北斗“收網”：歷時26年從追趕到超越

6月23日，西昌衛星發射中心的一舉一動成為億萬人的牽系。

上午9：42，長征三號乙運載火箭自主供電；9：43，火箭正式升空，9：46開始助推器分離……10：09星箭分離，10：15經西昌衛星發射中心主任張學宇確認，第五十五顆北斗導航衛星發射圓滿成功。這成為中國衛星導航系統的歷史性時刻。

伴隨這最后一顆靜止軌道衛星（GEO）成功上天，北斗三號全球衛星導航系統完成全球組網。自此，一群來自中國自主研發的衛星得以覆蓋全球信號源，形成一片“星座”海。達成這個目標，我們國家僅走了二十余年。

提到導航，距離大眾最近的可能就是手機了。一個耳熟能詳的場景是地圖軟件中的提示“GPS信號弱”云云，雖然跟美國全球衛星導航系統GPS撞了名，但實際上今天應用到手機中的GPS已是“全球定位系統”的簡稱，是已經融合了全球四大衛星導航系統綜合性判斷的產物。

除中國北斗和美國GPS之外，全球衛星導航系統（GNSS）核心供應商還有歐盟Galileo、俄羅斯GLONASS，基于各自發展進程、部署技術落點、頻譜資源的差異，而在地球大氣層之外的高空聯合編制了多層大網，四大系統之間相互兼容，共同為人類提供高精度衛星導航服務。

相比之下，中國的北斗系統雖然起步較晚，但具有獨創的中高軌混合星座架構，在獲取位置信息外更有獨有的功能設置。2019年底的一次會議中，中國衛星導航系統管理辦公室主任冉承其表示，“我們建設的北斗三號系統，完全是自主創新、自主設計、自主建造、自主可控，是響當當的中國創造產品。”

但這遠非終點，按照中國衛星導航定位協會首席科學家曹沖的總結，未來十年，衛星導航在技術上依然有軟肋需要克服，而更廣闊的應用市場尚被人類的想象力所限制。

全球四大衛星導航系統關于下一代技術和服務的部署早已開啟，并相繼選擇以2035年前后作為新的節點，期待著進一步澤陂寰球。

26年三步走

早在上世紀70年代，我國曾提出過建立自己的衛星導航定位系統——燈塔系統。按照北斗二號衛星系統總指揮李長江的回憶，由于當時的國民經濟無力支撐，這一系統最終無奈退出了歷史舞臺。

在此后一段時間內，中國在諸多應用領域一度只采用美國的GPS導航技術。但這些代表個人時間和空間精準定位的信息管道被掌握在他人之手，并不讓人輕松。其不僅關乎對自主安全性的掌控力，也會在一定歷史階段后面臨可能“被卡脖子”的困境。

關鍵起點發生在1994年，主客觀條件相對成熟后，我國下定決心啟動了北斗一號衛星導航系統的建設。

這是一個從無到有的過程，但訴求也愈發迫切。就在這一年，美國GPS衛星導航系統建成并開始投入應用，從歷史節點來說，他們跑在了相對前面，也在后續很長時間內，成為全球衛星導航系統中發展最為成熟者。

對于建設初期的中國北斗來說，從技術條件到財力支持，很多都是未知的。但中國的衛星技術系統已經涌現出人才，為接下來北斗系統的獨特性奠定了基礎。

1985年，中國科學院院士、“863計劃”的倡導者之一陳芳允提出利用地球同步衛星進行定位和通信的設想，也即雙星定位原理系統，又稱“有源定位服務”的技術體制，后來成為北斗計劃的最初理論來源。

這一技術路線可以讓北斗系統在初期僅用兩顆同步定點衛星和地面高程數據庫，就能夠實現對目標范圍內的定位；除此之外，用戶還能結合位置發送短信，并有位置報告等功能，至今這都是北斗系統獨有的功能。

