在GPS之外，在軍用和民用領域給中國人提供另一套能在地球上找到自己位置的衛星系統，這正是北斗衛星導航系統誕生的意義。從今年開始，我們終於可以在全世界的任何一個角落用上北斗的服務了。
記者/王梓輝
2018年2月12日，四川西昌衛星發射中心，我國成功發射第二十八、二十九顆北斗導航衛星
把衛星連起來
2018年12月27日，北斗衛星導航系統新聞發言人、中國衛星導航系統管理辦公室主任冉承其正式向外界宣佈，“北斗三號”從當日起提供全球服務。從亞太到全球，比此前的計劃提早了兩年。
事實上，當2012年10月25日晚“長征三號丙”運載火箭成功將第16顆北斗導航衛星發射升空並送入預定轉移軌道時，“北斗二號”就在亞太地區形成了區域級的服務能力，這標誌著北斗系統“三步走”計劃中的第二步初步完成了。這是一個了不起的成就，而在上海，北斗三號衛星副總指揮沈苑的團隊已經瞄著後面的“第三步”默默努力了3年多。
所謂北斗“三步走”計劃，即：2000年底，建成北斗一號系統，向中國提供服務；2012年底，建成北斗二號系統，向亞太地區提供服務；2020年前後，建成北斗三號系統，向全球提供服務。作為中國著眼於國家安全和經濟社會發展需要獨立研發的衛星導航系統，這是自上世紀90年代北斗立項開始逐步形成的整體戰略。
“從‘北斗二號’到‘北斗三號’，這中間肯定有一些瓶頸。”沈苑對本刊說，“我們的任務就是把那些可能制約北斗走向全球的技術問題解決掉。”在此前的十幾年間，沈苑所在的中國科學院微小衛星創新研究院並未參與到北斗一、二系統的研發工作中，主要負責相關工作的是中國航天科技集團下屬的中國空間技術研究院。直到2009年，沈苑他們接到了上級的指示，正式開始承擔一些關鍵技術的攻關任務，而核心任務顯然只有一個——將北斗的服務範圍拓展至全球。
從亞太到全球，不是簡單的多發幾顆衛星上天就能辦到。“因為北斗的衛星不是說你打上去就萬事大吉了。”沈苑向本刊解釋說，北斗的衛星要播發高精度的信號，就必須讓衛星本身的位置非常準，這還是需要地面基站時時幫衛星糾偏，“就像地面有一根繩子，當衛星跑遠了能給它拉回來”。而這就是整個北斗系統提供全球服務時要解決的首要問題：當衛星轉到境外後，怎麼對衛星進行運行上的管理？
此時，距離北斗系統立項已有十幾年，而美國的GPS全面建成也已15年，但北斗卻因為一些原因無法複製GPS走過的路。GPS給出的解法是在全球多個地區建立自己的地面站，比如其1個主控站加4個注入站分別位於其本土的科羅拉多及南太平洋、大西洋和印度洋的3個島嶼上，通過這些分佈在全球不同區域的地面站，GPS的衛星不管轉到地球上方的哪個位置，都能獲得地面的定位幫助。而因為一些眾所周知的原因，北斗沒辦法在海外建這麼多的地面站。
他們想出來的辦法是，通過讓衛星之間能相互聯繫，從而幫助衛星在太空中定位。“這項技術叫‘Ka星間鏈路’。”“北斗三號”衛星副總設計師龔文斌向本刊解釋道。簡單來說，星間鏈路就好比在各個衛星之間搭建起了一條通信網絡，這就意味著，位於中國境內的地面站只要對某一顆北斗衛星下了指令，那麼這一指令就能夠在衛星之間接連不斷地傳遞下去，所有的衛星都能夠按照這一指令運行，從而使得整個星座的運行能夠保持準確無誤。
中國衛星導航定位協會副會長張全德（王旭華 攝）
龔文斌現在還記得，他在北京做測試那天撿起了一片銀杏葉，後來他把這片黃色的落葉夾在書裡，這個細節能讓他回憶起那大概是2013年的12月。在此之前，他在實驗室裡度過了兩年折騰技術細節的日子，“比如要做各種破壞性實驗，看它是不是能扛得住太空的惡劣環境”。終於，到了測試成果的日子，就在北京西北五環外的航天城裡，他們把兩臺星間鏈路的設備放到了被隔開的兩個房間裡，一臺設備發出來的信號通過中間的天線中轉了一下，順利地被另一臺設備接收到了，這意味著星間鏈路技術得到了驗證。
但這個設備在軌運行時還能不能可靠運行，很多人心裡還是沒底。“我們造出來這個東西在地面是可以，在天上行不行？”龔文斌在當時被這個問題所困擾。他想在第一顆試驗衛星上搭載星間鏈路產品，但有人覺得這太激進了。“他們覺得這個東西在地面還沒驗證充分呢，但是我們自己在2013年摸了底之後，我們就已經有信心了，所以那時候我們就在各種場合提出來，我們要上這個東西，我們要第一個上，一定要把這個技術突破，因為從各方面論證來說，這項技術對提升‘北斗三號’的性能太重要了。”
