北斗導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展史

北斗導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展史摘要:2016年6月12日，中國在西昌成功發(fā)射了第23顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星。此次成功發(fā)射的衛(wèi)星將與其他的在軌衛(wèi)星共同提供服務(wù)，為北斗導(dǎo)航系統(tǒng)從亞太區(qū)域系統(tǒng)轉(zhuǎn)向全球服務(wù)奠定了基礎(chǔ)。作為我國自主開發(fā)建設(shè)的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，北斗與俄羅斯的GLONASS，美國的GPS以及歐洲的GALILEO并譽(yù)為四大全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。雖然在這四大導(dǎo)航系統(tǒng)中，北斗是最“年輕”的，但其正借著后發(fā)優(yōu)勢迎頭趕上。北斗已經(jīng)同高鐵一樣，成為中國在世界上一張亮眼的名片。回顧北斗系統(tǒng)發(fā)展的歷程，不僅能讓人體會到個中艱辛。更能為我國科技建設(shè)提供值得參考的經(jīng)驗。1.全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的起源1957年10月4日，前蘇聯(lián)成功發(fā)射了世界上第一顆人造衛(wèi)星sputnik。這顆衛(wèi)星的構(gòu)造非常簡單，只是在密封的鋁制外殼密封了一個化學(xué)電池、一只溫度計和一臺雙頻發(fā)報機(jī)。但在當(dāng)時，這顆衛(wèi)星卻引起了全世界科學(xué)家的關(guān)注。美國約翰霍普金斯大學(xué)的W.Guier和G.Wieffembach博士通過跟蹤、檢測該衛(wèi)星所發(fā)出的信號發(fā)現(xiàn)：由于衛(wèi)星與地面之間有著相對運(yùn)動，接收到的電磁波信號存在多普勒頻移。如果在地面上位置已知點(diǎn)檢測接收到的多普勒頻移曲線，就可以計算出衛(wèi)星的運(yùn)行軌道。但是反過來，如果已知了衛(wèi)星的運(yùn)行軌道，就能通過多普勒算出用戶的位置，這就是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的最初構(gòu)想。如何在茫茫大海上定位軍艦，對于美國海軍來說一直是個大問題。在蘇聯(lián)發(fā)射第一顆衛(wèi)星之前，海軍使用的是羅蘭無線電遠(yuǎn)程導(dǎo)航系統(tǒng)。羅蘭是一種陸基雙曲無線電導(dǎo)航系統(tǒng)，船舶通過計算出接收陸地上兩個發(fā)射臺信號的時間到達(dá)差，就可以將自己位置確定在以兩個發(fā)射臺為焦點(diǎn)的雙曲線上。再利用另外兩個發(fā)射臺，可以將位置確定在另一條雙曲線上。通過計算出雙曲線的兩個交點(diǎn)，采用估計位置排除出其中一個即可實現(xiàn)定位。相較GPS，羅蘭系統(tǒng)的作用范圍有限（最遠(yuǎn)2000km），定位精度低（百米級），而且只能提供二維定位，在GPS出現(xiàn)后很快就逐漸被淘汰。美國海軍敏銳地意識到使用衛(wèi)星定位的巨大潛力，于1958年起與美國國防部高級研究計劃局（DARPA）共同進(jìn)行了對海軍導(dǎo)航定位系統(tǒng)（NNSS）的基礎(chǔ)研究，并成功開發(fā)出了世界上第一個衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)----子午（Transit）衛(wèi)星系統(tǒng)。子午衛(wèi)星系統(tǒng)一共包含六顆通過極地的衛(wèi)星，只能夠提供精度較低的二維定位，而且每次定位的時間長達(dá)30-110分鐘，從現(xiàn)在看來應(yīng)用價值不高，但是子午衛(wèi)星系統(tǒng)驗證了構(gòu)建衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的可行性，而且該系統(tǒng)的許多想法對于GPS的開發(fā)、應(yīng)用有著相當(dāng)重要的借鑒意義。在子午衛(wèi)星系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，美國國防部于1973年4月提出了研究更加先進(jìn)的新一代導(dǎo)航定位系統(tǒng)的想法，這就是全球定位系統(tǒng)（GPS）。經(jīng)過20年的建設(shè)，至1993年已經(jīng)建成實用的包含24顆衛(wèi)星的GPS星座。相比子午衛(wèi)星系統(tǒng)，GPS提高了衛(wèi)星數(shù)量、采用了更加先進(jìn)的計時設(shè)備、同時將之前采用的多普勒定位方法改進(jìn)為基于偽隨機(jī)測距碼的定位方法，能夠提供實時、精確的導(dǎo)航服務(wù)。