPS制導技術，其空中打擊能力比海灣戰爭中提高了6倍，過去摧毀一個目標需要幾架次的打擊，而現在一架次就能摧毀幾個目標。

2

大國“燒錢”競賽

當然，利器通常相當“燒錢”，美國人為此付出了相當昂貴的代價。

1973年，美國開始研究GPS。由于建成最早。應用范圍最廣，GPS一度占據霸主位置。

1993年，美國已實現24顆在軌衛星滿星運行，分布在6個軌道面上，保證在地球的任何地方都可同時見到4至12顆衛星，地球上任何地點、任何時刻均可實現三維定位、測速和測時。幾十年來，美國總共為GPS投入了約300億美元。

衛星導航系統太重要，即便花費巨大，各國依舊爭相投入研發。

蘇聯1976年開始組建格洛納斯衛星導航系統，1995年時建成由24顆衛星組成的衛星星座，第一次實現衛星信號的全球覆蓋。

2008年12月25日，俄羅斯拜科努爾發射場，Proton-M型火箭搭載一顆格洛納斯衛星發射。

長期困擾俄羅斯航天的老大難問題就是經費不足。超過預定工作壽命的衛星得不到及時更換，無力發射新衛星，到2001年時格洛納斯系統在軌工作衛星僅剩7顆，幾乎處于癱瘓邊緣。

2002年，歐盟批準建設伽利略衛星導航系統。僅僅8年，伽利略衛星導航系統就因實際投入費用遠遠超出預期，陷入“財政無底洞”。

若想繼續建設，衛星導航系統的建設還需要增加15億至17億歐元(約合139.6億至158.3億元人民幣)。歐盟委員會表示，費用增加主要因為火箭發射費、安全保險費的提高以及延期造成的費用，伽利略計劃可能面臨長期虧損。

2015年12月17日，歐洲伽利略衛星導航系統第11顆和第12顆衛星搭乘一枚俄羅斯“聯盟”運載火箭從法屬圭亞那庫魯航天中心發射升空。

虧錢也得建！衛星導航系統不僅事關國家安全：

*在國家電網中，如果沒有衛星導航系統的授時性，就無法保證時間的[敏感詞]和一致；如果沒有衛星導航系統對故障[敏感詞]定位，快速引導至故障點進行搶修，電網安全穩定運行就是一個未知數。

*大宗商品交易對基本面信息的獲取有非常迫切的需求。以往，通過傳統渠道獲得數據信息，會有時效性低、信息不足的問題存在，這導致全球大宗商品供應鏈的市場透明度始終不高。衛星導航系統提供的“另類數據”，為提升大宗商品市場透明度提供了新的可能性。

*離開了衛星導航系統，地球磁場、地球板塊運動等學術研究會統統陷入停滯。

*沒有衛星導航系統的加持，港珠澳大橋等超級工程的定位速度會大幅下降，無法展現“中國速度”。

*沒了導航，廣大“路盲”出行將遭遇多大的困難，不言而喻。

1980年代，我國開始探索適合國情的衛星導航系統發展道路。當時，美國的GPS已是星座構成最完善、定位精度最穩定、應用最廣泛并呈現市場壟斷的衛星導航系統，而且，對全世界免費開放，連外國軍隊都可以使用。

于是，有人說，中國“有必要耗費這么大的精力，去自主研發一個定位系統嗎？”

3

北斗，想說愛你不容易

當然有！

首先，GPS是一個以軍用為主的衛星導航系統，所有權、控制權、運營權都屬于美國[敏感詞]部。很多國家的民用用戶都擔心，美國軍方可以隨時叫停民用信號。“免費午餐”存在巨大風險。

其次，精度不夠。GPS包含軍碼和民碼兩種信號，二者精密級別不同，前者是毫米級別，后者是分米級別。2000年以前，美國軍方對GPS發布的民用信號進行干擾，為的是降低民用信號提供精度，保護美國信息安全。

