北斗卫星导航系统现状与发展前景

“古有北斗七星辨方向，今有北斗卫星测全球”。广义上的“北斗”是指“北斗七星”，即天枢星、天璇星、天玑星、天权星、玉衡星、开阳星和瑶光星。本文的“北斗”是指由中国科研团队自主研发的中国北斗卫星导航系统（以下简称“北斗系统”）。随着科技不断发展，我国越来越重视全球导航技术研发，“北斗”从最初的一个雏形，到现在已经成为较成熟的全球卫星导航系统，可为全球用户提供精确定位、导航、授时服务，是我国重要的空间基础设施。北斗系统迅速发展，如今已广泛运用到日常生活、交通运输、防灾减灾等各行各业。随着互联网、5G信息技术、大数据和云计算等技术的发展融合，北斗系统将会逐步应用和服务于国民经济以及社会发展等各个领域，北斗系统前景可期。北斗系统已是一个成熟的卫星导航系统，但当代青年对卫星导航系统的相关知识知之甚少。本研究在综述当前国际成熟的卫星导航系统发展现状和当前应用情况的基础上，重点介绍了北斗“三步走”、导航系统构成以及全球卫星导航系统；详细描述了北斗的发展历史及其研究、发展应用；最后，对北斗卫星导航系统的发展前景进行了分析和探讨，并在科普宣教等方面进行了展望。

1、全球卫星导航系统

目前全球共有4种全球卫星导航系统，分别为美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、欧盟的Galileo和中国的BDS。1957年10月，前苏联成功发射了世界上第一颗人造卫星给了美国很大启发；经过20a的研究建设，美国完成了全球卫星导航系统的研制工作。冷战期间，前苏联紧追不舍，也提出了建设卫星导航系统的设想。1982年10月，前苏联成功发射了第一颗GLONASS卫星。1970年，我国发射了第一颗人造地球卫星东方红一号；此后，我国科学家陆续研究、开发自己的卫星导航系统，但由于我国经济、技术等条件的局限性，难以发展类似美国和前苏联的全球定位系统。1990年海湾战争爆发，美国军队利用GPS系统进行军事作战，这让我国意识到卫星导航系统的重要价值。随后，我国科学家又提出并开展了大量关于卫星理论和技术上的研究工作，1994年正式启动中国北斗一号系统的建设工作。2000年4月，国际电联正式批准中国申报频率资源和轨道位置；紧接着在2000年10月和12月我国发射了2颗地球静止轨道卫星（实验卫星）；2004年8月中国正式启动北斗二号系统工程。经过26a的研究和磨炼以及无数次的实验，截至2020年7月29日，我国已经成功发射了55颗卫星；至2020年7月31日，中国向全世界郑重宣告北斗三号全球卫星导航系统正式开通。

2、北斗卫星导航系统

北斗系统是基于国家安全和经济社会发展而自主建设运行和面向全球的卫星导航系统，为全球用户提供导航、精确定位以及授时服务，是我国重要的空间基础设施。北斗系统运行与发展以应用推广和产业发展为根本目标、以开放性和自主性为发展原则，为全球用户提供先进的技术服务。北斗系统由3个部分组成分别为地面段、空间段和用户段。地面段主要为负责接收北斗信号的控制端，由主控站、时间同步／注入站、监测站等组成；空间段由若干个混合卫星导航星座组成，如地球静止轨道卫星、倾斜地球同步轨道卫星和中圆地球轨道卫星；用户段主要为用户提供服务，由应用软件与用户服务系统构成，还包括芯片、天线等基础设备。

中科院微小卫星创新研究院导航所副所长沈苑在一次科普讲座中重点阐述了北斗系统长达26a的研发历程，即北斗系统“三步走”（北斗一号、北斗二号和北斗三号）。从1994年提出北斗建设工程开始，北斗一号在中国经济、技术匮乏的艰苦条件下进行研发。北斗导航卫星研制团队攻坚克难，突破重重关键技术，2000年开启了“三步走”的第一步（即北斗一号）、2004年开启了第二步（即北斗二号）、2009年真正意义上的北斗系统建成，开启了北斗系统的第三步（即北斗三号）。

2.1发展历程

2.1.1北斗一号

北斗一号在国家经济技术缺乏的艰苦条件下建设。2002年欧盟开始自主研发导航系统，启动了伽利略卫星导航计划；欧盟抓住了我国缺技术的弱点，向我国抛出了“橄榄枝”，我国为此不惜代价，投入巨资，但却未得到收获，由此开始将研发力量转移到自主研发上。北斗一号研发采用有源定位，用户端向卫星发射信号，由卫星发射到地面段，地面段进行解算等技术服务，再发射到卫星由卫星传达到用户，为用户提供定位、授时、通信等服务。到2000年10月和12月，北斗一号卫星导航系统发射了2颗地球静止轨道卫星，在国内投入使用，使我国走近了世界舞台，开始与欧盟从合作走向了竞争。北斗一号系统在技术上创造性地提出双星定位模式，这项新的突破是区别于其他卫星导航系统的标志，成为国际上首个提出基于双星定位技术研发的有源卫星定位系统。但北斗一号设置寿命仅8a，在卫星寿命到期后，将自动停止工作。

