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中国北斗全球梦圆 ——写在北斗三号全球卫星导航系统全面建成之际

光明日报  |  2020年08月03日
2020年7月31日,北斗三号全球卫星导航系统建成暨开通仪式在人民大会堂隆重举行。中国向全世界郑重宣告,中国自主建设、独立运行的全球卫星导航系统已全面建成,中国北斗自信开启了高质量服务全球、造福人类的崭新篇章。

      2020年7月31日,北斗三号全球卫星导航系统建成暨开通仪式在人民大会堂隆重举行。中国向全世界郑重宣告,中国自主建设、独立运行的全球卫星导航系统已全面建成,中国北斗自信开启了高质量服务全球、造福人类的崭新篇章。

  回望来路,这份沉甸甸的“成绩单”来之不易。从北斗一号工程立项开始,二十六载风雨兼程,为了实现共同的梦想,几代北斗人接续奋斗、数十万建设者聚力托举,在强国复兴的伟大征程中,一次又一次刷新“中国速度”、展现“中国精度”、彰显“中国气度”,创造出无愧于党、无愧于人民、无愧于时代的辉煌业绩。


  万众一心彰显制度优势

  2000年,北斗一号构建起兼具定位授时和短报文通信服务的双星定位系统,使我国成为继美国、俄罗斯之后世界上第三个具有卫星导航系统的国家。

  2017年11月,北斗三号系统首组双星发射;2020年6月,北斗全球组网成功,仅仅不到3年时间便完成星座部署。这次,中国不仅兑现了承诺,还比原定计划提前了半年。面对鲜花和掌声,北斗人知道,成功来之不易。

  北斗系统是党中央亲自决策实施的国家重大科技工程,是我国迄今为止规模最大、覆盖范围最广、服务性能最高、与百姓生活关联最紧密的巨型复杂航天系统。

  “北斗是党和国家调动千军万马干出来的,是工程全线几十万人团结一心拼出来的,是广大人民群众坚定支持共同托举起来的。”谈及北斗圆梦全球,工程总设计师杨长风感慨万千。

  在党中央的坚强领导下,在建设航天强国伟大事业的感召下,天南海北的建设者们怀揣激情和梦想汇聚到北斗研制建设一线。他们苦干惊天动地事、甘做隐姓埋名人,不分前方后方、不分国企民企、不分台前幕后,共同谱写了重大航天工程“举国上下一盘棋、千军万马大会战”的火热篇章。

  据统计,工程启动以来,在全国范围内先后调集了400多家单位、30余万名科技人员参与研制建设。陈芳允、孙家栋两位“两弹一星”元勋和几十名两院院士领衔出征。

  国内卫星导航与位置服务领域企事业单位数量在14000家左右,从业人员数量超过50万,形成珠三角、京津冀、长三角、鄂豫湘、川陕渝五大产业区。

  在这项大国重器横空出世的背后,还有无数普通人在幕后辛勤付出。每逢重要节点,数以万计的公安干警、警卫人员和通信、电力、气象、交通、医疗等行业员工坚守各自岗位,共同筑起坚固的安全保障;成千上万科研人员的家人,默默扛起照顾家庭的重担,为他们撑起坚强后盾;还有数以亿计的人民群众用各种形式为北斗呐喊助威、点赞加油。

  北斗系统由卫星、火箭、发射场、测控、运控、星间链路、应用验证等七大系统组成,是跨部门、跨学科、跨行业、跨地域的复杂系统工程。“将钱学森总体设计部思想贯穿研制建设全过程,建立起科学完善的组织管理体系,这是北斗取得成功的重要经验。”中国卫星导航系统管理办公室主任冉承其说。

  “我们常说,北斗是‘五千万’工程,调动了千军万马,经历了千难万险,付出了千辛万苦,要走进千家万户,将造福千秋万代。”工程总设计师杨长风说。

  建设全球系统与区域系统相比,不是简单的规模“扩容”、而是全面的整体“升级”,对工程全线尤其是卫星系统带来空前挑战。事前据专家论证测算,以当时的研制能力,如果仍由一家单位抓总研制,即便“5+2”“白+黑”地连轴转,也很难在2020年底前完成30颗卫星的研制生产,更别提全部发射入轨、完成星座组网。

  为如期“交卷”,工程全线大力整合各方力量,通过强化产品多家布局,特别是采取卫星“双总体”,让两个卫星总体单位分别组织队伍、同步抓总研制,极大调动了各方资源力量,极大促进了优势互补、协同共进,极大加速了关键核心技术突破,推动形成良性互利的发展局面,为确保北斗三号全球系统快速高效组网发挥了重要作用。

