北斗的骄傲与未来

（文 / 鲁伊）

( 6月2日，在西昌卫星发射中心，“长征三号丙”运载火箭将第四颗北斗导航卫星成功送入预定轨道 )

1993年2月，李贵琦离开西安，到北京某部报到。一早到的时候只有他一个人，自己拎着暖水瓶找地方打开水，到中午，才又来了一个同志。

“我们俩大概就是北斗导航系统正式筹建时最开始加入的两个人了。”退休前担任“北斗一号”地面应用系统副总师的李贵琦对本刊记者回忆道。

这个时候，距离中科院院士、两弹一星功勋奖章获得者陈芳允提出奠定北斗导航系统理论基础的“双星定位设想”，时间已经过去了10年。此时，美国已经基本完成了GPS系统的卫星布网工作，两年后便开始投入正式使用，与其竞争的俄罗斯GLONASS系统，也在紧锣密鼓地加紧部署。

GPS导航系统的原理，是在6个距地球2.66万公里的近圆形轨道面上，放置24颗卫星，它们的分布使得地球上任何地方的用户在任何时候都能看到至少4颗卫星，形成精确定位所需要的几何图形。GLONASS虽然在轨道半径和轨道面分布上与GPS略有不同，但主体上延续的仍是这一原理。然而，陈芳允提出的双星定位设想，却与这两大主流卫星导航系统截然不同。

“我们不是不想做GPS，但当时做不到。”李贵琦说。他介绍说，GPS其实是在第一代子午仪卫星导航定位系统的基础上发展起来的，从1969年起，中国就已经在做这种子午仪卫星，做好没多久，还没有往上放，美国就发展到了GPS系统，子午仪系统被淘汰掉了。既然这个系统已经落后了，再往天上放没有意义，所以直到现在还放在仓库里。“但是，在对子午仪卫星的演练过程中，美国已经研发出了导航卫星上的核心部件原子频标，也即俗称的原子钟，而在中国，却还没有这个储备。1979年之后，美国GPS的发展相当快，中国的导航系统到底该从哪儿起步？专家学者的争论非常大。正是在这个背景下，本来做通信卫星研究的陈芳允院士根据当时的实际情况，提出了双星定位理论。”

( 1960年，物理学家理查德·柯士纳与Transit-1-B导航卫星 )

所谓的双星定位原理，其实还是测量学上的三球交汇，只不过把两颗地球静止轨道上的卫星作为两个球面，而把地球本身看成另外一个球面。这样，只需要两颗卫星——而不是24颗——就能够满足对导航定位的需求。

但是，这个方案也有它的局限性。“我们常说地球是个圆，但它表面其实坑坑洼洼，从喜马拉雅山到海平面，相差8000多米。”北斗应用系统前副总指挥、目前担任北斗导航系统应用开发的北斗天汇董事长刘忠华对本刊说。为了解决高度带来的误差问题，当时调动了几乎举国的测绘力量，将全中国的纸质地图扫描，变成数字化地图。“这个地图非常大，那是1994年前后，不像现在，上哪儿找这么大的一个内存啊，中间想了很多办法。”这样，当北斗系统用户需要知道自己的位置时，他需要首先发送一条“申请”信息，由中心站的计算机根据坐标在地图上找到对应的层高点，综合计算后将结果打包发给用户。因此，北斗一代系统是一个主动系统，无法实现像GPS那样的被动接收。正像现在很多人说，北斗可以发短信，做通信，比GPS好。

2000年10月31日和12月21日，中国先后发射了两颗北斗导航试验卫星。但是，当2003年欧盟邀请中国加入伽利略系统时，尽管借助3颗北斗一代卫星已经初步完成对中国的区域覆盖，但中国依然非常积极。“当时欧盟的伽利略计划缺钱，中国很快就承诺投入2.3亿欧元，只有一个条件，把部分项目放到中国一些大的研究所来合作，这走的是一条曲线救国的路线。但欧盟坚决不同意。”杨千里说。

美国和欧洲对核心技术控制权的敏感，其实一直伴随中国卫星事业的发展。“最好的东西不卖给你，就算卖给你也不让你靠近，有专门的人守在旁边，让你摸不着看不见。”中国卫星通信集团公司科学技术专家委员会副主任闵长宁对本刊说。对于这一点，李贵琦深有感触。“一直到最新的几颗北斗导航卫星上天，我们的北斗卫星上才有了自主研发的原子钟。上述事实教育了我们，也促成了我国政府最终下定决心，不管怎样，也一定要把自己的北斗导航系统做成。”

在已经有了足够好的GPS系统的情况下，为什么还要做自己的导航系统？除了惯常的解答，中国科学院国家授时中心前资深研究员陈洪卿另有一番见解，他告诉本刊记者：“现在大家对卫星导航系统关注比较多的是它的导航功能和它在军事和民用上的重要意义，但其实，还有一个对国计民生关系重大的领域不甚为人所知，那就是授时。”每到整点钟，广播和电视中会发出“嘀嘀嘀”的声响，帮助人们调校钟表，这其实就是一种授时。在一些与时间密切关联的工业系统如电力系统中，要确保时间的一致性，提高电网事故分析和稳定性控制水平，高精度的授时手段必不可少。直到目前，中国电网广泛使用的还是美国的GPS系统。“从国家能源安全和国民经济命脉上考量，其实存在很大隐患。”陈洪卿说。正如时频专家王义遒先生比喻的“原子钟比原子弹重要”——原子弹可以摧毁一个城市，但如果原子钟出了问题，整个国家的电信、金融、电力网络，都会出问题。令他对北斗导航系统格外骄傲的，恰恰是北斗在解决授时问题上的突出表现。“现在北斗的授时精度和GPS系统是一样的，但我们用了3亿美元，美国人用了120亿美元，我们用了8年，美国人用了20年。”