2015年3月30日，北斗三號系統的第一顆衛星發射升空，經過各種在軌調試，4月25日當天，龔文斌和他的團隊在位於西安的地面站焦急地等待著3.6萬公里以外的那顆衛星和地面聯通的結果。那一週，西安一直在下雨，位於郊區農田裡的地面站都是泥，走起來深一腳淺一腳。從下午三四點開始調試，到晚上八九點鐘，那顆衛星離出境只有二三十分鐘的時間了，“它轉出去就得等下一次機會了”。就在這時，兩者的時間終於調到完全一樣，然後一下就收到了對方發來的信號。“那時候真的最幸福，因為這說明我們做的東西靠譜了，後面大家都按這個來做就行了。”
如何更精準？
範圍更廣了之後，“北斗三號”還需要提供更精準的服務。作為導航衛星的“心臟”之一，高性能的星載原子鐘對導航精度起到重要作用。此前，北斗二號系統使用的是銣原子鐘，但在“北斗三號”，團隊想要用上更精準的氫原子鐘。
作為一種精密的計時器具，氫原子鐘的精度到底有多高呢？“機械錶一天差不多有1秒誤差，石英錶一天大概有0.1秒誤差，而氫原子鐘數百萬年才有1秒誤差。”星載氫原子鐘項目負責人帥濤曾在接受媒體採訪時如此表示。相比之前使用的銣原子鐘，氫原子鐘的能力要高一個數量級。
因為氫原子鐘對工作環境的要求也比較嚴格，“它就跟人一樣，溫度高了就跳得快，溫度低了就跳得慢，你必須給它恆溫的環境，讓它跳得非常平穩”。具體來說，氫原子鐘工作15個小時，周圍的溫度不能變化一度。為此，龔文斌和他的團隊為氫原子鐘搭建了一個極為穩定的環境。“我們實際做到15個小時，變化只有0.1度，也就是讓它在恆溫情況下工作。”有了更精準的星載原子鐘，“北斗三號”的定位精度實際可達到1至3米，較“北斗二號”提升了1至3倍。
所有這些困擾“北斗三號”的技術難題被解決了之後，中科院北斗衛星團隊迎來了緊張的生產流程，他們需要在短短一年多的時間內發射8顆衛星。“北斗三號”衛星副主任設計師孫小雷告訴本刊，一顆“北斗三號”衛星大約有2立方米那麼大，大概需要85套單機配件組裝在一起，一邊組裝這些單機，他們要一邊進行測試，完成這些流程至少要半年。
“整個2017年和2018年，我們的工作壓力特別大。”孫小雷對本刊回憶道，“最多的時候，我們一個廠房同時放了6顆衛星，人員安排上隨時都有衝突的時刻，這段時間相當於都是靠我們加班加點扛過來的。”
從2017年下半年開始，北斗三號系統在一年多的時間內先後發射了19顆衛星，完成了基本的系統佈局。終於在2018年12月27日，“北斗三號”開始提供全球服務。就在那天，位於突尼斯埃爾賈扎拉科技園的“中阿北斗/GNSS中心”內，來自中國的工作人員第一次在突尼斯成功接收到了7顆北斗衛星的信號，這代表著位於非洲的突尼斯用戶已經可以享受到來自北斗系統的精準定位導航服務了。
2018年12月參加了北斗三號系統總結會的中國衛星導航定位協會副會長兼秘書長張全德對本刊表示：“‘北斗三號’和‘北斗二號’一樣都用了將近10年時間來建設，十年磨一劍，它標誌著北斗系統真正進入了全球服務的時代。”
“北斗三號系統開始提供服務之後，其實就應用端的感受來講，我覺得比較明顯的就是它的體驗會比以前好很多。”千尋位置CEO陳金培對本刊如此說道。作為一家基於北斗信號進行高精度定位服務的公司，陳金培對本刊分析稱，本來北斗就只有十幾顆服務的衛星，北斗三號系統這次又發佈了19顆，所以就有三十幾顆衛星了，在同一個地方能收到的衛星信號的數量就增加了。“從千尋位置的服務角度來講，我們能夠計算的數據也就增加了，而且因為都是自己的系統，北斗二號和三號的兼容性也很好，所以最終定位與導航的穩定性和體驗也會提升。”
核心業務為高精度地圖和高精度定位的四維圖新公司高精度定位部門負責人汪巖則告訴本刊，依託北斗三號系統的開放，四維圖新高精度定位終端系統的精度已經達到釐米級，這對於自動駕駛汽車的定位精度有極大的提升，能夠幫助他們的這項業務向前邁一大步。
但在業內人士看來，“北斗三號”的更大意義仍在於國防安全的部分。眾所周知，北斗項目設立的主要目的就是保障我國的國防戰略安全，但在“北斗三號”之前，因為只能在亞太地區提供服務，我國的飛機和軍艦如果開出了亞太範圍，就不得不切換成GPS。張全德就認為：“以前在亞太地區以外沒有北斗，我們就受制於人；現在我們自己有了，毫無疑問能讓我國的國家安全大大加強。”
把北斗用起來
