北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)是中國正在實施的自主發(fā)展、獨立運行的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)。與美國的GPS，俄羅斯的格洛納斯、歐盟的伽利略系統(tǒng)并稱為全球四大衛(wèi)星導航系統(tǒng)。

該系統(tǒng)由空間段、地面段和用戶段三部分組成，空間段包括5顆靜止軌道衛(wèi)星和30顆非靜止軌道衛(wèi)星，地面段包括主控站、注入站和監(jiān)測站等若干個地面站，用戶段包括北斗用戶終端以及與其他衛(wèi)星導航系統(tǒng)兼容的終端。

北斗星，亙古以來，一直為人類辨識方向提供著最簡便清晰的“指引”。

1994年，一個名為“北斗”的衛(wèi)星導航工程在中國啟動。

今年10月下旬，一顆新的北斗導航衛(wèi)星即將發(fā)射升空。屆時，一個導航衛(wèi)星網(wǎng)絡將構建完成，覆蓋中國以及大部分亞太地區(qū)。明年上半年，北斗將正式提供服務。

到2020年，北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)將擁有35顆衛(wèi)星，形成覆蓋全球的衛(wèi)星網(wǎng)絡。

這是中國歷史上規(guī)模最大的航天工程。

北斗初上

提起衛(wèi)星導航系統(tǒng)，很多人認為就是GPS。其實，GPS是美國“全球定位系統(tǒng)”（GlobalPositioningSystem）的簡稱。

據(jù)統(tǒng)計，GPS在我國導航市場上所占份額在95%以上。在電力傳輸、通信、金融等領域，嚴重依賴GPS提供的精準時間。

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)總設計師孫家棟認為：和平時期，可以用GPS；但應對“不可控局勢”，“必須未雨綢繆”，發(fā)展本國的衛(wèi)星導航系統(tǒng)。

即便是在和平時期，美國對各國開放的精度并不一樣。這意味著，美國的GPS不能滿足高精確的需求。

參加了北斗項目總體設計的郭樹人告訴記者，國際上衛(wèi)星導航的定位是“重大空間基礎設施”，就像供水供電系統(tǒng)一樣。

限于國家的財力、技術能力和實際需求，北斗建設分“三步走”：先建立試驗系統(tǒng)，再實施區(qū)域服務，最后建立全球網(wǎng)絡。

2000年10月，試驗系統(tǒng)第一個衛(wèi)星被送入軌道。2003年5月，第三顆北斗衛(wèi)星成功發(fā)射，這是一顆備份衛(wèi)星。

這三顆衛(wèi)星組成完整的試驗系統(tǒng)。至此中國成為繼美國、俄羅斯之后，世界上第三個擁有自主衛(wèi)星導航系統(tǒng)的國家。

北斗織網(wǎng)

2005年，北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)工程項目啟動，這將是一個由5顆靜止軌道衛(wèi)星和30顆非靜止軌道衛(wèi)星組成的龐大衛(wèi)星網(wǎng)絡。

2007年4月，第一顆北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)衛(wèi)星成功發(fā)射。從此，北斗衛(wèi)星開始了高密度發(fā)射。尤其是2010年以來，保持了每年4顆左右的發(fā)射頻率。

從2011年12月27日起，北斗向中國及周邊地區(qū)提供連續(xù)的導航定位和授時服務。

此時，北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的在軌衛(wèi)星已經(jīng)有10顆。

進入2012年，北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的組網(wǎng)進程加速。2月發(fā)射第11顆衛(wèi)星后，4月和9月，均用一箭雙星的方式，將第12至第15顆衛(wèi)星送入太空。

到2012年底，北斗系統(tǒng)基本建成后將提供正式運行服務，屆時覆蓋區(qū)內(nèi)定位精度達到10米。

記者了解到，本月下旬，還將有一顆北斗導航衛(wèi)星發(fā)射。屆時，一張覆蓋亞太地區(qū)的導航網(wǎng)絡將織就。這張網(wǎng)將覆蓋東亞、東南亞、南亞、澳大利亞、西太平洋以及部分西亞地區(qū)。

北斗“指路”

正式運行后，北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的接口控制文件（ICD文件）將對外公布，有了這個代碼，外國公司將能夠進入北斗衛(wèi)星導航產(chǎn)業(yè)。

北斗將提供的服務分為兩種：開放服務和授權服務。開放服務是向服務區(qū)內(nèi)的所有用戶免費提供的，定位精度為10米，測速精度為0.2米/秒，授時精度為50納秒。授權服務面對授權用戶，安全性和精度都更高。

目前，國內(nèi)近10萬艘出海漁船上，安裝了北斗導航，它不僅可以為船只導航，還可以通過北斗獨有的短報文技術，報告船只位置。

孫家棟說，北斗的應用只受想象力的限制。行業(yè)預計，北斗導航每年將帶來的產(chǎn)業(yè)效益可達到5000億元。

今年11月，全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)國際委員會大會將在中國舉行，與周邊國家探討在境外建站以及與其他系統(tǒng)兼容互操作，將是一項重要內(nèi)容。