而且通過覆蓋全球的GPS衛(wèi)星星座，GPS能夠在世界任何地方提供全天候的導(dǎo)航、授時服務(wù)。在美國宣布要研制全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)以后，當(dāng)時冷戰(zhàn)的另一方蘇聯(lián)緊追不舍，也提出了建設(shè)導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)的設(shè)想，在80年代初開始建設(shè)與GPS類似的GLONASS系統(tǒng)，并最終于1995年建設(shè)成擁有24顆衛(wèi)星的完整系統(tǒng)。2.為什么要發(fā)展自主導(dǎo)航系統(tǒng):當(dāng)前，GPS占據(jù)了全球?qū)Ш蕉ㄎ皇袌龅慕^大多數(shù)份額。一提到導(dǎo)航定位，人們首先想起的就是GPS。經(jīng)過多年的發(fā)展,GPS系統(tǒng)在市場上已經(jīng)形成了一整套成熟、廉價的解決方案。那么既然已經(jīng)有了這樣一套現(xiàn)成可用的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，為什么我們還要不惜耗費(fèi)那么多人力物力重復(fù)建設(shè)我們的北斗導(dǎo)航系統(tǒng)呢？回到GPS系統(tǒng)上，根據(jù)偽隨機(jī)碼序列的不同，GPS播放的信號可以分為C/A碼（民用），P碼（軍用）。P碼的定位精度高于民碼，但是只有授權(quán)用戶才能使用。在第一代的GPS系統(tǒng)中，由于采用C/A碼的民用定位精度遠(yuǎn)高于美國技術(shù)人員的預(yù)測值。為了保護(hù)美國的國家安全，美國于1984年采用了選擇可用性技術(shù)（SelectiveAvailablity），這項技術(shù)通過向衛(wèi)星播發(fā)的電磁波施加干擾，限制了非特許用戶的定位精度。雖然在其后的第二代GPS系統(tǒng)中，美國取消了這項政策。但是民用GPS信號的精度相比軍用還是相差巨大。而且，在沖突或者緊急情況下，如果美軍再次采用SA技術(shù)在GPS民碼中引入干擾或者直接關(guān)停了，那么我們基于GPS的指揮、通信、制導(dǎo)系統(tǒng)就會完全變成瞎子。而那些依賴衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行定位、授時的金融市場、電力系統(tǒng)、移動通信等社會關(guān)鍵領(lǐng)域的安全也無法得到保障。如果沒有一個獨(dú)立自主的導(dǎo)航系統(tǒng)，就相當(dāng)于將自己的國家安全親手交到了別人手上。3北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展歷程3.1北斗一代1970年4月12日，我國發(fā)射了第一顆人造衛(wèi)星----東方紅一號。自那之后，我國對衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)就開始了不斷地研究、論證。兩彈一星元勛，陳芳允院士認(rèn)為受限于我國的經(jīng)濟(jì)、技術(shù)條件，難以發(fā)展出像美國和俄羅斯那樣的全球定位系統(tǒng)，區(qū)域系統(tǒng)是當(dāng)時更好的選擇。1983年，基于三球定位原理，陳芳允院士提出了采用兩顆同步衛(wèi)星進(jìn)行定位，并且同時進(jìn)行通信的想法。1989年，陳芳允院士所帶領(lǐng)的團(tuán)隊利用通信衛(wèi)星進(jìn)行了雙星定位演示實驗，成功證明了雙星定位技術(shù)的可行性。1990年，海灣戰(zhàn)爭爆發(fā)。在這場戰(zhàn)爭中，GPS系統(tǒng)大放異彩，不僅極大提高了武器的射擊精度與作戰(zhàn)效能，而且有效增強(qiáng)了指揮通信、多兵種協(xié)同作戰(zhàn)能力，并最終幫助多國部隊取得了戰(zhàn)爭的勝利。海灣戰(zhàn)爭讓中國開始意識到衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的重要價值。1994年，基于陳芳允院士的方案，我國啟動了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)。2000年，我國成功發(fā)射了兩顆北斗一號衛(wèi)星，實現(xiàn)了區(qū)域性的導(dǎo)航功能。不同于其他導(dǎo)航定位系統(tǒng)采用的衛(wèi)星發(fā)射偽測距碼的辦法，北斗一代采用的是有源定位方案。在進(jìn)行定位時，用戶需要向衛(wèi)星發(fā)送信號，由用戶之外的中心控制系統(tǒng)完成衛(wèi)星與用戶之間的距離測量并計算出用戶的位置，然后經(jīng)由衛(wèi)星將計算出來的位置發(fā)送給用戶。第一代北斗系統(tǒng)的定位精度能夠達(dá)到20m，與當(dāng)時的GPS民碼的定位精度相當(dāng)。