“古有北斗七星辨方向，今有北斗衛星測全球”。廣義上的“北斗”是指“北斗七星”，即天樞星、天璇星、天璣星、天權星、玉衡星、開陽星和瑤光星。本文的“北斗”是指由中國科研團隊自主研發的中國北斗衛星導航系統（以下簡稱“北斗系統”）。隨著科技不斷發展，我國越來越重視全球導航技術研發，“北斗”從最初的一個雛形，到現在已經成為較成熟的全球衛星導航系統，可為全球用戶提供精確定位、導航、授時服務，是我國重要的空間基礎設施。北斗系統迅速發展，如今已廣泛運用到日常生活、交通運輸、防災減災等各行各業。隨著互聯網、5G信息技術、大數據和云計算等技術的發展融合，北斗系統將會逐步應用和服務于國民經濟以及社會發展等各個領域，北斗系統前景可期。北斗系統已是一個成熟的衛星導航系統，但當代青年對衛星導航系統的相關知識知之甚少。本研究在綜述當前國際成熟的衛星導航系統發展現狀和當前應用情況的基礎上，重點介紹了北斗“三步走”、導航系統構成以及全球衛星導航系統；詳細描述了北斗的發展歷史及其研究、發展應用；最后，對北斗衛星導航系統的發展前景進行了分析和探討，并在科普宣教等方面進行了展望。

1、全球衛星導航系統

目前全球共有4種全球衛星導航系統，分別為美國的GPS、俄羅斯的GLONASS、歐盟的Galileo和中國的BDS。1957年10月，前蘇聯成功發射了世界上第一顆人造衛星給了美國很大啟發；經過20a的研究建設，美國完成了全球衛星導航系統的研制工作。冷戰期間，前蘇聯緊追不舍，也提出了建設衛星導航系統的設想。1982年10月，前蘇聯成功發射了第一顆GLONASS衛星。1970年，我國發射了第一顆人造地球衛星東方紅一號；此后，我國科學家陸續研究、開發自己的衛星導航系統，但由于我國經濟、技術等條件的局限性，難以發展類似美國和前蘇聯的全球定位系統。1990年海灣戰爭爆發，美國軍隊利用GPS系統進行軍事作戰，這讓我國意識到衛星導航系統的重要價值。隨后，我國科學家又提出并開展了大量關于衛星理論和技術上的研究工作，1994年正式啟動中國北斗一號系統的建設工作。2000年4月，國際電聯正式批準中國申報頻率資源和軌道位置；緊接著在2000年10月和12月我國發射了2顆地球靜止軌道衛星（實驗衛星）；2004年8月中國正式啟動北斗二號系統工程。經過26a的研究和磨煉以及無數次的實驗，截至2020年7月29日，我國已經成功發射了55顆衛星；至2020年7月31日，中國向全世界鄭重宣告北斗三號全球衛星導航系統正式開通。

2、北斗衛星導航系統

北斗系統是基于國家安全和經濟社會發展而自主建設運行和面向全球的衛星導航系統，為全球用戶提供導航、精確定位以及授時服務，是我國重要的空間基礎設施。北斗系統運行與發展以應用推廣和產業發展為根本目標、以開放性和自主性為發展原則，為全球用戶提供先進的技術服務。北斗系統由3個部分組成分別為地面段、空間段和用戶段。地面段主要為負責接收北斗信號的控制端，由主控站、時間同步／注入站、監測站等組成；空間段由若干個混合衛星導航星座組成，如地球靜止軌道衛星、傾斜地球同步軌道衛星和中圓地球軌道衛星；用戶段主要為用戶提供服務，由應用軟件與用戶服務系統構成，還包括芯片、天線等基礎設備。

中科院微小衛星創新研究院導航所副所長沈苑在一次科普講座中重點闡述了北斗系統長達26a的研發歷程，即北斗系統“三步走”（北斗一號、北斗二號和北斗三號）。從1994年提出北斗建設工程開始，北斗一號在中國經濟、技術匱乏的艱苦條件下進行研發。北斗導航衛星研制團隊攻堅克難，突破重重關鍵技術，2000年開啟了“三步走”的第一步（即北斗一號）、2004年開啟了第二步（即北斗二號）、2009年真正意義上的北斗系統建成，開啟了北斗系統的第三步（即北斗三號）。

2.1發展歷程

2.1.1北斗一號

北斗一號在國家經濟技術缺乏的艱苦條件下建設。2002年歐盟開始自主研發導航系統，啟動了伽利略衛星導航計劃；歐盟抓住了我國缺技術的弱點，向我國拋出了“橄欖枝”，我國為此不惜代價，投入巨資，但卻未得到收獲，由此開始將研發力量轉移到自主研發上。北斗一號研發采用有源定位，用戶端向衛星發射信號，由衛星發射到地面段，地面段進行解算等技術服務，再發射到衛星由衛星傳達到用戶，為用戶提供定位、授時、通信等服務。到2000年10月和12月，北斗一號衛星導航系統發射了2顆地球靜止軌道衛星，在國內投入使用，使我國走近了世界舞臺，開始與歐盟從合作走向了競爭。北斗一號系統在技術上創造性地提出雙星定位模式，這項新的突破是區別于其他衛星導航系統的標志，成為國際上首個提出基于雙星定位技術研發的有源衛星定位系統。但北斗一號設置壽命僅8a，在衛星壽命到期后，將自動停止工作。