在此背景下，本著先區域、后全球的發展規劃，我國先后建成北斗一號、北斗二號、北斗三號系統，走出了一條中國特色衛星導航系統建設道路。

2015年9月30日，西昌衛星發射中心，中國成功發射第4顆新一代北斗導航衛星。

這條路并非一帆風順。在具體的技術上，難題迭出。

比如，導航衛星發射上天的前提是要有合法的軌道位置和頻率資源，這是世界各國必爭的寶貴資源。美國的GPS和俄羅斯的格洛納斯衛星導航系統早已占去了80%的“黃金導航頻段”。

直到2000年，我國才在國際電聯組織爭取到了暫時的軌道位置和頻率資源。但是，《無線電規則》對衛星頻率和軌道做的充分解釋和分配方式中有一條規定，7年內申請者必須使用該頻率。

時間相當緊迫！

2007年4月14日，肩負著重要使命的北斗衛星終于起飛，4月17日傳回了信號。

這時，距離國際電聯規定的頻率申請失效最后期限僅剩不到4個小時。

原子鐘難題也曾是一大障礙。

導航衛星上的原子鐘，利用原子吸收或釋放能量時發出的電磁波進行計時。穩定的電磁波協同精密的儀器為衛星導航提供[敏感詞]的時間測度。它能[敏感詞]到什么地步？舉個例子，哪怕從恐龍滅絕時計時到現在，誤差也不超過3秒。原子鐘因此被稱為導航衛星的“心臟”。

我國曾試圖從國外引進銣原子鐘，遭拒絕后開始自主研制。

1997年，科學家們對銣原子鐘的壽命、可靠性和衛星環境適應性等完全沒有概念，只能反復試驗、改進，以此尋找最佳答案。比如，銣原子鐘的核心部件微波腔，直接決定原子鐘信號強弱，團隊不斷嘗試，用時一年多研制出開槽管微波腔。

此外，團隊還發明了一種新型銣光譜燈，克服了限制銣鐘壽命和衛星環境適應性的主要障礙。

北斗三號衛星，開始采用氫原子鐘，銣原子鐘天穩定度為E-14量級，氫原子鐘天穩定度為E-15量級。

中國自主研發的空間主動型氫原子鐘。

2000年底，我國建成北斗一號系統，首次解決了“我們在哪里”的根本問題。從1994年立項到3顆GEO衛星組成了全球第3個衛星導航系統、覆蓋中國國土及周邊，我國用了6年。

2012年底，北斗二號系統建成，14顆衛星覆蓋亞太地區，在亞太地區內導航系統標準服務的定位精度在10米左右。北斗二號確立了北斗的技術體制，實現了連續導航與定位報告雙模融合、三頻信號全星座播發。

2020年，北斗三號實現了全球組網，35顆衛星覆蓋全球，可以向全球用戶提供米級、亞米級、分米級，甚至厘米級精度的定位和導航增強服務。

從一個“缺”字當頭——關鍵技術和設備短缺，衛星導航研究的人才短缺，經費也捉襟見肘，再到北斗全球組網的完成，一切艱辛與榮耀，盡在不言中。

4

我們真的“青出于藍”了嗎？

2007年，聯合國將美國GPS、中國北斗、俄羅斯格洛納斯、歐盟伽利略確定為全球四大導航系統。

目前，北斗的各項技術也在不斷更新之中。

2018年4月18日，寧夏吳忠市利通區金積鎮塔灣村村民在田間利用北斗導航播種蔬菜。

比如，在北斗二號的基礎上，北斗三號的定位精度提升了1至2倍，達到2.5-5米的水平，擬為民用用戶免費提供約10米精度的定位服務、0.2米/秒的測速服務。

此外，北斗三號導航系統還可以以其高精度定位的優勢，向用戶提供精密測量測繪數據。北斗三號工程副總設計師、北斗三號導航衛星首席總設計師謝軍表示，“測量地震后建筑物的下沉變化等，幾毫米的下沉，都逃不過北斗的法眼。”

后發制人的北斗，還有很多其他導航系統難以企及的優勢。

首先，北斗特有的短報文功能，是GPS不具備的一項技術突破。簡單來說，這是用戶機與用戶機、用戶機與地面控制中心間雙向數字報文通信功能，不僅能發送信號，還可以接收信號。

短報文發送方首先將包含接收方ID號和通訊內容的通訊申請信號加密后，通過衛星轉發入站；地面中心站接收到通訊申請信號后，經脫密和再加密后加入持續廣播的出站廣播電文中，經衛星廣播給用戶；隨后，接收方用戶機接收出站信號，解調解密出站電文，完成一次通訊。