2.1.2北斗二号

2004年8月，北斗导航卫星研制团队正式启动北斗二号卫星系统研发建设。经过团队不懈努力后，2007年我国成功研制出国产的原子钟，肩负抢占频段使命的卫星，发射了第4颗“北斗”一号导航卫星，激活了沉寂的“北斗”，实现了弯道超车。2007年底，我国在技术上有了重大的突破，成功发射了第一颗“中轨道”导航系统卫星，但是北斗一号的精度只能覆盖亚洲地区实现区域定位。经过8a的艰苦研发，20l2年l2月我国成功发射了14颗卫星，并在北斗一号系统有源定位体制技术的基础上，增加了无源定位体制技术，使北斗二号兼容2种体制。无源定位体制技术由用户向卫星发射信号，在用户端即可完成解算定位等服务，相比有源定位体制技术虽然定位速度较慢，但定位精度高，并采取广播式服务，保留了位置报告和短报文通信服务，与北斗一号相比，北斗二号定位精度有了大幅度提升。

2.1.3北斗三号

北斗三号是真正意义上的全球定位系统。2009年，我国正式启动北斗三号研发工程，研发工作突飞猛进。至2020年6月23日，成功发射了55颗导航卫星。北斗三号搭载了多颗特色卫星，配备了高精度的氢原子钟和铷原子钟，在定位、导航和通信等功能上取得了卓越成果，技术上有了新的飞跃。在北斗三号区域扩展中，为了让地面站更高效地进行信息接收，攻克去海外建站的难关，北斗导航卫星研制团队在发射的卫星上实现了星间链路，使在太空卫星之间也能够交流，在国际技术上又是一项新的进步，打破了国外的技术垄断和封锁。与北斗一号、北斗二号相比，北斗三号发射的卫星数量更多、技术更先进、服务区域更广泛（逐渐面向全球），同时北斗系统实现了与其他系统(GPS、GLONASS和Galileo)的兼容。单颗卫星寿命也延长至10—12a。此外，北斗三号的定位精度也从区域系统的10m提升到2.5～5.0m。

2.2北斗卫星科学研究现状

卫星的心脏就是原子钟，北斗三号配备了更高精度的氢原子钟和铷原子钟。星载原子钟的设计特点是以北斗二号系统星载原子钟为技术基线，设计目标是提高原子信号信噪比、降低微波相位噪声、减小物理环境效应，使铷原子钟的短期和长期稳定度指标得到全面改善。近40a以来，铷原子钟的频率稳定度改善了近2个数量级，这种发展速度超过了预期，也引发了人们探索铷原子钟稳定度极限的兴趣。梅刚华等认为铷原子钟频率稳定度还可以继续得到提升。

3、北斗卫星导航系统应用发展对比

3.1历史发展

北斗一号导航系统研究正式开始是依照美国工程师1982年提出的“双星主动式卫星定位系统”原理而实施的，研究发现该技术十分落后，美国和欧洲都没有应用此技术开发GPS系统。因为技术的落后，应用价值很低。“北斗一号”与GPS的技术差异主要体现在2个方面：①信息接收方面，“北斗一号”采用有源定位，用户端需兼具发射和接收功能，降低了定位速度和授时服务，而GPS用户端仅需实现接收功能；②解算技术方面，“北斗一号”解算技术只能在地面段控制，而GPS本身就具备解算能力。首先，原理的不同导致了应用上的明显差别；其次，当时我国经济基础薄弱，研发资金少，难以有效支撑高新技术的研发工作。由于“北斗一号”的定位短报文通信功能受通信限制，同时服务的终端数有限，国家不能大批量生产，无法大规模应用。因此，北斗一号技术相对落后，应用效果不是非常理想。

3.2近代发展

近代科研人员研究北斗三号以来，北斗系统便在国际舞台上有了长足发展。北斗系统的独特优势体现在以下3个方面：①稳定性能好，接收信号强，在特殊地势环境下有一定优势；②双向通信能力优势显著，可灵活应用于多种场景，应用前景可观；③授时、定位技术先进，采用功效低的铷原子钟和稳定性高的国产氢原子钟，具有较大的领先优势。北斗三号卫星系统的全面建设和技术开发，其应用彰显出众多成就。在2019年底的疫情防控期间，北斗卫星导航系统快速响应国家号召、加入防控疫情的工作中，智能监测把控抗疫主阵地，精准引导全程护航物资投送，巡防结合阻断疫情传播，坚定不移地履行着“北斗”服务人民的忠实承诺，为打赢疫情防控阻击战提供了强力的技术支撑。武汉火神山、雷神山医院建设期间，运用了北斗导航系统的北斗实时动态测量RTK技术，精确获得了地理信息数据，为2座医院施工缩短了时间。

