GPS之家

　　今年9月19日，载有第十四颗和第十五颗北斗导航卫星的“长征三号乙”运载火箭的发射点火瞬间。

【工程名片】

　　北斗卫星导航系统是中国正在实施的自主发展、独立运行的全球卫星导航系统。与美国的GPS，俄罗斯的格洛纳斯、欧盟的伽利略系统并称为全球四大卫星导航系统。

　　该系统由空间段、地面段和用户段三部分组成，空间段包括5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星，地面段包括主控站、注入站和监测站等若干个地面站，用户段包括北斗用户终端以及与其他卫星导航系统兼容的终端。

　　北斗星，亘古以来，一直为人类辨识方向提供着最简便清晰的“指引”。

　　1994年，一个名为“北斗”的卫星导航工程在中国启动。

　　今年10月下旬，一颗新的北斗导航卫星即将发射升空。届时，一个导航卫星网络将构建完成，覆盖中国以及大部分亚太地区。明年上半年，北斗将正式提供服务。

　　到2020年，北斗卫星导航系统将拥有35颗卫星，形成覆盖全球的卫星网络。

　　这是中国历史上规模最大的航天工程。

　　北斗初上

　　提起卫星导航系统，很多人认为就是GPS。其实，GPS是美国“全球定位系统”(Global Positioning System)的简称。

　　据统计，GPS在我国导航市场上所占份额在95%以上。在电力传输、通信、金融等领域，严重依赖GPS提供的精准时间。

　　北斗卫星导航系统总设计师孙家栋认为：和平时期，可以用GPS；但应对“不可控局势”， “必须未雨绸缪”，发展本国的卫星导航系统。

　　即便是在和平时期，美国对各国开放的精度并不一样。这意味着，美国的GPS不能满足高精确的需求。

　　参加了北斗项目总体设计的郭树人告诉记者，国际上卫星导航的定位是“重大空间基础设施”，就像供水供电系统一样。

　　限于国家的财力、技术能力和实际需求，北斗建设分“三步走”：先建立试验系统，再实施区域服务，最后建立全球网络。

　　2000年10月，试验系统第一个卫星被送入轨道。2003年5月，第三颗北斗卫星成功发射，这是一颗备份卫星。

　　这三颗卫星组成完整的试验系统。至此中国成为继美国、俄罗斯之后，世界上第三个拥有自主卫星导航系统的国家。

　　北斗织网

　　2005年，北斗卫星导航系统工程项目启动，这将是一个由5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成的庞大卫星网络。

　　2007年4月，第一颗北斗卫星导航系统卫星成功发射。从此，北斗卫星开始了高密度发射。尤其是2010年以来，保持了每年4颗左右的发射频率。

　　从2011年12月27日起，北斗向中国及周边地区提供连续的导航定位和授时服务。

　　此时，北斗卫星导航系统的在轨卫星已经有10颗。

　　进入2012年，北斗卫星导航系统的组网进程加速。2月发射第11颗卫星后，4月和9月，均用一箭双星的方式，将第12至第15颗卫星送入太空。

　　到2012年底，北斗系统基本建成后将提供正式运行服务，届时覆盖区内定位精度达到10米。

　　记者了解到，本月下旬，还将有一颗北斗导航卫星发射。届时，一张覆盖亚太地区的导航网络将织就。这张网将覆盖东亚、东南亚、南亚、澳大利亚、西太平洋以及部分西亚地区。

　　北斗“指路”

　　正式运行后，北斗卫星导航系统的接口控制文件(ICD文件)将对外公布，有了这个代码，外国公司将能够进入北斗卫星导航产业。

　　北斗将提供的服务分为两种：开放服务和授权服务。开放服务是向服务区内的所有用户免费提供的，定位精度为10米，测速精度为0.2米/秒，授时精度为50纳秒。授权服务面对授权用户，安全性和精度都更高。