  2017年11月到2020年6月,31个月时间,我国成功发射30颗北斗三号组网星和2颗北斗二号备份星,成功率100%,以超过月均1颗星的速度,创造世界卫星导航系统组网发射新纪录。

  上下齐心,其利断金。正如钱学森所言,“没有党的领导,没有全国人民的大力支持和广大科技人员的协同攻关,这样的事情谁能办到?一切归于党,归于集体。”


  追求卓越闯出特色之路

  上世纪90年代初,国际局势复杂多变,让人们愈发强烈地意识到,拥有自己的卫星导航系统已经成为一个世界大国的重要标志、成为大国竞争的科技制高点。在北斗系统研制建设过程中,工程全线始终坚持从现实国情出发,遵循“自主、开放、兼容、渐进”原则,克服种种困难,探索出一条从无到有、从有到优、从有源到无源、从区域到全球的中国特色发展道路,凭着追求卓越的精神实现了“弯道超车”。

  而我国起步晚、底子薄,明智地选择分步走,先解决有无、满足急需,切实做到“把每个铜板都用在刀刃上”。1983年,“两弹一星”元勋、“863计划”倡导者之一陈芳允院士,创造性地提出“双星定位”构想。这一方案,能以最小星座、最少投入、最短周期实现“从无到有”。

  后来,“两弹一星”元勋、北斗系统首任工程总设计师孙家栋院士,进一步组织研究提出“三步走”发展战略,决定先建试验系统、然后再建区域系统,最后建成全球系统。

  行稳致远、进而有为。北斗系统建设坚持“一张蓝图绘到底”,一步一个脚印地向前迈进。2000年建成北斗一号试验系统,使我国成为世界第三个拥有自主卫星导航系统的国家。2012年建成北斗二号区域系统,为亚太地区提供服务。2020年建设北斗三号全球系统,实现了中国人孜孜以求的“全球梦”。

  接过历史接力棒的新时代北斗建设者,已经定下了新的奋斗目标:计划2035年左右,建成以北斗系统为基础,更加泛在、更加融合、更加智能的国家综合定位导航授时体系。

  北斗二号系统充分继承北斗一号用地球静止轨道卫星实现区域导航定位覆盖的成功经验,在国际上首创以地球静止轨道和倾斜地球同步轨道卫星为骨干,兼有中圆轨道卫星的混合星座。北斗系统高级顾问、原工程副总设计师李祖洪说,对于区域卫星导航系统而言,这种“混搭”组合可以用最少卫星数量实现最好覆盖效果,已获得国际认可。

  北斗三号系统将“混合星座构型”发扬光大,建成拥有24颗中圆轨道卫星、3颗地球静止轨道卫星、3颗倾斜地球同步轨道卫星组成的全球系统,为建设全球卫星导航系统提供了全新范式。

  与其他卫星导航系统相比,北斗系统确有自己的“独门绝技”:除提供全球定位导航授时服务外,还能进行短报文通信,开创了通信导航一体化的独特服务模式,是名副其实的“多面手”。

  如今,北斗三号全球系统一如既往走“跨界发展”之路,成为国际上第一个将多功能融为一体的全球卫星导航系统。这种多功能集成化设计,有利于取得差异化的竞争优势。北斗三号全球系统在全面兼容北斗二号系统短报文通信服务的基础上,区域短报文发送能力从120汉字提高到1000汉字,支持用户数量从50万提高到1200万,而且能实现40汉字的全球短报文通信。


  濒临绝境倒逼自主创新

  关键核心技术是花钱买不来的,即使买来了也是不可靠的,引进仿制的路子也走不远,只有坚定不移走自主创新之路,才能把命运牢牢掌握在自己手中。

  面对缺乏频率资源、没有自己的原子钟和芯片、区域布站条件下实现全球服务等看似难以逾越的“娄山关”“腊子口”,北斗人凭借滚石上山的毅力和勇气,北斗走出了一条自主创新、追求卓越的发展道路。

  众所周知,空间频率资源是“不可再生”的战略资源,没有合法可用的频率,卫星就如同没有土地使用许可的高楼大厦,缺少立身之基。

  北斗起步之时,国际上优质频率资源已经所剩无几,经过艰苦谈判,终于推动国际电联从航空导航频段中,辟出小段资源作为卫星导航合法使用频段。国际电联规定,各国均可平等申请新资源使用权,但必须在7年有效期内发射导航卫星,并成功接收传回信号,逾期则自动失效。