郭樹人介紹，目前北斗的車載導航終端已經(jīng)和GPS終端大小相差無幾。在不遠的將來，普通用戶就可以使用北斗終端，這個終端將同時兼容GPS。

1994年

【啟動】北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)工程啟動。在此之前，進行了歷時8年的理論推演和重大專項實驗等前期論證工作。

2003年

【試驗】2003年完成。用少量衛(wèi)星利用地球同步靜止軌道完成試驗任務，為系統(tǒng)建設積累經(jīng)驗，培養(yǎng)人才，研制地面應用基礎設施和設備。

2012年

【亞太組網(wǎng)】2012年完成。建成由12顆衛(wèi)星組成的區(qū)域星座，形成覆蓋亞太地區(qū)的區(qū)域服務能力，并正式提供服務。

2020年

【全球覆蓋】2020年左右完成。建成由5顆靜止軌道和30顆非靜止軌道衛(wèi)星組成的網(wǎng)絡，開展全球定位、導航、授時服務，及區(qū)域增強服務。

（感謝北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)政府網(wǎng)站、神舟傳媒提供幫助）

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【北斗導航揭秘】

今年9月19日3時10分，中國在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心用“長征三號乙”運載火箭，采用一箭雙星方式，成功將第十四顆和第十五顆北斗導航衛(wèi)星發(fā)射升空并送入預定轉移軌道。

與之前發(fā)射的北斗導航衛(wèi)星，一起構成“5GEO+5IGSO+4MEO”的星座結構。

其中，“5+5”是核心，一旦有衛(wèi)星失效或者處于在軌維修狀態(tài)，4顆中圓軌道衛(wèi)星可以起到部分替代作用。

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)衛(wèi)星系統(tǒng)總設計師楊慧表示，對于限定區(qū)域的服務區(qū)而言，“5+5+4”的混合星座結構具有最佳的“魯棒性”和經(jīng)濟性，最符合“少花錢多辦事”的原則。

【北斗“混搭”星座結構】

與神舟載人航天、嫦娥探月相比，北斗衛(wèi)星導航工程，顯得非常低調(diào)。北斗雖然低調(diào)，但是技術含量并不少。而且，它與普通人的生活關系更為密切。

參與北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)方案設計的郭樹人，向新京報介紹了北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的幾個關鍵環(huán)節(jié)。

星座結構獨特：用IGSO衛(wèi)星定位

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的星座結構，和其他導航系統(tǒng)的星座結構有明顯區(qū)別。美國、俄羅斯的導航系統(tǒng)采用的是中圓軌道，衛(wèi)星均勻分布在軌道面上，都是MEO衛(wèi)星。

郭樹人說，這樣的對稱星座，軌道面均勻，相位也均勻，是覆蓋全球的最優(yōu)星座。

中國首先要組建一個區(qū)域導航服務星座。郭樹人說，北斗沒有以MEO衛(wèi)星為主。MEO衛(wèi)星繞地球旋轉，每天只有30%的時間位于中國的國土上空，其他時間不能為中國提供服務。因此，北斗更多采用了傾斜地球軌道衛(wèi)星（IGSO）、地球靜止軌道衛(wèi)星（GEO）。這兩種衛(wèi)星的活動范圍，相對固定。

郭樹人說，GEO同步衛(wèi)星，軌道傾角為0度，相對地面是不動的，但是只用這一種衛(wèi)星，定位有問題，因為它們有時會處于同一直線上，不能計算定點的位置。于是，還需要IGSO衛(wèi)星，這也是同步衛(wèi)星，但軌道傾角是55度。它的軌跡呈8字形，有70%-80%的時間停留在中國的國土上空。

用IGSO衛(wèi)星進行定位，這在世界上是第一次。

組網(wǎng)要求高：雷雨天發(fā)射衛(wèi)星

與之前的衛(wèi)星發(fā)射不同，北斗不是單顆衛(wèi)星，而是需要發(fā)射30余顆衛(wèi)星，組成一個網(wǎng)絡。星座的設計要求是，既要保證同時可以看到4顆星，但衛(wèi)星又不能離太近，要分散開，間隔越遠越好。

郭樹人說，衛(wèi)星組網(wǎng)，最關鍵的就是衛(wèi)星之間的位置關系，它們的距離必須是確定的。這就要求，衛(wèi)星發(fā)射不僅要進入軌道，還要保證進入軌道的某個位置。對于MEO和IGSO衛(wèi)星來說，這樣的要求，需要等待為數(shù)不多的發(fā)射窗口。