不過也有短板，通過有源服務要實現定位，需要由終端機通過衛星與地面控制站實現交互，同時要地面控制站解決中間算法的問題，這導致接入北斗一號系統的用戶數有一定限制。

2000年，我國首次發射了屬于自己的兩顆地球靜止軌道衛星并旋即投入使用，北斗一號正式開啟部署。也是從那時起，中國成為繼美國、俄羅斯之后，第三個擁有獨立衛星導航系統的國家。

北斗一號衛星導航系統實現了主要面向中國用戶，提供定位、授時、廣域差分和短報文通信等服務，踏穩了第一步。

為走向更廣闊的空間、發揮更大效用，迭代很快來臨。2007年至2012年間，北斗二號系統先后發射了14顆衛星，形成中國獨有的“地球靜止軌道衛星（GEO）+傾斜地球軌道衛星（IGSO）+中圓地球軌道衛星（MEO）”中高軌混合星座架構，從精密度、抗遮擋能力、覆蓋范圍等方面為后續發展奠定了扎實基礎。

此外，保留了北斗一號的技術體制，增加“無源定位服務”技術，開始面向亞太地區提供相應服務。相比“有源服務”，“無源”這一技術體制對于用戶數量不再有限制，也是與美國GPS系統一致的路線。

“北斗二號的定位就是要跟GPS差不多，要做全球的定位系統。但那時候一些技術條件國內還沒有達到全球最領先的水平，比如原子鐘、全球測控點等方面，所以北斗二號的衛星軌道定位能力和精度會面臨挑戰。”在接受21世紀經濟報道記者專訪時，中海達董事長廖定海如此總結道。

自2020年開始，完成30顆衛星發射組網后，北斗三號系統已全面建成。延續多年來的技術路線之外，中國采用Ka星間鏈路的頻段，這能夠得到更高保密性和通信速率，中國正式開啟了完善的全球范圍衛星導航應用服務。

北斗星，中國傳統上用來指引方向的星座矩陣，正以另一種經過精密測算的協作方式，走進萬家燈火，輔助保衛家國。

兼容并蓄的全球四大系統

從衛星導航系統的部署和演進速度來看，中國無疑是最快的，也因部署路線的不同，獨特性明顯。

“美國、歐盟和俄羅斯的衛星導航系統都是以動態衛星為主，策略是讓最少數量的衛星運動起來，每個地方保證3顆以上衛星。而我們的北斗系統采用了靜止軌道衛星+非靜止軌道衛星組合的方式，其原理叫做‘后方交匯’。”廖定海分析道，衛星分布越分散，衛星構成的空間立方體體積就越大，對用戶的定位精度也會更高。

非靜止軌道衛星又分為中圓軌道衛星和傾斜地球同步軌道衛星，廖定海認為，中圓軌道衛星的軌道高度一般在2萬千米左右，距離地面較遠會導致定位精度表現不甚好，而北斗系統由于有同步軌道衛星跟隨，結合起來相比單純依靠某一類衛星的定位精度會表現更優，也即幾何分布因子更好。“所以北斗系統的定位會比GPS表現更精準。”他指出。

因此綜合來看，廖定海表示，北斗三號從高精度定位、頻率和通道數等各方面性能來說，已經不亞于美國GPS系統，相關系統的部署和建設速度也十分迅速。當然在北斗系統不斷追趕的這些年，GPS系統也在不斷更新，增加了不少新的衛星通道。

國金證券也在研報中指出，相比前代，北斗三號應用了更為先進的新一代銣原子鐘與全球領先的“星間鏈路”模式，這令北斗三號將定位精度提升2-3倍，達到優于4米左右的服務精度；頻率穩定度較之前提高了10倍，直接推動精度、測速與授時提升一個量級；實現可靠的自主導航，即使地面站全部失效，北斗系統仍能通過星間鏈路為用戶提供精準定位與授時。

