中國北斗衛星導航系統的建設歷程

王晶金 李成智

中國北斗衛星導航系統（簡稱“北斗系統”）是中國自主建設、獨立運行的工程技術項目的一面旗幟，在重大專項創新上具有典型性和獨特性，是新中國成立70年來重大科技與工程成就之一。

1994年，中國開始研制發展獨立自主的衛星導航系統，至2000年底，北斗衛星導航試驗系統（即北斗一號）建成，采用有源定位體制服務中國。至此，中國成為繼美、俄之后，第三個擁有衛星導航系統的國家。2012年，第二代北斗衛星導航系統（即北斗二號）建成，面向亞太地區提供無源定位服務。2020年6月23日，北斗全球衛星導航系統（即北斗三號）最后一顆組網衛星發射成功。

北斗系統的雛形——燈塔一號

北斗系統并不是中國最早開展的衛星導航項目。其實在北斗一號之前，就進行了衛星導航系統的探索工作。1965年1月8日，錢學森向國防科委提交《研制衛星打算》的報告，建議研制導航衛星。從時間上看，中國研制導航衛星構思出現得很早，不比美國全球定位系統（global positioning system， GPS）晚太多。

1965年正值中國正大力發展導彈潛艇，而潛艇需要導航與定位。于是，錢學森建議研制發射用于潛艇導航的導航衛星，并將其作為第二優先發展的衛星。1967年下半年，海軍司令部向空間技術研究院籌備處建議研制中國衛星導航系統。次年7月，海軍正式呈報中央軍委《關于研制和建設對潛艇指揮通信、導航系統事》，提出了對衛星通信和導航系統的使用要求。

1969年3月13日，國防科委確定導航衛星工程代號為“691工程”，即1969年的第一號任務。1970年11月，錢學森在衛星方案論證會上建議將導航衛星正式命名為燈塔一號。1972年，燈塔一號正式開始設計。1973年，燈塔一號導航衛星列入國家計劃。到了1977年，燈塔一號設計、各項試驗工作陸續完成，達到可總裝生產的程度。但在1980年12月31日，研制任務撤銷。究其原因有三：第一，國家財政困難，1980年代初國民經濟調整，大量國防項目下馬，燈塔一號是其中一項。第二，衛星導航技術不夠先進，導航精度低于美國子午儀衛星導航系統（Transit navigation satellite system）。美國解密了子午儀，并向民用市場開放，中國海軍購買了子午儀接收機。第三，運載火箭的協調工作出現問題，當時自行研制的火箭難以達到導航衛星的入軌精度要求。

北斗系統戰略規劃的調整

1980年代，中國航天界和有關科學家再次提出要研制中國的衛星導航系統。關鍵問題集中在研究怎樣的衛星系統。美國GPS系統和俄羅斯格洛納斯（global navigation satellite system， GLONASS）系統十分復雜，耗資巨大，以中國當時的經濟狀況，無法承擔如此龐大的科研經費。

北斗一號

陳芳允等人獨立提出了雙星導航設想：主要分系統是兩顆位于靜止軌道的導航衛星，軌道間隔為60o。這個設想充分考慮了中國當時的經濟狀況，導航計算量大大降低，而且兩顆衛星的覆蓋范圍夠廣，可完全覆蓋中國領土及近海，系統建設成本較低，維護費用不高。當時，國外也有多人研究單星、雙星、三星等區域導航定位方案。[1]

1989年9月25日在北京，總參測繪局的首次“雙星快速定位通信系統”功能演示成功。雙星定位試驗系統由此在1993年被列入國家“九五”計劃。然而，列入計劃并不代表正式立項。1994—1995年，總參測繪局四處奔走，為立項而努力。計劃上報后，國務院考慮到經費難以保證，建議還是先進行預研。其實，總參測繪局早在1986年批準雙星定位系統時就著手預研，[2]至1995年已進行了近10年，重復預研實無必要。經協調，最終決定將另外兩個衛星計劃的備份星指標分給衛星導航試驗系統使用。這樣，雙星定位試驗系統立項不再需要單獨劃撥資金，于1994年得以正式立項。這就是北斗衛星導航試驗系統計劃的由來。中國衛星導航系統取名北斗（Compass），意指北極星。