2011年7月27日5時44分，第九顆北斗導航衛(wèi)星在暴雨雷電中成功發(fā)射。

郭樹人說，如果是別的衛(wèi)星發(fā)射，遇到惡劣天氣就取消發(fā)射任務。當時，發(fā)射準備工作都做好了，現(xiàn)場人員準備撤離。發(fā)射前2小時，突降大雨，且伴隨雷電。

如果不進入發(fā)射程序，損失很大，很多程序是不可逆的，而且一旦錯過發(fā)射窗口，就會再等很長時間。隨后的兩個小時里，每15分鐘就進行一次天氣會商。

最終決定，發(fā)射。

在兩次雷電的間隙，火箭騰空而起。郭樹人說，火箭升空不久，就聽到了雷暴。

用戶救命法寶：120字短報文

北斗衛(wèi)星試驗系統(tǒng)的“有源定位”功能，被北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)繼承了下來。這讓北斗系統(tǒng)有了一項其他衛(wèi)星導航系統(tǒng)所不具備的功能——短報文功能。

郭樹人說，短報文是北斗導航系統(tǒng)的一個特色。

北斗的短報文每條可發(fā)送120個漢字。短短的120個字，在很多時候是“救命”的法寶。通過GPS，用戶只能知道“自己在哪”。但是通過北斗，用戶還能讓別人知道“自己在哪”。

汶川地震時，震區(qū)通信中斷。中國衛(wèi)星定位應用管理中心為救援部隊配備了1000多臺北斗終端機。北斗的短報文功能，讓救援部隊和指揮部的聯(lián)系保持順暢。

據(jù)介紹，北斗正式運行后，短報文通信的服務功能將覆蓋中國大陸及周邊地區(qū)。

國產(chǎn)原子鐘：精確到十億分之一秒

衛(wèi)星定位是通過測定時間來測定距離的。郭樹人說，衛(wèi)星導航系統(tǒng)最核心的是時間，定位的精度取決于時間的精度。北斗系統(tǒng)的精確時間，來源于衛(wèi)星上搭載的原子鐘。長期以來，中國星載原子鐘的研制一直備受海內(nèi)外業(yè)界人士關注。

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)工程副總設計師李祖洪曾透露，當時，我國準備從歐洲進口星載原子鐘，也同歐洲公司簽訂了合同。但對方提出了一個合同履行的前提條件，必須先取得瑞士政府頒發(fā)的對華銷售許可證，至于何時可以獲得許可證、能否取得許可證，對方不作任何承諾。

李祖洪說，當時大家已經(jīng)意識到衛(wèi)星原子鐘必須依靠自己。于是，由北京大學、中科院、中國航天科技集團等多個部門空間物理、空間無線電等領域專家組成的課題組，經(jīng)過兩年研究試驗，終于造出了自己的原子鐘，可以精確到十億分之一秒。

【設計參與者郭樹人：艱巨在后頭】

郭樹人辦公室里滿滿兩書架的書，都和衛(wèi)星有關。

他是中國衛(wèi)星導航系統(tǒng)管理辦公室研究員，從1993年加入北斗導航系統(tǒng)團隊，至今已與北斗“并肩”近20個年頭。

1993年，郭樹人調(diào)入北斗初建團隊工作，那時，整個團隊的核心人員不過10人左右。由于西方國家在衛(wèi)星導航系統(tǒng)方面對中國封鎖，中國只能靠自主研究突破關鍵技術。經(jīng)過演示實驗驗證北斗系統(tǒng)總體方案的原理可行后，他們開始了設計之路。

當時才30歲出頭的郭樹人，已經(jīng)是北斗系統(tǒng)總體方案設計的核心成員。

“坦誠講，一開始壓力很大。”郭樹人回憶。由于我國第一次搞北斗項目，設計沒有任何經(jīng)驗可以借鑒，他每天都要和航天界的權威院士們一起開會，解答院士們的每一個疑問。

“我還記得第一次上臺，面對那么多德高望重的院士們，回答他們的問題時，我很緊張，他們都是航天界的泰斗。”郭樹人說。

答辯結束后，同事開玩笑說，他在臺上的聲音有點哆嗦。

郭樹人告訴記者，經(jīng)過多次完善和修補，北斗的衛(wèi)星網(wǎng)絡結構仍然堅持了原有的思路，現(xiàn)在回過頭來看，這個思路是正確的，符合國家戰(zhàn)略和建設實際。

現(xiàn)在，郭樹人一周要參加北斗系統(tǒng)大大小小的會議5、6個，一年365天200多天都在開北斗系統(tǒng)的會。他曾經(jīng)計算過，從1993年加入團隊到2009年，他開過的會議已經(jīng)超過1000個。

“雖然現(xiàn)在北斗的進展很順利，但是艱巨的都在后頭，還有很多事情要做，絲毫不敢怠慢啊。”他笑著說。