而且由于計算能力的發(fā)展，北斗系統(tǒng)的相應(yīng)速度僅為1s，優(yōu)于當(dāng)時的GPS系統(tǒng)。在2003年和2007年，我國又再次發(fā)射了兩顆北斗一號備份星，構(gòu)建了一套完整的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，標(biāo)志著北斗衛(wèi)星導(dǎo)航實驗系統(tǒng)的完成。同GPS以及GLONASS系統(tǒng)相比，第一代的北斗系統(tǒng)缺點(diǎn)眾多：覆蓋范圍有限；有源定位消耗功率大，在軍事上容易暴露位置引來打擊；為了實現(xiàn)雙星定位而采用的地球同步軌道太高，影響了系統(tǒng)的定位性能；基于中心控制系統(tǒng)的定位解算方案也限制了用戶的容量。但作為一次試驗性質(zhì)的導(dǎo)航定位嘗試，北斗一代無疑是成功的。作為我國獨(dú)立自主研發(fā)的首個衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，北斗一代克服了當(dāng)時所面臨各種困難，打破了美俄兩國在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)上的壟斷，并為之后北斗二代的建設(shè)積累了豐富的建設(shè)經(jīng)驗。3.2北斗二代按照我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的“三步走”的發(fā)展規(guī)劃，1994年開始發(fā)展的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航實驗系統(tǒng)為第一步，2004年開始發(fā)展的正式系統(tǒng)又可以分為第二步和第三步。其中第二步為到2012年，發(fā)射10多顆衛(wèi)星，建成覆蓋亞太區(qū)域的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。這一步目前已經(jīng)基本實現(xiàn)，至2012年底，北斗二代導(dǎo)航系統(tǒng)一共發(fā)射了16顆導(dǎo)航衛(wèi)星，2012年12月27日，北斗導(dǎo)航系統(tǒng)正式開始提供服務(wù)，服務(wù)范圍覆蓋率亞太大部分地區(qū)。第三步則是在已建立的區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)的基礎(chǔ)上，到2020年，建成由5顆靜止軌道衛(wèi)星、27顆中軌道衛(wèi)星和3顆傾斜軌道衛(wèi)星組成的覆蓋全球的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。在中國開發(fā)北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的同時，歐洲國家為了減少對GPS的依賴，也在打算開發(fā)歐盟自己的導(dǎo)航系統(tǒng)。2002年3月，歐盟15國交通部長會議一致決定，啟動“伽利略”導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)。而為了分擔(dān)研究成本，歐洲各國將當(dāng)時研究北斗的中國也拉入了這個項目。2003年9月，中國加入了伽利略計劃，并宣布將為該項目投入2.3億歐元。然而，中國在這個項目上的大手筆投入并沒有取得相應(yīng)的回報。2005年，隨著歐洲政治格局的變化，歐盟開始排擠中國，在伽利略計劃上，中國不僅參與伽利略項目的重大決策，甚至連與伽利略系統(tǒng)合作開發(fā)也被阻礙。正是在這種情況下，中國痛定思痛，下決心開發(fā)自己北斗導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)。作為我國自主研發(fā)、獨(dú)立運(yùn)行的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，北斗系統(tǒng)打破了其他國家對我們的技術(shù)封鎖，實現(xiàn)了我國衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)從無到有，從弱到強(qiáng)的轉(zhuǎn)變。而中國在伽利略系統(tǒng)中的所遇到的不公，更加說明了自主發(fā)展衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的必要性。只有自己的手中掌握核心技術(shù)，才不必時刻擔(dān)心被國外卡住喉嚨。參考資料：/wiki/Sputnik1/wiki/LORAN/xtjs.html黃慶橋大國重器：中國為什么一定要搞“北斗上海交通大學(xué)科學(xué)史與科學(xué)文化研究院馬芮，孔星煒GNSS系統(tǒng)的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].現(xiàn)代防御技術(shù),2008,36(2