北斗导航系统发展史

北斗导航系统发展史摘要：2016年6月12日，中国在西昌成功发射了第23颗北斗导航卫星。此次成功发射的卫星将与其他的在轨卫星共同提供服务，为北斗导航系统从亚太区域系统转向全球服务奠定了基础。作为我国自主开发建设的全球卫星导航系统，北斗与俄罗斯的GLONASS，美国的GPS以及欧洲的GALILEO并誉为四大全球卫星导航系统。虽然在这四大导航系统中，北斗是最“年轻”的,但其正借着后发优势迎头赶上。北斗已经同高铁一样，成为中国在世界上一张亮眼的名片。回顾北斗系统发展的历程，不仅能让人体会到个中艰辛。更能为我国科技建设提供值得参考的经验。1.全球卫星导航系统的起源1957年10月4日，前苏联成功发射了世界上第一颗人造卫星sputnik。这颗卫星的构造非常简单，只是在密封的铝制外壳密封了一个化学电池、一只温度计和一台双频发报机。但在当时，这颗卫星却引起了全世界科学家的关注。美国约翰.霍普金斯大学的W.Guier和G.Wieffembach博士通过跟踪、检测该卫星所发出的信号发现：由于卫星与地面之间有着相对运动，接收到的电磁波信号存在多普勒频移。如果在地面上位置已知点检测接收到的多普勒频移曲线，就可以计算出卫星的运行轨道。但是反过来，如果已知了卫星的运行轨道，就能通过多普勒算出用户的位置，这就是卫星导航系统的最初构想。如何在茫茫大海上定位军舰，对于美国海军来说一直是个大问题。在苏联发射第一颗卫星之前，海军使用的是罗兰无线电远程导航系统。罗兰是一种陆基双曲无线电导航系统，船舶通过计算出接收陆地上两个发射台信号的时间到达差，就可以将自己位置确定在以两个发射台为焦点的双曲线上。再利用另外两个发射台，可以将位置确定在另一条双曲线上。通过计算出双曲线的两个交点，采用估计位置排除出其中一个即可实现定位。相较GPS，罗兰系统的作用范围有限（最远2000km），定位精度低（百米级），而且只能提供二维定位，在GPS出现后很快就逐渐被淘汰。美国海军敏锐地意识到使用卫星定位的巨大潜力，于1958年起与美国国防部高级研究计划局（DARPA）共同进行了对海军导航定位系统（NNSS）的基础研究，并成功开发出了世界上第一个卫星导航系统----子午（Transit）卫星系统。子午卫星系统一共包含六颗通过极地的卫星，只能够提供精度较低的二维定位，而且每次定位的时间长达30-110分钟，从现在看来应用价值不高，但是子午卫星系统验证了构建卫星导航系统的可行性，而且该系统的许多想法对于GPS的开发、应用有着相当重要的借鉴意义。在子午卫星系统的基础上，美国国防部于1973年4月提出了研究更加先进的新一代导航定位系统的想法，这就是全球定位系统（GPS）。经过20年的建设，至1993年已经建成实用的包含24颗卫星的GPS星座。相比子午卫星系统，GPS提高了卫星数量、采用了更加先进的计时设备、同时将之前采用的多普勒定位方法改进为基于伪随机测距码的定位方法，能够提供实时、精确的导航服务。而且通过覆盖全球的GPS卫星星座，GPS能够在世界任何地方提供全天候的导航、授时服务。在美国宣布要研制全球导航卫星系统以后，当时冷战的另一方苏联紧追不舍，也提出了建设导航卫星系统的设想，在80年代初开始建设与GPS类似的GLONASS系统，并最终于1995年建设成拥有24颗卫星的完整系统。2.为什么要发展自主导航系统：当前，GPS占据了全球导航定位市场的绝大多数份额。一提到导航定位，人们首先想起的就是GPS。经过多年的发展，GPS系统在市场上已经形成了一整套成熟、廉价的解决方案。那么既然已经有了这样一套现成可用的卫星导航系统，为什么我们还要不惜耗费那么多人力、物力重复建设我们的北斗导航系统呢？回到GPS系统上，根据伪随机码序列的不同，GPS播放的信号可以分为C/A码（民用），P码（军用）。P码的定位精度高于民码，但是只有授权用户才能使用。在第一代的GPS系统中，由于采用C/A码的民用定位精度远高于美国技术人员的预测值。为了保护美国的国家安全，美国于1984年采用了选择可用性技术（SelectiveAvailablity），这项技术通过向卫星播发的电磁波施加干扰，限制了非特许用户的定位精度。虽然在其后的第二代GPS系统中，美国取消了这项政策。但是民用GPS信号的精度相比军用还是相差巨大。而且，在冲突或者紧急情况下，如果美军再次采用SA技术在GPS民码中引入干扰或者直接关停了，那么我们基于GPS的指挥、通信、制导系统就会完全变成瞎子。而那些依赖卫星导航系统进行定位、授时的金融市场、电力系统、移动通信等社会关键领域的安全也无法得到保障。