短報文，與我們日常短信的形式相似，在各種救援中發揮了無法替代的作用。

汶川地震救災時，北斗一代設備發出了來自震區的第一條消息。那時，所有高度依賴光纖和基站的通訊手段都因基礎設施大面積損壞而無法使用。北斗衛星導航系統的短報文功能迅速“上線”，最大限度地保證了我們對“72小時黃金搶救時間”的充分利用。

2018年9月，一架通航飛機在新疆和田山區失聯后，通過北斗短報文發送了定位信息，使得機組人員全部平安獲救。

在森林火災中，北斗手持終端可通過北斗系統高精度定位技術及短報文通信功能，讓第一線的消防干警及時掌握火情并做好個人防護，便于組織疏散當地人群、加強重點防護區域場所的救援力量部署工作。

2017年，北斗的應用還在漁業中不斷推廣。漁民說，現在出海就拜兩樣東西，一拜媽祖，二拜北斗。目前，我國渤海、黃海、東海、南海等海域的5萬多條漁船都裝上了北斗終端。根據浙江省2011年的統計，浙江漁民利用北斗衛星發出了1300萬條短信。

此外，GPS使用的是雙頻信號，而北斗使用的是三頻信號，可以更好地消除高階電離層延遲影響，提高定位可靠性，增強數據預處理能力，大大提高模糊度的固定效率。如果一個頻率信號出現問題，可使用傳統方法利用另外兩個頻率進行定位，提高了定位的可靠性和抗干擾能力。

北斗是全球第一個提供三頻信號服務的衛星導航系統。

5

民用化是發展方向

現在，北斗已遍及我們生活的方方面面：世界主流手機芯片大都支持北斗系統，北斗系統正成為國內銷售的智能手機的標配；共享單車配裝北斗系統實現精細管理；支持北斗系統的手表、手環、學生卡，更加方便了人們的日常生活。

中國航天科技集團展出的北斗導航衛星系統模型。

需要注意的是，這些衛星導航系統不是非要爭個你死我活，多系統兼容與互操作已成為發展趨勢。

美軍U-2偵察機已將中國的北斗衛星導航系統作為備用系統，供飛機在GPS失靈時使用。U-2飛行員佩戴的手表也內置了多個導航系統，除GPS外，也能連接北斗、格洛納斯和伽利略系統。

為何要跟競爭對手攪在一起？

其一，為正常運行提供保障。

根據GPS的工作原理，接收機需要同時“看到”至少4顆導航衛星，才能實現定位。如果使用單一導航系統，一旦在某一區域上空衛星數量有限，接收機與某顆衛星就會斷開聯系，影響定位服務的持續性。北斗與GPS實現互操作以后，用戶用一臺接收機能同時接收兩個系統的衛星信號，如GPS衛星數量不夠的話，還有北斗衛星，定位的穩定性和精度會更高。

其二，衛星導航產業一般遵循由軍用到行業再到民用、從小眾到大眾的發展規律。北斗導航系統現已廣泛應用于交通運輸、公共安全、農林漁業、水文監測、氣象預報、通信時統、電力調度、救災減災等領域，而兼容可提高產品性能，提升用戶體驗，為商業競爭加分。

目前，國際主流全球導航衛星系統（GNSS）廠商都采用多系統共用模式，產品一般都支持兩個或者更多的衛星導航系統，北斗三號在設計建造之初就已考慮對其他衛星導航系統的兼容性，用戶可以在終端上接收多個信號。

北斗的大眾規模化應用時代已經到來。作為戰略性新興產業，衛星導航定位市場已演變為每年價值近千億美元的全球性產業鏈和戰略合作關系。2017年我國衛星導航與位置服務產業產值達到2550億元，同比增長20.4%。這一數字在2020年有望達到3400億元至3500億元。

當下，我國與其他國家的合作也在不斷推進，國產北斗基礎產品已出口120余個國家和地區，基于北斗的土地確權、精準農業、數字施工、智慧港口等，已在東盟、南亞、東歐、西亞、非洲等地得到成功應用。

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