該機構認為，北斗系統已實現天地一體化布局，構筑起網絡狀的精準時空體系。組網完成后將與國外導航系統不分伯仲，并具獨特優勢。

不過，全球四大衛星通信系統絕非完全對立或獨立的競爭關系，這些大國重器型的技術實際上一直屬于競合關系，看起來“割據一方”的四大系統反而是兼容并蓄的。

這是源于，通信世界的頻譜資源不會取之不盡，占得時間先機者更有優勢。全球四大系統之間掌握的頻譜資源不同，共享是必由之路。

“以前有說法認為，將來北斗系統會替代、打敗GPS系統，全球幾大系統孤立來看是不對的。”廖定海指出，實際上對民用體驗來說，全球四大衛星導航定位系統一起使用效果會最好。

對于產業界的公司來說，則是在芯片設計層面開放兼容更多功能，包括射頻、基帶、信號處理和算法等方面，從而可以接收來自四大全球衛星導航系統的信息。

“通過這四個系統可以獲取到來自幾十顆衛星的信息，可靠性會好很多。這也是建立GNSS全球導航衛星系統的意義所在。”廖定海續稱。

下一步挑戰

兼容并蓄是一方面，從自身發展來說，四大系統已經“劃定”了接下來的“競賽”跑道。

中國衛星導航定位協會首席科學家曹沖就指出，“未來十年，衛星導航還有什么要做的？簡單地說，就是要用好、用足北斗，并且將其升級換代實現新時空體系的跨越發展。”

其中涉及兩個方面，其一是技術迭代的深化，其二則是應用落地擴圍。這成為產業鏈探索的趨勢所在。

曹沖解釋道，實際上衛星導航的軟肋依然明顯：日地空間的太陽黑子與地磁等地球物理異常擾動變化，物理遮擋、屏蔽與多徑和反射，以及有意無意的干擾威脅和擾亂欺騙攻擊，都將會導致GNSS信號接收的異常中斷和操縱失敗。

為此，我們國家已經在推動大范圍的地基增強系統落地，在此基礎上對星基增強系統的加速部署也在計劃表中。

簡言之，這兩類技術分別從地面基準站信號增強和空中衛星間信號增強著手，全球四大系統其實都在堅定執行中。

廖定海告訴21世紀經濟報道記者，“除了區域性增強系統，發展組合導航技術將成為衛星導航技術的又一重要方向。”

具體來說，一方面衛星導航技術自身會不斷發展，通過升級核心元件，從而減少功耗、降低成本。中海達在已推出射頻芯片的基礎上，目前在著手基帶芯片研發。

另一方面，衛星導航和慣性導航技術可以更深入地結合。由于衛星導航系統要接收來自天空的信號，在信號中斷的地方無法定位；而慣性導航技術不受外界影響，可以自主定位；但隨著時間增長，慣性導航定位的誤差會逐漸變大，這又需要衛星導航的實時定位來消除誤差積累。因此二者的有效融合能解決實際應用中的關鍵問題。

技術和應用從來相輔相成。正撲面而來的“新基建”浪潮，顯然已為“北斗+”和“+北斗”打開巨大想象空間。

廖定海就認為，5G為北斗系統打開了產業新生態，隨著逐步把北斗精準位置服務加載上去，前景將非常廣闊。

最近一次北斗衛星導航系統大放異彩是在國家對珠穆朗瑪峰的第三次登頂測量工作期間，這是首次用上北斗系統，對產業界意義非凡。

而基于北斗三號的獨特能力，尤其在突發災害過程中，其重要性尤為凸顯。據李長江介紹，2008年汶川地震期間，在網絡、通訊全斷的情況下，各方力量得以通過北斗的用戶機來準確定位，第一時間反饋災區實地信息，幫助民眾脫離危險。

還有迅速發展的自動駕駛、機器人、物聯網等，龐大的應用場景在陸續召喚著“國之重器”走向我們身邊。

正如曹沖形容，衛星導航的應用“如此廣泛，乃至無限，其服務只受到人們想象力的限制，只有想不到，沒有做不到的。”

在不遠的將來，再提到衛星導航系統、提到“北斗”，不再會只想到“手機”，我們的觸角將可以延伸到無限遠。