頭二顆北斗一號衛星運行在經度相距60°的地球靜止軌道上，它們組成了世界上首個有源衛星導航定位系統。有源方式又稱主動式，即用戶進行導航定位時要主動向衛星發送信號。北斗一號衛星有效載荷由天線分系統和轉發器分系統組成。天線分系統完成以下四項任務：發射用戶鏈路S波段下行和接收L波段上行定位及移動通信信號；發射和接收衛星定位主站鏈路C波段信號；發射和接收C波段通信信號；發射C波段衛星遙測信號（衛星定點后）。轉發器分系統是核心有效載荷，包括定位轉發器和通信轉發器。

北斗一號使得中國沖出無自主導航系統的困境。它是一個成功、實用、投資很少的初級起步系統，雖然建設之初是為軍事應用服務的，但自2003年起，正式對民用領域開放。北斗一號已在中國國防建設和經濟社會發展中發揮了積極作用，廣泛應用于工業、農業、林業、漁業、交通和經濟等領域。[3]在2008年四川省汶川抗震救災中，它成為抗震救災和指揮保障的重要手段。

北斗二號

相較于GPS等系統，北斗一號的優勢在于投入小、設備簡單，能連續定位，能對用戶集中指揮、控制和管理，系統的定位精度提高了，具備通信、用戶識別、區域廣播等功能。然而作為試驗演示系統，北斗一號在導航定位功能方面存在許多不足：定位精度低且不能實現三維定位；安裝的有效載荷采用有源定位模式，需要地面用戶發送上行信號才能實現衛星對其的定位（這屬于定位信號的“透明轉發”，在技術上更接近通信衛星技術）。[4]此外，北斗一號衛星上的某些核心載荷從國外進口，不僅受限制，而且極不利于導航定位自主性。導航授時系統是導航衛星最為核心的組成部分，當時北斗一號衛星上還未能裝上中國自行研制的星載銣原子鐘。

對標美國GPS系統，北斗一號也有一些弱項。例如，用戶設備體積功耗大導致隱蔽性差；可容納用戶數量有限，推廣受限；定位時間長，實時性差，無法應用到高速飛行器；衛星信號不能覆蓋全球；過多依賴中心控制站，生存能力不強；定位精度受限。這些問題是由該系統的規模、衛星技術水平等方面因素導致的，僅靠多發幾顆衛星是解決不了的。此外，中國GPS用戶爆炸式增長的境況，使得北斗一號面臨更嚴峻的局面，如終端接收機價格高，接收機體積大、功耗高，使用不便等；用戶入網手續繁雜，令人望而卻步。這些不足以及國內軍民應用領域對衛星導航的巨大需求成為促使北斗二號上馬的主要因素。

2004年8月30日，北斗二號正式批準立項，其論證工作始于1997年。其間，科索沃戰爭爆發，中國大使館被炸。在此背景下，技術創新的重要性凸顯，中國開始著手中長期科技發展規劃，并開展一些重大科技專項論證。隨著國家經濟能力提升與科技投入加大，航天科技愈發顯示出強大的帶動和引導效應。其中，衛星導航系統顯示出巨大的軍事意義和經濟價值，經濟安全、國家安全、軍事等方面則均迫切需要自主導航定位系統，這些促使中國政府出臺并不斷強化衛星導航發展與應用新政策。然而令人困惑的是，2006年10月之前的官方報道和文獻中均沒有明確表述，北斗二號是全球性的還是區域性的，是單純民用、軍用抑或軍民兩用。