　　目前，国内近10万艘出海渔船上，安装了北斗导航，它不仅可以为船只导航，还可以通过北斗独有的短报文技术，报告船只位置。

　　孙家栋说，北斗的应用只受想象力的限制。行业预计，北斗导航每年将带来的产业效益可达到5000亿元。

　　今年11月，全球卫星导航系统国际委员会大会将在中国举行，与周边国家探讨在境外建站以及与其他系统兼容互操作，将是一项重要内容。

　　郭树人介绍，目前北斗的车载导航终端已经和GPS终端大小相差无几。在不远的将来，普通用户就可以使用北斗终端，这个终端将同时兼容GPS。

　　●1994年

　　【启动】 北斗卫星导航系统工程启动。在此之前，进行了历时8年的理论推演和重大专项实验等前期论证工作。

　　●2003年

　　【试验】 2003年完成。用少量卫星利用地球同步静止轨道完成试验任务，为系统建设积累经验，培养人才，研制地面应用基础设施和设备。

　　●2012年

　　【亚太组网】 2012年完成。建成由12颗卫星组成的区域星座，形成覆盖亚太地区的区域服务能力，并正式提供服务。

　　●2020年

　　【全球覆盖】 2020年左右完成。建成由5颗静止轨道和30颗非静止轨道卫星组成的网络，开展全球定位、导航、授时服务，及区域增强服务。

　　(感谢北斗卫星导航系统政府网站、神舟传媒提供帮助)

　　(原标题：10月下旬“北斗”完成亚太织网)

　　北斗“混搭”星座结构

　　与神舟载人航天、嫦娥探月相比，北斗卫星导航工程，显得非常低调。北斗虽然低调，但是技术含量并不少。而且，它与普通人的生活关系更为密切。

　　参与北斗卫星导航系统方案设计的郭树人，向新京报介绍了北斗卫星导航系统的几个关键环节。

　　星座结构独特：用IGSO卫星定位

　　北斗卫星导航系统的星座结构，和其他导航系统的星座结构有明显区别。美国、俄罗斯的导航系统采用的是中圆轨道，卫星均匀分布在轨道面上，都是MEO卫星。

　　郭树人说，这样的对称星座，轨道面均匀，相位也均匀，是覆盖全球的最优星座。

　　中国首先要组建一个区域导航服务星座。郭树人说，北斗没有以MEO卫星为主。MEO卫星绕地球旋转，每天只有30%的时间位于中国的国土上空，其他时间不能为中国提供服务。因此，北斗更多采用了倾斜地球轨道卫星(IGSO)、地球静止轨道卫星(GEO)。这两种卫星的活动范围，相对固定电子眼。

　　郭树人说，GEO同步卫星，轨道倾角为0度，相对地面是不动的，但是只用这一种卫星，定位有问题，因为它们有时会处于同一直线上，不能计算定点的位置。于是，还需要IGSO卫星，这也是同步卫星，但轨道倾角是55度。它的轨迹呈8字形，有70%-80%的时间停留在中国的国土上空。

　　用IGSO卫星进行定位，这在世界上是第一次。

　　组网要求高：雷雨天发射卫星

　　与之前的卫星发射不同，北斗不是单颗卫星，而是需要发射30余颗卫星，组成一个网络。星座的设计要求是，既要保证同时可以看到4颗星，但卫星又不能离太近，要分散开，间隔越远越好。

　　郭树人说，卫星组网，最关键的就是卫星之间的位置关系，它们的距离必须是确定的。这就要求，卫星发射不仅要进入轨道，还要保证进入轨道的某个位置。对于MEO和IGSO卫星来说，这样的要求，需要等待为数不多的发射窗口。

　　2011年7月27日5时44分，第九颗北斗导航卫星在暴雨雷电中成功发射。

　　郭树人说，如果是别的卫星发射，遇到恶劣天气就取消发射任务。当时，发射准备工作都做好了，现场人员准备撤离。发射前2小时，突降大雨，且伴随雷电。

　　如果不进入发射程序，损失很大，很多程序是不可逆的，而且一旦错过发射窗口，就会再等很长时间。随后的两个小时里，每15分钟就进行一次天气会商。

　　最终决定，发射。

　　在两次雷电的间隙，火箭腾空而起。郭树人说，火箭升空不久，就听到了雷暴。

　　用户救命法宝：120字短报文

　　北斗卫星试验系统的“有源定位”功能，被北斗卫星导航系统继承了下来。这让北斗系统有了一项其他卫星导航系统所不具备的功能——短报文功能。

　　郭树人说，短报文是北斗导航系统的一个特色。

　　北斗的短报文每条可发送120个汉字。短短的120个字，在很多时候是“救命”的法宝。通过GPS，用户只能知道“自己在哪”。但是通过北斗，用户还能让别人知道“自己在哪”。