2.1.2北斗二號

2004年8月，北斗導航衛星研制團隊正式啟動北斗二號衛星系統研發建設。經過團隊不懈努力后，2007年我國成功研制出國產的原子鐘，肩負搶占頻段使命的衛星，發射了第4顆“北斗”一號導航衛星，激活了沉寂的“北斗”，實現了彎道超車。2007年底，我國在技術上有了重大的突破，成功發射了第一顆“中軌道”導航系統衛星，但是北斗一號的精度只能覆蓋亞洲地區實現區域定位。經過8a的艱苦研發，20l2年l2月我國成功發射了14顆衛星，并在北斗一號系統有源定位體制技術的基礎上，增加了無源定位體制技術，使北斗二號兼容2種體制。無源定位體制技術由用戶向衛星發射信號，在用戶端即可完成解算定位等服務，相比有源定位體制技術雖然定位速度較慢，但定位精度高，并采取廣播式服務，保留了位置報告和短報文通信服務，與北斗一號相比，北斗二號定位精度有了大幅度提升。

2.1.3北斗三號

北斗三號是真正意義上的全球定位系統。2009年，我國正式啟動北斗三號研發工程，研發工作突飛猛進。至2020年6月23日，成功發射了55顆導航衛星。北斗三號搭載了多顆特色衛星，配備了高精度的氫原子鐘和銣原子鐘，在定位、導航和通信等功能上取得了卓越成果，技術上有了新的飛躍。在北斗三號區域擴展中，為了讓地面站更高效地進行信息接收，攻克去海外建站的難關，北斗導航衛星研制團隊在發射的衛星上實現了星間鏈路，使在太空衛星之間也能夠交流，在國際技術上又是一項新的進步，打破了國外的技術壟斷和封鎖。與北斗一號、北斗二號相比，北斗三號發射的衛星數量更多、技術更先進、服務區域更廣泛（逐漸面向全球），同時北斗系統實現了與其他系統(GPS、GLONASS和Galileo)的兼容。單顆衛星壽命也延長至10—12a。此外，北斗三號的定位精度也從區域系統的10m提升到2.5～5.0m。

2.2北斗衛星科學研究現狀

衛星的心臟就是原子鐘，北斗三號配備了更高精度的氫原子鐘和銣原子鐘。星載原子鐘的設計特點是以北斗二號系統星載原子鐘為技術基線，設計目標是提高原子信號信噪比、降低微波相位噪聲、減小物理環境效應，使銣原子鐘的短期和長期穩定度指標得到全面改善。近40a以來，銣原子鐘的頻率穩定度改善了近2個數量級，這種發展速度超過了預期，也引發了人們探索銣原子鐘穩定度極限的興趣。梅剛華等認為銣原子鐘頻率穩定度還可以繼續得到提升。

3、北斗衛星導航系統應用發展對比

3.1歷史發展

北斗一號導航系統研究正式開始是依照美國工程師1982年提出的“雙星主動式衛星定位系統”原理而實施的，研究發現該技術十分落后，美國和歐洲都沒有應用此技術開發GPS系統。因為技術的落后，應用價值很低。“北斗一號”與GPS的技術差異主要體現在2個方面：①信息接收方面，“北斗一號”采用有源定位，用戶端需兼具發射和接收功能，降低了定位速度和授時服務，而GPS用戶端僅需實現接收功能；②解算技術方面，“北斗一號”解算技術只能在地面段控制，而GPS本身就具備解算能力。首先，原理的不同導致了應用上的明顯差別；其次，當時我國經濟基礎薄弱，研發資金少，難以有效支撐高新技術的研發工作。由于“北斗一號”的定位短報文通信功能受通信限制，同時服務的終端數有限，國家不能大批量生產，無法大規模應用。因此，北斗一號技術相對落后，應用效果不是非常理想。

3.2近代發展

近代科研人員研究北斗三號以來，北斗系統便在國際舞臺上有了長足發展。北斗系統的獨特優勢體現在以下3個方面：①穩定性能好，接收信號強，在特殊地勢環境下有一定優勢；②雙向通信能力優勢顯著，可靈活應用于多種場景，應用前景可觀；③授時、定位技術先進，采用功效低的銣原子鐘和穩定性高的國產氫原子鐘，具有較大的領先優勢。北斗三號衛星系統的全面建設和技術開發，其應用彰顯出眾多成就。在2019年底的疫情防控期間，北斗衛星導航系統快速響應國家號召、加入防控疫情的工作中，智能監測把控抗疫主陣地，精準引導全程護航物資投送，巡防結合阻斷疫情傳播，堅定不移地履行著“北斗”服務人民的忠實承諾，為打贏疫情防控阻擊戰提供了強力的技術支撐。武漢火神山、雷神山醫院建設期間，運用了北斗導航系統的北斗實時動態測量RTK技術，精確獲得了地理信息數據，為2座醫院施工縮短了時間。