2006年10月，中國政府發布第二版航天白皮書——《2006年中國的航天》，就未來導航衛星的發展提出：“完善‘北斗導航試驗衛星系統，啟動并實施‘北斗衛星導航系統計劃。發展衛星導航、定位與授時的自主應用技術和產品，建立規范的、與衛星導航定位相關的位置服務支撐系統、大眾化應用系列終端，擴展應用領域和市場?！边@是官方正式宣布建設北斗二號。

影響北斗二號定位的一個關鍵因素是中歐合作的伽利略導航系統，該合作計劃被稱為迄今為止“中歐最大的科技合作項目”，其政治意義遠大于科技意義，中國政府不能不考慮兩個導航計劃的關系問題。

當時，有一些學者推測，中國即將立項的自主的北斗衛星導航系統是一個擴展的區域系統，主要服務于軍事用戶；而伽利略系統將作為中國民用用戶全面開放使用的平臺。[5]這種推測在邏輯上說得通。先看用途定位，GPS已被美國軍方成功運用于精確制導武器，國內專家在文章中曾對中國軍方異常重視中國自主的衛星導航定位系統的發展有相關暗示或建議。再看管理機構，北斗二號建設由軍方領導下的原總裝備部負責，2005年組建的中國衛星導航系統管理辦公室也隸屬于軍方。

《2006年中國的航天》白皮書發布幾年后，陸續有文獻印證北斗二號是區域系統這一判斷。2008年有文指出，第二代北斗衛星導航系統雖然仍為區域衛星導航系統，但服務區域比北斗衛星導航試驗系統擴大了很多，具有連續實時三維定位測速能力。[6] 2008年2月，中國國家遙感中心副主任景貴飛在德國慕尼黑召開的衛星導航峰會上答記者問時表示，國家是否批準資金用于全球衛星導航系統建設還未確定，但現階段系統建設的資金有保障的。這意味著，到2008年，全球衛星導航系統建設尚未得到政府批準，2004年批準建設的是擴大的區域導航系統。通過對“中國知網”檢索發現，2006年底以前，沒有一篇文章談及 “三步走”戰略及北斗二號是全球系統。直到2011年，第三版中國航天白皮書——《2011年中國的航天》終于明確北斗二號的性質：自2006年以來，“全面實施‘北斗衛星導航區域系統建設?！盵7]

通過分析發現，北斗二號的決策受當時國內外諸多因素的影響，如GPS在軍事與民用領域的大規模應用，中國日益強調高技術發展與產業化以及重視軍事與經濟的自主性等。中國投入了大量資金到伽利略計劃，衛星導航則完全可以依靠北斗一號、GPS和伽利略系統，因此，北斗二號當時的目標定位就是建設一個擴展的區域系統，且以服務于軍事為主。況且，北斗二號這個區域性、能夠覆蓋亞太地區的自主衛星導航定位系統足夠滿足中國長期奉行的防御性國防戰略需求。

既然已同時擁有北斗二號和伽利略一軍一民兩個導航系統，為什么中國政府在2009年底又決定立項建設北斗全球衛星導航系統呢？

促成立項最為直接的原因是中歐伽利略合作項目發生了重大變故，出現多種問題，中國被排除在伽利略計劃的管理機構之外，成為可有可無的小角色。[8]在中歐政治、經濟關系緊張的局面下，中國政府開始重新思考北斗二號的定位。圍繞技術上能否實現全球導航，2006—2009年間，北斗二號進行了不間斷的立項論證工作，保證了自主的北斗全球衛星導航系統計劃得以推行。2009年11月，國務院常務會議通過《中國第二代衛星導航系統重大專項實施方案》，正式批準建設自主性北斗全球衛星導航系統，最終確定其發展目標。

自2010年開始，北斗系統“三步走”發展戰略的說法迅速出現在各類媒體上?！叭阶摺卑l展戰略究竟是何時以及怎樣形成的？

“三步走”發展戰略經歷15年的論證、部署、使用、擴展，并充分考慮了國內外各種因素。第一步即北斗一號，批準于1994年，2000年底建成；第二步即北斗二號，批準于2004年，2012年建成；第三步即北斗三號，批準于2009年，2020年正式建成開通。2009年底，中國第二代衛星導航系統專項管理辦公室發布《北斗系統發展計劃》，首次明確闡述中國北斗系統的“三步走”發展戰略。