“选择双星定位的北斗导航系统，有技术问题，有成本问题，也有轨道频率资源协调问题。它可能不是目前世界上最好的选择，但的确是符合中国国情的最佳选择。”李贵琦告诉本刊记者，“两个系统最终要实现的目标是基本一样的，我们正在布局的北斗二代导航系统，就已经解决了从主动导航到被动导航的问题，保密性上提高了一大截。”李贵琦告诉本刊，国家为北斗二代系统制定的“5+30”方案，最终目标也是要用布在中轨道的30颗卫星建立一个像GPS那样的精确定位系统，但要发展到这一步，不仅是制造和发射多少颗卫星的问题，还牵涉到地面系统的建设，天上几十颗卫星的位置跟踪，太空中摄动问题的解决，整个星座的维护更替，这都要投入很多成本，解决很多系统性的技术问题，不可能一蹴而就。否则，俄罗斯GLONASS系统此前因为维护不善而导致服务瘫痪的例子，就是前车之鉴。

“现在很多人说，北斗的终端贵，笨重，没有GPS精度高，但这需要一个过程。”陈洪卿对本刊记者说。1984年，他所在的国家授时中心从美国买回一台GPS接收机，一台仪器就花了7.5万美元，“从7.5万美元降到现在的几千块钱人民币，这中间是20多年的时间里全世界的企业围绕GPS系统进行的一系列应用研发。北斗的后发优势可以使它超越一些阶段，但我们还是要给它成长的时间”。■

全球导航卫星布局

美国GPS系统

设计方案：24颗

完成时间：1995年

最新进展： 2010年5月13日，美国德尔塔4号火箭发射了首颗改进型GPS二代导航卫星GPS-2F，其后还将在本年度再发射两颗。GPS-2F卫星具有更强的抗干扰和抗打击能力，而且可以自主运行60到180天，寿命也延长到15年。与此同时，为满足未来30年系统技术扩展和用户需求而制定的第三代GPS计划也有提前部署的可能。

俄罗斯GLONASS系统

设计方案：24颗

完成时间：1996年

最新进展： 截至2010年2月，共有18颗GLONASS卫星处于在轨运行状态。由于GLONASS卫星寿命短，组网后因为种种原因不能及时替代，从1999年起处于瘫痪状态，不能单独提供全球导航卫星服务。俄罗斯预计2010年将分3次发射共9颗GLONASS卫星，使这一系统恢复正常。

欧洲伽利略系统

设计方案：3颗静止轨道卫星

设计方案：30颗中轨道卫星

完成时间： 最初预计2012年完成全球覆盖

最新进展： 2002年启动的欧洲伽利略（GALILEO）系统一直不够顺利，计划超支和各成员国之间利益分配问题导致该计划滞后于原计划近6年。今年11月，联盟火箭将发射两颗伽利略在轨实验卫星，与此同时，由德国OHB公司制造的14颗工作型伽利略卫星将从2012年7月开始陆续交付。从2012年开始，阿里安公司的联盟号火箭将以一箭双星方式分5次把10颗工作型伽利略卫星送上轨道。

中国北斗系统

设计方案：5颗静止轨道卫星

设计方案：30颗中轨道卫星

完成时间：预计2012年实现亚太地区覆盖，2020年完成全球覆盖

最新进展： 2010年1月17日和6月2日，中国的长征三号丙火箭成功将中国空间技术研究院研制的第三颗和第四颗北斗导航卫星送入地球静止轨道，卫星组网正在按计划稳步推进。

日本QZS系统

设计方案：3颗

完成时间：无

最新进展： 今年8月，日本预计将发射首颗导航卫星“准天顶卫星一号”。这个系统由3颗运行在地球同步轨道上的卫星组成，与赤道平面有一定夹角，但从日本本土来看，始终有一颗卫星保持在靠近天空顶点的位置。由于高楼林立，日本城市中GPS卫星的定位精确经常出现问题，QZS系统可以与GPS系统配合，减少障碍物的影响，提供高精度的定位。

印度IRNSS系统

设计方案：7颗

完成时间：无

最新进展： 印度的区域导航卫星系统，计划由7颗卫星和一个大型地面控制段组成，所有研发和生产都将在印度完成。

尼日利亚NIGCOMSAT-1 SBAS系统

最新进展： 在2008年发射了第一颗通信卫星后，尼日利亚宣布，作为一个非洲国家，该国也准备进军全球卫星导航领域。

〔资料来源：全球导航卫星系统国际委员会（International Committee on Global Navigation Satellite Systems），中国空间技术研究院研究员庞之浩〕