如果没有一个独立自主的导航系统，就相当于将自己的国家安全亲手交到了别人手上。3北斗导航系统的发展历程3.1北斗一代1970年4月12日，我国发射了第一颗人造卫星----东方红一号。自那之后，我国对卫星导航系统的建设就开始了不断地研究、论证。两弹一星元勋，陈芳允院士认为受限于我国的经济、技术条件，难以发展出像美国和俄罗斯那样的全球定位系统，区域系统是当时更好的选择。1983年，基于三球定位原理，陈芳允院士提出了采用两颗同步卫星进行定位，并且同时进行通信的想法。1989年，陈芳允院士所带领的团队利用通信卫星进行了双星定位演示实验，成功证明了双星定位技术的可行性。1990年，海湾战争爆发。在这场战争中，GPS系统大放异彩，不仅极大提高了武器的射击精度与作战效能，而且有效增强了指挥通信、多兵种协同作战能力，并最终帮助多国部队取得了战争的胜利。海湾战争让中国开始意识到卫星导航系统的重要价值。1994年，基于陈芳允院士的方案，我国启动了北斗卫星导航系统的建设。2000年，我国成功发射了两颗北斗一号卫星，实现了区域性的导航功能。不同于其他导航定位系统采用的卫星发射伪测距码的办法，北斗一代采用的是有源定位方案。在进行定位时，用户需要向卫星发送信号，由用户之外的中心控制系统完成卫星与用户之间的距离测量并计算出用户的位置，然后经由卫星将计算出来的位置发送给用户。第一代北斗系统的定位精度能够达到20m，与当时的GPS民码的定位精度相当。而且由于计算能力的发展，北斗系统的相应速度仅为1s，优于当时的GPS系统。在2003年和2007年，我国又再次发射了两颗北斗一号备份星，构建了一套完整的卫星导航系统，标志着北斗卫星导航实验系统的完成。同GPS以及GLONASS系统相比，第一代的北斗系统缺点众多：覆盖范围有限；有源定位消耗功率大，在军事上容易暴露位置引来打击；为了实现双星定位而采用的地球同步轨道太高，影响了系统的定位性能；基于中心控制系统的定位解算方案也限制了用户的容量。但作为一次试验性质的导航定位尝试，北斗一代无疑是成功的。作为我国独立自主研发的首个卫星导航定位系统，北斗一代克服了当时所面临各种困难，打破了美俄两国在卫星导航系统上的垄断，并为之后北斗二代的建设积累了丰富的建设经验。3.2北斗二代按照我国北斗卫星导航系统的“三步走”的发展规划，1994年开始发展的北斗卫星导航实验系统为第一步，2004年开始发展的正式系统又可以分为第二步和第三步。其中第二步为到2012年，发射10多颗卫星，建成覆盖亚太区域的北斗卫星导航系统。这一步目前已经基本实现，至2012年底，北斗二代导航系统一共发射了16颗导航卫星，2012年12月27日，北斗导航系统正式开始提供服务，服务范围覆盖率亚太大部分地区。第三步则是在已建立的区域导航系统的基础上，到2020年，建成由5颗静止轨道卫星、27颗中轨道卫星和3颗倾斜轨道卫星组成的覆盖全球的卫星导航系统。在中国开发北斗导航系统的同时，欧洲国家为了减少对GPS的依赖，也在打算开发欧盟自己的导航系统。2002年3月，欧盟15国交通部长会议一致决定，启动“伽利略”导航卫星系统。而为了分担研究成本，欧洲各国将当时研究北斗的中国也拉入了这个项目。2003年9月，中国加入了伽利略计划，并宣布将为该项目投入2.3亿欧元。然而，中国在这个项目上的大手笔投入并没有取得相应的回报。2005年，随着欧洲政治格局的变化，欧盟开始排挤中国，在伽利略计划上，中国不仅参与伽利略项目的重大决策，甚至连与伽利略系统合作开发也被阻碍。正是在这种情况下，中国痛定思痛，下决心开发自己北斗导航卫星系统。作为我国自主研发、独立运行的卫星导航系统，北斗系统打破了其他国家对我们的技术封锁，实现了我国卫星导航技术从无到有，从弱到强的转变。而中国在伽利略系统中的所遇到的不公，更加说明了自主发展卫星导航系统的必要性。只有自己的手中掌握核心技术，才不必时刻担心被国外卡住喉咙。参考资料：[1][2][3][4]黄庆桥大国重器：中国为什么一定要搞“北斗”上海交通大学科学史与科学文化研究院[5]马芮，孔星炜GNSS系统的现状与发展[J].现代防御技术,2008,36(2)[6]谭述森.北斗卫星导航系统的发展与思考[J].宇航学报,2008,29(2):7-12.[7]吕伟,朱建军.北斗卫星导航系统发展综述[J].地矿测绘,2007,23(3):29-32.[8]谢钢.GPS原理与接收机设计[M].电子工业出版社,2009.[9]百度百科伽利略卫星导航系统[10]