通過回顧立項過程，可以看出，北斗系統“三步走”發展戰略是回溯性的，并非一步到位制定實施，而是根據國際國內政治、經濟環境的發展變化，軍民對衛星導航不斷增長的需要，中歐關系的演變、自主技術能力的提高等多種復雜因素逐漸完善而成的。不同于中國載人航天工程完全獨立進行，從一開始就制定了“三步走”戰略，中國導航衛星系統涉及的因素更多，如政治、經濟、社會、科技等方面，還有國際合作以及國際關系，其“三步走”戰略漸進形成，每一步的發展計劃都是在綜合考慮上一步各種影響因素后出臺的。尤其第三步，是在中歐伽利略合作陷入僵局的情況下，歷經艱難做出的重要決策。

北斗系統建設過程概況

“三步走”戰略形成后，北斗系統各階段系統名稱得以統一：第一步北斗一號，采用第一代北斗一號衛星；第二步北斗二號，采用第二代北斗二號衛星；第三步北斗三號，混合使用北斗二號衛星和北斗三號衛星。

在北斗二號衛星的研制過程中，通過聯合集智攻關，先后攻克了高增益微波控制、精密頻率控制、空間環境適應性試驗及測試方法等關鍵技術，實現了理論突破，完成了產品工程化、小型化研制，達到宇航產品的任務要求，打破國外壟斷，部分技術達到國內領先、國際先進水平。截至2012年12月25日，共計發射了16顆北斗二號衛星，包括地球靜止軌道衛星6顆、中地球軌道衛星5顆、傾斜地球同步軌道衛星5顆。值得一提的是，第12、13顆北斗二號和第14、15顆北斗二號由長征三號乙運載火箭實現了雙星發射。先期發射的10顆北斗二號衛星已于2011年12月27日試運行。至此，北斗二號正式完成星座部署，此后，又陸續發射了多顆替補星。

與北斗二號衛星具有過渡性質不同，北斗三號衛星近乎重新研制，導航定位等功能進一步增強，核心部件產品進行重大改進或重新設計，不僅全部使用自主研制的有效載荷，而且許多關鍵部件得到更新換代，如原子鐘采用第三代銣鐘和第一代氫鐘。北斗三號的服務區域擴展至全球，同時突破下行導航信號升級與改造等關鍵技術，不僅實現了與北斗二號下行導航信號的平穩過渡，而且增加了新的導航信號。中國空間技術研究院北斗三號研制團隊攻克星座星間鏈路技術，實現了衛星與衛星、衛星與地面站的鏈路互通，解決了不能全球建站進行衛星境外監測的難題；率先提出了國際上首個高中軌道星間鏈路混合型新體制，形成了具有自主知識產權的星間鏈路網絡協議，自主定軌、時間同步等系統方案，填補了國內空白，形成一大特色。北斗三號衛星的設計壽命是12年，達到國際先進水平，滿足可靠性、連續性的要求。

北斗三號堅持國產化與自主可控的原則，核心產品100%國產化，從關鍵元器件和部件產品兩方面重點開展國產化攻關，加強試驗和使用驗證，從根本上解決制約工程建設的瓶頸問題。此外，整個系統取得不少重大技術創新或改進，突破了新型導航信號生成、衛星自主健康管理、全桁架式衛星平臺、導航衛星高精度光壓建模、導航星座健康評估及預測等關鍵技術，實現了導航星座高效管理和導航能力的提升和跨越。按照國際標準，它也具備全球搜救、全球位置報告和星基增強等拓展服務。

在5顆北斗三號試驗衛星完成測試與試驗任務后，衛星的技術狀態基本固化，正式組網發射工作隨即開始。隨著北斗三號組網衛星全部發射成功，北斗系統“三步走”發展戰略于2020年圓滿完成。