4、发展前景

(1)互联网5G信息技术的融合。随着移动5G网络的不断扩大，5G技术应用非常广泛，物联网5G信息技术是最重要的无线数据通信技术。北斗导航信息系统的开发将会和互联网5G信息技术相融合，结合北斗导航系统的短报文功能，有助于在更多的电子科技领域应用和开发北斗系统更丰富的功能，展开新的全球服务。现阶段，北斗产业链已经全部打通，中国芯片、主板等技术产业已经可以进行大批量生产，生产水平已接近或达到国际一流，依靠科技人员和企业的积极性把价格降低，5G通信技术再结合北斗卫星导航系统中的短报文功能和北斗系统的定位功能，进而发展到手机用户端，短报文功能可直接利用卫星系统进行定位。在新发明的电子设备（如手机、车载导航等）上安装北斗系统，使北斗系统可以和CPS兼容，实现移动手机、车载导航等也可以运用北斗系统进行精确导航。北斗系统与互联网5G信息技术的融合将会为用户提供更加丰富的信息化服务和更加精确的定位服务。

(2)交通运输。随着我国经济持续快速增长和国民生活质量的提高，卫星导航系统在交通运输业中蓬勃发展；随着北斗定位技术的快速发展，现在越来越多的车辆管理机构、公司等都已经将导航技术应用在车辆上，结合后台系统中的地图，对车辆进行跟踪和监督，极大地提高了车辆的管理效率。导航技术的研究开发，将会让更多的车辆实现无人驾驶；在物流运输方面，也可让无人送货到家方式得以普及。我们可以大胆想象，先进的北斗导航系统搭载在每一辆车上，昼夜车水马龙依旧可以有条不紊地工作。开发新的用户端应用，做到可以监测车辆行驶状态，驾驶员和乘客的亲人或者紧急联系人能够及时收到乘客的乘车信息，其中包括上车时间、上车地点、车牌号、车辆负责人信息、下车时间、下车地点等，可有效保障乘客的人身安全。采用高精度的定位等技术，可以做到无人驾驶、高效率的监管车辆行驶状态，为我国交通运输行业提供更多的便利，所以北斗系统今后在交通运输业的应用会越来越广泛。

(3)测绘技术的应用。地理测绘工作是国家地理信息建设的重点工作。借助北斗系统的特点和优势，我国地理测绘工作可结合北斗系统产生多角度的综合应用，实现我国地理测绘工作的升级和创新。北斗系统具有更广的覆盖范围、更高的精度、独有的卫星导航通信功能及更安全可靠的系统性能：无人机测量是地理测绘中很重要的测绘工程，新发明的无人机上可借助北斗系统的优点（如让更加精准的参考点和参考体系安装在无人机中），从而测量出更加精确的数据。随着北斗系统应用越来越广泛，北斗系统的优势可以在测绘技术的内业学习软件中加以利用。用更加先进的技术应用到测量仪器中，当前的测量工作以人工测量方式为主，北斗系统具有自主完成测量的发展前景，不会因气候环境等各种自然因素的变化而受到影响。因此，借助北斗系统，我国测绘领域的技术发展势必会取得进一步的突破。

(4)青少年北斗系统的科普课件开发。对北斗系统开展积极的科普和宣传工作，将会丰富青少年对北斗系统的认识。研发针对北斗系统的多媒体科普宣传课件、视频以及组织开展公共课活动，可为北斗系统的科普宣传工作开展提供新途径，让大众从GPS卫星导航定位系统占领全球大部分用户端的思想中转变，认识到北斗系统同样是非常强大应用系统。北斗系统科普课件的开发将会提供一个专业的系统科普平台，助力传播更多关于北斗系统的科学知识。

(5)国防和应急救援。北斗系统将会对维护国家安全起重大作用，其可以服务于更为高效的作战指挥，并且有助于创造更先进的技术（如反卫星武器）对北斗系统进行保护，依靠精准的导航系统和精确定位技术还可以开发更多的军事武器，维护国家安全。运用精确定位技术，还可以及时反映、上报和共享受灾情况，卫星地面段可以及时开展指挥和调度，实现应急通信，可显著提高救灾减灾的决策部署能力及应急反应能力。

(6)促进国际交流。当前，我国已经攻克了重重困难，成功打破了国际上的技术垄断，北斗系统已经布满全球，不少国家已正式启用北斗系统，以后越来越多的国家也会积极参与关于北斗系统的学习交流中。随着北斗导航技术不断进步，今后将会让越来越多的国家受益。