【北斗導航】中國導航系統完成全球組網 北斗背後的大國科技角力

撰文:劉莉
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全球科技界有個頂級俱樂部,只有四名會員,卻吸引諸多國家的關注,這個俱樂部便是「全球衛星導航系統」(GNSS)。隨着北斗三號第30顆、也是最後一顆組網衛星「北斗系統第55顆衛星」在上周二(6月23日)發射成功,中國提前半年完成了北斗全球衛星導航系統(BDS)部署,與美國全球定位系統(GPS)、歐洲伽利略(GALILEO)、俄羅斯格洛納斯(GLONASS)構建了全球四大衛星導航系統。作為後起之秀,中國自主研發的北斗是目前發展勢頭最迅速、被認為極有可能後來居上的衛星導航系統。

2020年是北斗導航系統建設收官之年,隨着北斗全面於太空佈陣,將擇機向全球用戶提供完整的全天時、全天候、高精度全球定位導航授時服務。官方資料顯示,北斗擁有自主知識產權和核心技術,衛星和關鍵元件國產化率達到100%。

全球衛星導航系統的源起

上世紀五十年代,在美蘇爭霸的大背景下,一場以科研為名的意識形態之爭悄然上演。1957年10月4日,蘇聯發射的人類歷史上第一顆衛星「斯普特尼克1號」(Sputnik-1)成功進入軌道,震動了西方世界,並引起美國人強烈的恐懼和焦慮感,但美國約翰.霍普金斯大學的蓋伊(W.Guier)和威芬巴赫(G.Wieffembach)博士發現:由於衛星與地面之間有着相對運動,接收到電磁波信號存在多普勒頻移,若在地面上架設多部接收機,便可根據接收到信號的不同頻差推算出衛星的運行軌道。他們將研究成果告訴了應用物理實驗室主任麥克盧爾(Frank McClure),這位主任當時正為美國海軍研究如何能快速知曉航行在茫茫大海中軍艦的具體位置,聽到兩人匯報後,他眼前一亮,「既然你們能發現衛星在哪裏,那麼如果把問題反過來,衛星也就能發現你們在哪裏,海軍軍艦定位的問題有思路了。」

這便是衛星導航系統的科學緣起。此前,美國海軍使用的是俗稱「羅蘭」(LORAN)的無線電遠端導航系統,但羅蘭系統作用範圍有限,最遠只達2,000公里,定位精度也低,只有百米級,且只能提供二維定位。美國海軍敏銳地意識到使用衛星定位的巨大應用潛力,於1958年起與美國國防部高級研究計劃局(DARPA)共同進行了對海軍導航定位系統(NNSS)的基礎研究,成功開發出史上首個衛星導航系統—子午儀衛星系統(Ttansit)。在子午儀衛星系統的基礎上,美國國防部於1973年4月提出研究更先進的新一代導航定位系統的想法,全球定位系統(GPS)應運而生。

現在,全球衛星導航系統已是國家安全、經濟和社會發展不可或缺的重大空間信息基礎設施,能在全球向用戶提供全天候導航、授時服務的GPS憑藉技術優勢當了多年老大,美國每年因而從全球獲得千億、萬億計的收入。

有過幾次因導航系統受制於他國的不愉快經歷後,中國於上世紀後期開始探索適合自身國情的衛星導航系統發展道路。(資料圖片)

北斗撼動世界導航格局

有過幾次因導航系統受制於他國的不愉快經歷後,中國於上世紀後期開始探索適合自身國情的衛星導航系統發展道路,逐步形成了三步走發展戰略:第一步是在2000年年底建成北斗一號系統,向中國提供服務;第二步是在2012年年底建成北斗二號系統,向亞太地區提供服務;第三步則是在2020年建成北斗三號系統,向全球提供服務。

北斗系統由空間段、地面段和使用者段三部份組成:空間段由若干地球靜止軌道衛星、傾斜地球同步軌道衛星和中圓地球軌道衛星等組成;地面段包括主控站、時間同步/注入站和監測站等若干設施,以及星間鏈路運行管理設施;使用者段包括北斗相容其他衛星導航系統的晶片、模組、天線等基礎產品,以及終端產品、應用系統與應用服務等。