創新點與啟示

北斗系統建設的過程中，共計突破160余項關鍵技術，主要有全新導航衛星星座、新型信號體制、創新星間鏈路設計、全新原子鐘、全新中軌道（medium earth orbit，MEO）地球衛星桁架式平臺、“中國速度”批量化生產、關鍵器件100%國產化、服務能力超越GPS、壽命達到12年的先進水平等。

系統梳理北斗系統的發展戰略與建設過程，不僅可得出衛星導航系統建設的寶貴經驗，為其他自主高技術研發體系的完善提供一些有益的思路，還有助于公眾加深對中國全球導航衛星系統整體面貌和發展史的認識，以及了解中國大型科技計劃的決策規律。

北斗系統經歷了漫長的“三步走”階段，不僅有艱難險阻，更有開拓創新。北斗系統在工程領域創新點總結有六點：第一，發揮新型舉國體制優勢；第二，多方協同攻關，戰略科學家倡導立項，用戶推動立項運行，多機構廣泛參與研制；第三，漸進決策，政府在積極推進國際合作的同時，尋求獨立自主，并最終以“重大科技專項”予以大力支持；第四，工程最優為首，以達到工程目標為著眼點，實現獨特的工程創新；第五，吸收國際經驗，強調中國特色，采取邊建、邊用、邊改、邊提高的策略；第六，在工程集成創新的同時，強調通過“三步走”發展戰略逐步達到技術、產品創新與自主可控的工程目標。

通過回顧北斗系統整個發展過程，從中可以獲得若干啟示。第一，新型舉國體制有利于集中力量辦大事，發揮市場機制，圍繞國家需求在戰略科技領域實施國家科技重大專項。第二，組織實施國家科技重大專項，通過資源集成，突破核心技術，實現重大工程。第三，采用產業化并行，收效顯著。第四，建立航天工程特色的決策與組織管理模式，企業為創新主體，產學研合作，戰略科學家引領，行政官員、科學家、產業界三權合理分配。五，倡導預研在先、自主研發、獨立創新，注重中國特色和中國國情，重點突破。

北斗系統是中國著眼于國家安全和經濟社會發展需要，自主建設運行的全球衛星導航系統，是為全球用戶提供全天候、全天時、高精度的定位、導航和授時服務的國家重要時空基礎設施。秉承“中國的北斗、世界的北斗、一流的北斗”發展理念，它為服務全球、造福人類方面都做出了重大貢獻，產生了顯著的經濟效益和社會效益，深刻改變了人們的生產生活方式。

[1]戴宏發. 北斗導航系統的發展與應用芻議. 科技信息， 2010（19）： 54-56.

[2]馬京生. 陳芳允. 貴陽： 貴州人民出版社， 2005： 533.

[3]張孟陽. 北斗導航系統應用發展綜述. 北京： 2009中國衛星通信廣播電視應用國際研討暨展覽會第八屆國際研討會，2009.

[4]王同心. 北斗導航衛星有效載荷研制創新之路. 國防科技工業，2012（11）： 43-44.

[5]Marks P. Chinas satellite navigation plans threaten Galileo[DB/ OL]. （2006-11-18） [2023-10-08]. http：//www.newscientist.com/ article/dn10472-chinas-satellite-navigation-plans-threaten-galileo. html.

[6]中國衛星導航定位應用管理中心. 第二代北斗衛星導航系統簡介及應用展望. 衛星與網絡， 2008（11）： 64.

[7]國家航天局. 《2011年中國的航天》[DB/OL]. （2011-12-29）[2023-10-08]. http：//www.cnsa.gov.cn/n6758823/n6758839/ c6796175/content.html.

[8]Dinerman T. Galileo gets a Chinese overlay[EB/OL]. http：//www. thespacereview.com/article/668/1.

關鍵詞：北斗系統 工程創新 航天史 ■