北斗导航：顶天立地的中国精度
11月5日，以“一箭双星”方式成功发射的第24、25颗北斗导航卫星，开启了北斗卫星导航系统全球组网的新时代。此次任务也将揭开我国新一轮北斗组网卫星高密度发射期，预计到2020年，我国将完成30多颗卫星发射任务，实现全球服务能力。
从纪元之初行走在丝绸之路的汉朝商队，到十五世纪纵横两大洋的明朝船队，能否借助北斗星辰在茫茫沙漠和大海中正确定位，往往意味着前路的吉凶祸福。到了“一机在手，航线我有”的二十一世纪，想要迷路实在是一件相当困难的事了。这归功于手机中那颗重量不足十几克的北斗卫星导航接收机芯片。这枚芯片之所以能够获得准确的定位与时间信息，依靠的是其背后全球卫星导航定位与授时系统。这是一个由运行在两万多公里之外的几十颗北斗导航卫星星座、广泛分布且运转不息的地面运控/测控系统、从陆基到天基不断延伸的广域增强系统、以及移动用户携带的导航定位授时终端共同组成的庞大而精密的系统。
党的十八大以来，党中央高度重视科技创新，实施创新驱动发展战略，科技创新在党和国家全局中的地位日益重要。习近平总书记曾强调：要把关键技术掌握在自己手里，要从国家主权政治高度来理解、从国家发展战略来部署、从国家经济建设来落实北斗卫星导航系统。十九大报告也提出，突出关键共性技术、前沿引领技术、现代工程技术、颠覆性技术创新，为建设科技强国、质量强国、航天强国、网络强国、交通强国、数字中国、智慧社会提供有力支撑。
目前，全球有四大卫星导航定位与授时系统：美国的GPS(1967年启动，1994年建成)，俄罗斯的GLONASS(1976年启动，2011年建成)，欧盟的GALILEO(1999年启动，预计2020年建成)，中国的北斗导航系统(2006年启动，计划2020年建成)。北斗导航系统是中国完全独立自主掌控的全球卫星导航定位与授时系统，星座由MEO、GEO、IGSO三种轨道拓扑构型、共35颗卫星组成，提供全球覆盖、全天候、全时段、实时连续的高精度导航定位与授时服务。自2007年4月至2016年6月已布署了23颗卫星、建成32个地面运控/测控站，完成北斗二号卫星导航系统建设，覆盖整个东半球，达到同期国际先进水平，正式为亚太地区特别是“一带一路”沿线国家提供导航定位授时服务。
“十三五”以来，中国进入由航天大国向航天强国发展的关键时期，北斗导航系统的发展与建设也进入了新的历史阶段。北斗导航系统作为我国规模最大的航天系统，将在2020年实现北斗全球系统，性能与现代化升级后的GPS系统相当。实现这一目标最关键的要素就在于自主创新、军民融合。一直以来，中国北斗导航系统研制团队坚持关键技术自主创新的原则，独立自主攻关完成两类北斗导航星载精密原子钟的研制，于2014年完成在轨验证并服役，至今工作正常。而今年1月，欧盟GALILEO系统18颗卫星上9台原子钟几乎同时发生大面积故障，至今原因不明，为该系统的发展蒙上了阴影。
军民融合是十八大以来确立的未来国家发展战略，关乎国家安全和发展全局，既是兴国之举，又是强军之策。北斗导航系统是中国独立自主建设并掌控的天地一体化基础设施，是体现军民融合的重要舞台。令人难以置信的北斗精度能够为测绘学家测出1毫米量级的地球板块运动和南北极点位置漂移，为水利工程师测出1毫米量级的大坝形变，为天文学家将横跨近万公里的VLBI台站之间的同步误差控制在0.1纳秒之内，为飞船交会对接测出10毫米的位置对准偏差，为量子卫星通信链路测出4"(千分之一度)的角度对准偏差，为覆盖全国的智能电网系统和高铁调度运营系统实现50纳秒之内的时间同步控制，以0.01米/秒的精度为国产大飞机测出实时飞行速度，以5米的定位精度确定全国每一辆共享单车的地理位置……从陆地到太空，北斗导航的广泛应用正在改变人们的思维模式、工作模式、生活方式，北斗导航的应用不断挑战我们的想象力和创造力。目前，北斗导航系统相关产业产值已突破千亿，成为推动国家经济增长、科技进步、军事现代化的重要引擎。
在国家倡导的全面建设创新型国家战略指导下、大力弘扬创新文化氛围下，北斗导航系统进入快速发展阶段。广大科研人员秉承自主创新、军民融合两个理念，一路披荆斩棘，解决了北斗导航系统与欧盟GALILEO系统的下行频率冲突，突破了北斗导航系统与欧盟GALILEO系统的下行信号体制知识产权保护障碍，改进了影响精密测定轨的摄动力模型，完成了国产星载原子钟与国产星载核心处理器的研制及在轨验证并服役，实现了与其他卫星导航系统的信号兼容与互操作，经历了北斗二代二期的新型体制下行信号在轨验证，发展了多星系统星间链路组网协同技术及在轨验证，形成了北斗导航定位芯片的大规模产业化。这一系列重大创新和巨大成就，为2017年~2020年部署“北斗三号”卫星导航系统提供了强有力的技术保障。“北斗二号”卫星导航系统也由此荣获2017年度国家科学技术进步奖特等奖。
将于2020年建成的“北斗三号”全球卫星导航定位与授时系统，将提供全球覆盖、全天候、全时段、实时连续的高精度导航定位与授时服务，提供更优越的导航定位授时精度以及更高的完好性、连续性和可用性等技术性能。“北斗三号”卫星导航系统的成功建设，将见证中国全球卫星导航定位与授时系统从追赶到超越的历史步伐。
无论从哪个视角来看，全球卫星导航定位与授时系统都是一项极度考验国家综合实力、工业基础、技术底蕴、人才素质的超级工程，一路走来有太多困难、挑战需要攻克，只有伟大的国家和伟大的人民才能胜利地建成并驾驭它。
（作者系西安交通大学电子与信息工程学院宇航动力学国家重点实验室教授）