“就目前來看，北斗三號系統的技術難關應該都攻克了。”龔文斌對本刊說道。接下來，他們的任務就是在2020年完成30顆衛星的發射組網，全面建成北斗三號系統。而如何讓北斗系統的價值被充分利用起來，達成“發展北斗產業，服務經濟社會發展和民生改善”的目標，又成了這些業內人士憂心的問題。
張全德向本刊透露了一組數字：“目前全球衛星導航系統的應用產值約有50%以上來自於應用服務收入，但是北斗的應用服務收入還不到30%，這跟GPS和Glonass（俄羅斯開發的全球衛星導航系統）相比還是有差距的。”
手裡拿著一隻大號“手機”，衛星導航定位企業“合眾思壯”的移動互聯產品經理甘喜悅試圖向我展示北斗的存在。在此之前，儘管早有耳聞，但和大多數普通人一樣，我對北斗的認知還只停留在“它是我國自主研發的衛星導航系統”這個概念的字面意思上。
“這個機器叫‘北斗智能終端’。”甘喜悅對我說道。目前，我們只有在這樣的專業化工具上才能真切地發現北斗的存在。與普通手機一樣，“北斗智能終端”的正面是一塊6英寸視網膜屏幕，甚至連繫統也是基於安卓系統開發的。而它有別於普通手機最重要的地方只有一個，那就是它內部裝的那枚集成了北斗系統的專業GNSS（Global Navigation Satellite System，全球導航衛星系統）芯片。
主屏幕看起來與一般的手機毫無二致，甘喜悅點開“設置”菜單，進入“位置信息”功能，我見到了一個在其他普通手機裡不容易看到的選項——衛星定位模式。再點進去，彈出來幾個不同的排列組合，其中的主角有三個，分別是GPS、Glonass以及北斗。
甘喜悅選擇了“GPS+北斗”的選項，又打開了另一個顯示地理位置信息的專業APP，這時，我看到我和甘喜悅正站在北緯39°、東經116°的地理座標上。兩個經緯度數字顯示到了小數點後8位，原因是這個地理位置的精度在0.87米。如果你理解不了這個數字的意義，你需要了解另一個事實，即一般手機的定位精度只能達到10米左右。
“我們這個設備用的模塊和天線都是專業級的。”甘喜悅炫耀似的向我介紹說，“專業級的意思就是：第一，它能接收到的衛星數量更多；第二，每一顆衛星的信號質量也好得多。”我往屏幕下方一看，發現這個設備能收到的衛星數量是31顆，而參與定位計算的數量是24顆；仔細一數，GPS 12顆，北斗12顆，正好平分秋色。中西兩大衛星導航系統合力，這臺設備輕鬆實現了1米以內的精準定位。
“它其實就是一個我們已經在使用中的衛星導航系統，”甘喜悅對我總結道，“只不過我們大部分人都感覺不到它的存在。”實際上，小米、華為、VIVO等大部分國產智能手機內早就集成了北斗系統。在定位的時候，系統會根據算法的設計自動選擇最優組合方案。“這是一個1+1>2的效果。”
但企業在商業上的顧慮卻從某種程度上降低了公眾對北斗的認知度。以我手中的OPPO手機為例，儘管它在說明書中註明了“同時支持GPS、Glonass和北斗”，但在手機的系統設置裡，仍只以“GPS”代指所有的定位服務，全無“北斗”的字樣。而甘喜悅手中的“北斗智能終端”主要服務於它特定的行業用戶，脫離了導航定位相關專業後，普通人很難感知到北斗的實際存在。
對概念的重視與應用上的輕忽形成了巨大反差，這讓做了30多年測量測繪工作的張全德在退休後加入了普及北斗的工作。除了戰略上的重要性之外，他格外強調了北斗背後巨大的經濟利益。“以前美國一些企業做的GPS相關設備賣得多貴啊，要20多萬美元，就這一家，別無分店，你買不買？現在只要幾萬塊人民幣了。”
“北斗在天上轉，國家每天要花很多錢來維持這個系統，還有很多科研人員每天要去維護它的運作，如果不用它就體現不出它的社會效應。”張全德說道。事實上，衛星導航技術的應用與各行各業的數字化有著極為密切的聯繫。張全德拿燃氣行業給我舉了例子。他說，燃氣管道在設計修建時，可以利用北斗進行精確定位和記錄，尤其是每個焊接點的位置，那裡是最容易出現問題的，而工作人員在巡線的過程中就可以持有帶北斗定位功能的儀器，便於做巡線的記錄和檢查。
陳金培則認為，從汽車到無人機再到智能手錶，北斗最大的機會其實在於讓更多的智能終端可以集成它精準的定位能力。“比如智能駕駛是一波很大的技術浪潮，全球可能有幾十億輛汽車，而目前5到10米的定位精度是遠遠不能滿足汽車的定位需求的，未來這些智能終端的數量將會是數以百億甚至千億級的。”
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