  为保住2007年4月17日这一最后“窗口”,工程上下进行全系统总动员和大会战,抢在2月底完成卫星研制。然而临射前,卫星上的应答机突现异常。为确保万无一失,工程试验队果断将已矗立塔架的星箭组合体拆开,取出卫星应答机,72小时不眠不休,成功排除故障。

  4月14日4时11分,这颗肩负重要使命的卫星发射成功;17日20时许,北京终于清晰地接收到来自这颗卫星的信号。这一刻,距离频率失效后限已不到4个小时。中国北斗在最后时刻“压哨破门”,拿到了进军全球卫星导航系统俱乐部的“入场券”。

  星载原子钟是导航卫星的“心脏”,是卫星导航领域“皇冠上的明珠”,其性能对系统定位和授时精度具有决定性作用。

  建设之初,国内星载原子钟技术比较薄弱。当时,全世界只有少数国家有能力研制高性能星载原子钟,进口存在诸多困难和不确定性。

  不能等,不能靠,就自己干。为尽早“让中国的北斗用上最好的钟”,工程总体下定决心集中全力打攻坚战,组织相关科研单位和企业,成立三支研发队伍同步进行攻坚。不到两年时间,三支队伍全都取得成功,自主研发出达到国际先进水平的原子钟。

  很快北斗卫星上便批量搭载全国产化星载原子钟,并实现“双钟”相互备份,卫星可靠性和在轨寿命大幅提升。

  缺少“中国芯”,一直是困扰我国高科技领域的一块“心病”。对于北斗系统工程建设和应用来说,拥有国产芯片,对于确保安全性、稳定性、可靠性至关重要。

  搞北斗三号全球系统,全面国产化是头等大事。通过深入动员,工程上下形成宁可国产化产品“指标低点,价格高点,也要大胆使用”的坚定共识;工程总体研究制定行动规划,将自主可控要求落实到关键技术攻关、产品研发、竞争采购等各环节;建立由专项管理办公室牵头,多部门参加的自主可控协调小组,通过重点行业、区域应用示范工程,大力推广使用自主芯片、模块、软件产品,通过边建边用、反复迭代,有效提高产品质量水平。

  功夫不负有心人。国产北斗芯片工艺由0.35微米提升到28纳米,已在物联网和消费电子领域广泛应用。支持北斗三号新信号的22纳米工艺射频基带一体化导航定位芯片,体积更小、功耗更低、精度更高,已具备批量生产能力。

  截至2019年底,国产导航型芯片出货量已超1亿片,北斗导航型芯片、模块高精度板卡和天线已输出到120余个国家和地区。

  按照传统全球卫星导航系统的建设和运行模式,需要在全球范围内建立众多地面站。为解决北斗系统国内建站实现全球运行和服务的难题,北斗系统首创Ka频段星间链路,创造性地提出高效解决方案。

  为解决境外卫星的数据传输通道问题,工程专门组织研究团队攻克了星间链路关键技术,采取星间、星地测量和传输功能一体化设计,成功实现卫星与卫星、卫星与地面站的联络互通。

  通过星间链路,所有在轨北斗卫星连成一张大网,实现北斗“兄弟”们手拉手、心相通,相互间可以“通话”、测距,能自动“保持队形”,这不仅减小地面站规模、减轻地面管理维护压力,而且还使卫星定位精度大幅提高。凭借这一“绝活”,工程实现了仅依靠国内布站情况下对全球星座的运行控制,以及全球服务能力与世界一流系统的比肩。


  独特贡献惠及世界人民

  卫星导航系统是重要的空间基础设施,是事关国计民生的大国重器,对促进经济社会发展、改善人民生产生活具有重要作用。发展到今天,北斗系统已应用到各行各业,走进千家万户,如同水和电一样,成为人民日常生活中不可缺少的必需品,无处不在、触手可及。

  实践一再证明,中国始终是全球发展的贡献者。建设北斗系统中国完全依靠自己的力量,建成之后却主动向全世界开放,这充分体现了中国政府推动构建人类命运共同体的鲜明立场,践行了中国发展全球卫星导航系统“服务全球、造福人类”的根本宗旨。随着北斗三号全球卫星导航系统正式开通服务,属于北斗的“全球时代”已经到来。从国内到国外,从区域到全球,北斗服务将为更多国家和人民所共享,这张国家名片的知名度影响力也将不断增强,北斗对人类的贡献终将被全世界所理解认同。

  卫星导航系统与民众生活联系紧密。北斗系统工程立项之初便确立“边建边用、以用促建”的原则,确保“天上好用、地上用好”。

  近年来,北斗系统已全面服务交通运输、公共安全、救灾减灾、农林牧渔、城市治理等各行各业,已经融入电力、金融、通信等国家核心基础设施,综合效益正在不断显现,中国北斗与百姓的幸福生活息息相关、紧密相连。