　　汶川地震时，震区通信中断。中国卫星定位应用管理中心为救援部队配备了1000多台北斗终端机。北斗的短报文功能，让救援部队和指挥部的联系保持顺畅。

　　据介绍，北斗正式运行后，短报文通信的服务功能将覆盖中国大陆及周边地区。

　　国产原子钟：精确到十亿分之一秒

　　卫星定位是通过测定时间来测定距离的。郭树人说，卫星导航系统最核心的是时间，定位的精度取决于时间的精度。北斗系统的精确时间，来源于卫星上搭载的原子钟。长期以来，中国星载原子钟的研制一直备受海内外业界人士关注。

　　北斗卫星导航系统工程副总设计师李祖洪曾透露，当时，我国准备从欧洲进口星载原子钟，也同欧洲公司签订了合同。但对方提出了一个合同履行的前提条件，必须先取得瑞士政府颁发的对华销售许可证，至于何时可以获得许可证、能否取得许可证，对方不作任何承诺。

　　李祖洪说，当时大家已经意识到卫星原子钟必须依靠自己。于是，由北京大学、中科院、中国航天科技集团等多个部门空间物理、空间无线电等领域专家组成的课题组，经过两年研究试验，终于造出了自己的原子钟，可以精确到十亿分之一秒。

　　国家经典工程·北斗导航 之 揭秘

　　今年9月19日3时10分，中国在西昌卫星发射中心用“长征三号乙”运载火箭，采用一箭双星方式，成功将第十四颗和第十五颗北斗导航卫星发射升空并送入预定转移轨道。　　与之前发射的北斗导航卫星，一起构成“5GEO+5IGSO+4MEO”的星座结构。

　　其中，“5+5”是核心，一旦有卫星失效或者处于在轨维修状态，4颗中圆轨道卫星可以起到部分替代作用。

　　北斗卫星导航系统卫星系统总设计师杨慧表示，对于限定区域的服务区而言，“5+5+4”的混合星座结构具有最佳的“鲁棒性”和经济性，最符合“少花钱多办事”的原则。

　　郭树人：艰巨在后头

　　郭树人办公室里满满两书架的书，都和卫星有关。　　他是中国卫星导航系统管理办公室研究员，从1993年加入北斗导航系统团队，至今已与北斗“并肩”近20个年头。

　　1993年，郭树人调入北斗初建团队工作，那时，整个团队的核心人员不过10人左右。由于西方国家在卫星导航系统方面对中国封锁，中国只能靠自主研究突破关键技术。经过演示实验验证北斗系统总体方案的原理可行后，他们开始了设计之路。

　　当时才30岁出头的郭树人，已经是北斗系统总体方案设计的核心成员。

　　“坦诚讲，一开始压力很大。”郭树人回忆。由于我国第一次搞北斗项目，设计没有任何经验可以借鉴，他每天都要和航天界的权威院士们一起开会，解答院士们的每一个疑问。

　　“我还记得第一次上台，面对那么多德高望重的院士们，回答他们的问题时，我很紧张，他们都是航天界的泰斗。”郭树人说。

　　答辩结束后，同事开玩笑说，他在台上的声音有点哆嗦。

　　郭树人告诉记者，经过多次完善和修补，北斗的卫星网络结构仍然坚持了原有的思路，现在回过头来看，这个思路是正确的，符合国家战略和建设实际。

　　现在，郭树人一周要参加北斗系统大大小小的会议5、6个，一年365天200多天都在开北斗系统的会。他曾经计算过，从1993年加入团队到2009年，他开过的会议已经超过1000个。

　　“虽然现在北斗的进展很顺利，但是艰巨的都在后头，还有很多事情要做，丝毫不敢怠慢啊。”他笑着说。