作為中國自主研發、獨立運行的衛星導航系統,北斗系統打破了其他國家對中國的技術封鎖。雖然起步較晚,但北斗「小老弟」成長很快,隨着國際海事組織海上安全委員會於2014年11月審議通過對北斗衛星導航系統認可的航行安全通函,北斗衛星導航系統正式成為繼GPS、GLONASS後第三個向世界航海使用者提供服務的全球衛星導航系統。

「北斗」系統具有短報文通信、精密授時、定位精確、系統容納用戶數四大優勢功能,其定位精度、授時精度、抗干擾能力等都與GPS相當,且北斗具備的無源定位和短報文通信功能獨門絕技,較之其他導航系統能更廣泛地應用於野外作業、突發災害等場景。2008年汶川大地震發生後,其他通訊方式紛紛失效,只有北斗能以短報文形式與指揮中心保持聯繫。

北斗系統首創三種軌道構成混合星座,與全球其他衛星導航系統相比,高軌衛星更多,抗遮擋能力強,尤其低緯度地區性能優勢更為明顯,系統融合了導航與通信能力,其星間鏈路實現星星互聯、星地互聯,具備定位導航授時、星基增強、精密定位、地基增強等多種功能,可實現即時米級、分米級、厘米級的導航定位增強服務能力。又因北斗和GPS相容,從而保證了其應用範圍如同GPS一樣廣泛。更引人矚目的是,北斗用二十多年走完了其他全球衛星導航系統四十多年的發展之路,其建設實現兩年17箭29星高密度發射組網且連戰連捷,成為科技領域「中國速度」的象徵。

北斗系統首創三種軌道構成混合星座,與全球其他衛星導航系統相比,高軌衛星更多,抗遮擋能力強。(資料圖片)

大國重器不能受制於人

北斗的目標是成為世界一流的衛星導航系統,從遠景規劃來看,2035年前北斗還將建設完善更泛在、更融合、更智慧的綜合體系。

長期以來,美國的GPS壟斷了中國民用的、與日常生活息息相關的定位服務,諸如電子商務、社交網站定位簽到、搜尋附近服務等應用都是基於GPS的位置服務,在定位服務全方位滲透的當下,美國一旦對中國關閉GPS服務,便會在中國造成極大混亂,於軍事領域而言更是致命性打擊。

在中西關聯式結構性變化外溢作用深刻影響世界的當下,中西方在製造業、科技等領域的博弈已不可避免地融入了時代的宏觀敘事場景。自中美貿易戰開啟之後,「脫鈎論」、「文明對抗論」甚囂塵上,中美之間結構性對抗已從貿易戰蔓延到以5G、晶片等為代表的高科技領域。近年來,美國對中興、華為等中國企業頻頻出招,通過斷供等一系列遏制招數,向中國高科技企業心臟刺上一把把利刃。如果中國企業沒有晶片、作業系統等「備胎計劃」,哪怕已貴為全球最大電信設備製造商的華為,也會被美國一招致命。凡是過往,皆為序章。美國這些動作證明了中國在導航系統這種「大國重器」領域,堅持「獨立自主,自力更生」原則的必要性和先見之明,中國人有了自己的衛星導航系統,才可不用再為他國何時關閉衛星導航系統服務而提心吊膽。

北斗系統提供服務以來,已在交通運輸、農林漁業、水文監測、氣象測報、通信授時、電力調度、救災減災、公共安全等領域廣泛應用,其導航服務愈來愈多地被電子商務、移動智能終端製造、位置服務等廠商採用,廣泛進入中國大眾消費、共享經濟和民生領域。資料顯示,中國新入網的智能手機中已有70%以上提供北斗服務。

在發展自己的衛星導航系統時,中國也在開發其他諸如偵察監視、指揮、協助攻擊等「純軍用」能力。近年來,北斗已成為重要的信息化指揮手段,不僅嵌入到各種大型武器發射平台,還廣泛應用於單兵偵察和分隊作戰之中。有英國媒體感嘆北斗系統更安全可靠,將使中國軍方的精確打擊能力迅速提升數十倍。

作為中國迄今為止規模最大、覆蓋範圍最廣、性能要求最高的巨型複雜航天系統,總體來看,北斗系統當前還不太可能完全取代美國的GPS,但很明顯,隨着北斗向全球提供服務,這個世界的衛星導航系統江湖已變,而且隨之而變的將不只是這一片江湖。

上文節錄自第220期《香港01》周報(2020年6月29日)《中國導航系統完成全球組網 北斗背後的大國科技角力》。

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