4、發展前景

(1)互聯網5G信息技術的融合。隨著移動5G網絡的不斷擴大，5G技術應用非常廣泛，物聯網5G信息技術是最重要的無線數據通信技術。北斗導航信息系統的開發將會和互聯網5G信息技術相融合，結合北斗導航系統的短報文功能，有助于在更多的電子科技領域應用和開發北斗系統更豐富的功能，展開新的全球服務。現階段，北斗產業鏈已經全部打通，中國芯片、主板等技術產業已經可以進行大批量生產，生產水平已接近或達到國際一流，依靠科技人員和企業的積極性把價格降低，5G通信技術再結合北斗衛星導航系統中的短報文功能和北斗系統的定位功能，進而發展到手機用戶端，短報文功能可直接利用衛星系統進行定位。在新發明的電子設備（如手機、車載導航等）上安裝北斗系統，使北斗系統可以和CPS兼容，實現移動手機、車載導航等也可以運用北斗系統進行精確導航。北斗系統與互聯網5G信息技術的融合將會為用戶提供更加豐富的信息化服務和更加精確的定位服務。

(2)交通運輸。隨著我國經濟持續快速增長和國民生活質量的提高，衛星導航系統在交通運輸業中蓬勃發展；隨著北斗定位技術的快速發展，現在越來越多的車輛管理機構、公司等都已經將導航技術應用在車輛上，結合后臺系統中的地圖，對車輛進行跟蹤和監督，極大地提高了車輛的管理效率。導航技術的研究開發，將會讓更多的車輛實現無人駕駛；在物流運輸方面，也可讓無人送貨到家方式得以普及。我們可以大膽想象，先進的北斗導航系統搭載在每一輛車上，晝夜車水馬龍依舊可以有條不紊地工作。開發新的用戶端應用，做到可以監測車輛行駛狀態，駕駛員和乘客的親人或者緊急聯系人能夠及時收到乘客的乘車信息，其中包括上車時間、上車地點、車牌號、車輛負責人信息、下車時間、下車地點等，可有效保障乘客的人身安全。采用高精度的定位等技術，可以做到無人駕駛、高效率的監管車輛行駛狀態，為我國交通運輸行業提供更多的便利，所以北斗系統今后在交通運輸業的應用會越來越廣泛。

(3)測繪技術的應用。地理測繪工作是國家地理信息建設的重點工作。借助北斗系統的特點和優勢，我國地理測繪工作可結合北斗系統產生多角度的綜合應用，實現我國地理測繪工作的升級和創新。北斗系統具有更廣的覆蓋范圍、更高的精度、獨有的衛星導航通信功能及更安全可靠的系統性能：無人機測量是地理測繪中很重要的測繪工程，新發明的無人機上可借助北斗系統的優點（如讓更加精準的參考點和參考體系安裝在無人機中），從而測量出更加精確的數據。隨著北斗系統應用越來越廣泛，北斗系統的優勢可以在測繪技術的內業學習軟件中加以利用。用更加先進的技術應用到測量儀器中，當前的測量工作以人工測量方式為主，北斗系統具有自主完成測量的發展前景，不會因氣候環境等各種自然因素的變化而受到影響。因此，借助北斗系統，我國測繪領域的技術發展勢必會取得進一步的突破。

(4)青少年北斗系統的科普課件開發。對北斗系統開展積極的科普和宣傳工作，將會豐富青少年對北斗系統的認識。研發針對北斗系統的多媒體科普宣傳課件、視頻以及組織開展公共課活動，可為北斗系統的科普宣傳工作開展提供新途徑，讓大眾從GPS衛星導航定位系統占領全球大部分用戶端的思想中轉變，認識到北斗系統同樣是非常強大應用系統。北斗系統科普課件的開發將會提供一個專業的系統科普平臺，助力傳播更多關于北斗系統的科學知識。

(5)國防和應急救援。北斗系統將會對維護國家安全起重大作用，其可以服務于更為高效的作戰指揮，并且有助于創造更先進的技術（如反衛星武器）對北斗系統進行保護，依靠精準的導航系統和精確定位技術還可以開發更多的軍事武器，維護國家安全。運用精確定位技術，還可以及時反映、上報和共享受災情況，衛星地面段可以及時開展指揮和調度，實現應急通信，可顯著提高救災減災的決策部署能力及應急反應能力。

(6)促進國際交流。當前，我國已經攻克了重重困難，成功打破了國際上的技術壟斷，北斗系統已經布滿全球，不少國家已正式啟用北斗系統，以后越來越多的國家也會積極參與關于北斗系統的學習交流中。隨著北斗導航技術不斷進步，今后將會讓越來越多的國家受益。

來源: 科技外事處