  交通运输是北斗应用的主战场之一。截至2019年12月,国内超过650万辆运营车辆、4万辆邮政和快递车辆,36个中心城市约8万辆公交车、3200余座内河导航设施、2900余座海上导航设施已用北斗,建成全球最大营运车辆动态监管系统,正向铁路运输、内河航运、远洋航海、航空运输及交通基础设施建设管理纵深推进,提升我国综合交通管理效率和运输安全水平。近年来中国道路运输重特大事故发生率和死亡率均下降约50%。

  目前,我国已构建起集芯片、板卡、终端和运营服务为一体的完整北斗产业链,在国家关键行业和重点领域标配化使用,在大众消费领域规模化应用。近10年来,我国卫星导航产业产值年均增长约20%,2020年将有望超过4000亿元。

  中国的北斗、世界的北斗、一流的北斗。北斗始终以开放合作的理念审视和拥抱世界,用发展让世界相信“中国愿同各国共享北斗系统建设发展成果,共促全球卫星导航事业蓬勃发展。”

  近年来,中国政府致力于推动卫星导航领域国际合作,步履坚定、成果斐然。

  双边合作走深走实。中俄卫星导航政府间合作协定正式生效,为中俄互建监测站等合作提供组织与法律保障,北斗和格洛纳斯系统实现信号兼容;中美实现北斗和GPS系统信号兼容与互操作;中欧深化开展频率协调。持续推动多系统兼容共用,让全球用户更好地享用多系统带来的好处。

  多边合作成果显著。在联合国全球卫星导航系统委员会(ICG)等多边平台上积极发声,并成功举办两届ICG大会。成功举办中阿北斗合作论坛、中国—中亚北斗合作论坛,拓展与“一带一路”国家和国际组织的合作平台,持续扩大北斗“朋友圈”。

  北斗应用落地海外。国产北斗基础产品已出口120余个国家和地区,基于北斗的土地确权、精准农业、数字施工、智慧港口等,已在东盟、南亚、东欧、西亚、非洲等得到成功应用。2018年在突尼斯建成首个海外北斗/GNSS中心。

  国际标准快速推进。北斗成为国际海事组织认可的全球无线电导航系统;北斗全球信号标准已完成国际民航组织绝大部分指标验证,北斗星基增强系统相关标准工作全面启动;支持北斗全球信号的国际移动通信标准已通过评审、即将发布;首个北斗船载接收设备检测国际标准已经国际电工委员会批准向全球发布,正在推动北斗新信号标准升级。

  北斗作为国家重大空间基础设施,提供的是公共服务产品,就如同电、无线网络一样,必须通过终端服务来实现价值。因此,“融合发展、万物互联”一直是北斗应用推广的基本方针。

  目前,北斗正在加速进入新基建,与新一代通信、区块链、物联网、人工智能等新技术深度融合,精细农业、精准物流、自动驾驶、智能交通等由卫星导航技术催生的新模式、新业态、新经济不断涌现。通过万物互联,“北斗+”让生活更便利、更精彩。

  据统计,2020年第一季度,在中国入网的智能手机,已经有70%以上提供北斗服务。共享单车配装北斗终端实现精细管理,牧民坐在家里就能通过北斗项圈放牧牛羊,支持北斗系统的手表、手环、学生卡,更加方便和保护人们日常生活。

  在新冠肺炎疫情阻击战中,北斗的贡献有目共睹。北京、湖北的北斗植保无人机被广泛用于区域内消毒防疫,一架无人机单次喷洒面积可覆盖5000平方米,并且能深入防疫车无法抵达的死角。在全国各地,数十万台北斗终端进入物流行业,通过北斗精准定位,位置信息一目了然,一些物流企业还通过机器人向部分隔离小区提供物资运输配送。北斗与互联网、移动通信网、大数据、云计算等结合形成的“北斗+”信息产品,可以对感染者的行动轨迹进行精确定位并向社会公开发布,为大城市特别是基层社区做好防控提供关键数据支撑。

  武汉火神山、雷神山医院建设十万火急、分秒必争。“万丈高楼平地起”,高精度定点定位是基准,快速精确测量是基础。大年三十晚上,工作人员闻令而动,奔赴火神山医院工地,北斗高精度定位设备火速驰援,确保工地大部分放线测量一次完成,为医院迅速施工争取了宝贵时间。

  “北斗应用只受想象力限制。”面向未来,这句话精辟地勾勒出了北斗应用发展的无限可能和广阔前景。走向全球的中国北斗,大有可为,未来可期。

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