作者：張爽娜（中國航天科技集團五院研究員）
打開手機，地圖App上的光標(biāo)精準(zhǔn)標(biāo)識出你的位置；點外賣，屏幕上的移動軌跡顯示外賣小哥與你的距離；按下開始，無人播種機在金黃的麥田里劃出筆直線條……從田間耕耘到都市交通，從指尖便利到智能作業(yè)，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)用精準(zhǔn)時空為現(xiàn)代生活提供了無限可能。
不久前，中國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)管理辦公室發(fā)布一則消息：為提供更加優(yōu)質(zhì)服務(wù)，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)將于近期實施在軌升級，對部分衛(wèi)星的工作狀態(tài)進行優(yōu)化調(diào)整。為何這套系統(tǒng)需要持續(xù)“進化”？它究竟如何從數(shù)萬公里的高空，精確地參與每一次出發(fā)與抵達？它又如何成為支撐數(shù)字中國運行的基石？
配有北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的共享單車。新華社發(fā)
衛(wèi)星怎么知道你在哪兒
“如果在陌生的地方迷了路，怎么辦？”對于這個問題，今天的人們給出的答案可能會驚人的一致：用手機導(dǎo)航??！的確，大家已經(jīng)習(xí)慣了用手機解決“我在哪，我要去哪，我怎么去”的問題。而手機導(dǎo)航依靠的正是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。
其實，無論是GPS，還是北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)解決的只是獲得位置，即“我在哪兒”的問題，人們經(jīng)常使用的路線規(guī)劃和導(dǎo)航功能則是依靠地圖類App來實現(xiàn)的。
這是怎么做到的呢？首先，要搞清楚衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是如何誕生的。1957年10月，世界上第一顆人造地球衛(wèi)星——斯普特尼克一號成功發(fā)射，開啟了空間探索時代。之后科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，通過接收斯普特尼克一號發(fā)射的信號，可以測量衛(wèi)星信號的多普勒頻移，從而確定衛(wèi)星軌道。于是，有科學(xué)家提出，如果已知衛(wèi)星軌道，那么測量多普勒頻移的接收機是不是可以反過來推算自己的位置呢？基于這一思想，第一個衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)——子午儀系統(tǒng)誕生了，開啟了衛(wèi)星導(dǎo)航時代。
但子午儀系統(tǒng)衛(wèi)星數(shù)量少，不能實現(xiàn)連續(xù)、實時定位，只能用于船舶等慢速載體。1995年，全球第一個真正意義上的全球性、全天候、連續(xù)、實時的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)——GPS正式運行，從根本上解決了實時定位的問題。
既然GPS可以用，為什么還要花這么多錢建設(shè)北斗？這是因為，在金融、通信、能源等領(lǐng)域，精準(zhǔn)的時間和位置是保障國家重要設(shè)施安全的基礎(chǔ)。如果沒有自主可控的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，國家重要設(shè)施的時間和位置保障只能依賴GPS或其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，存在巨大安全隱患。如同登山的保險繩不能掌握在別人手中一樣，建設(shè)北斗的必要性不言而喻。
與GPS不同，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的服務(wù)種類更加豐富，它創(chuàng)新融合了導(dǎo)航與通信能力，具備全球定位導(dǎo)航授時、星基增強、精密單點定位、全球短報文通信、區(qū)域短報文通信、地基增強和國際搜救7種服務(wù)能力，而GPS僅提供全球定位導(dǎo)航授時服務(wù)。其次，北斗三號全球星座是由地球靜止軌道、傾斜地球同步軌道、中圓地球軌道三種軌道衛(wèi)星組成的混合星座，而GPS僅有中圓地球軌道衛(wèi)星。
誠然，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在發(fā)展過程中也存在一些劣勢。GPS發(fā)展較早、應(yīng)用廣泛，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的服務(wù)經(jīng)驗尚不夠豐富，服務(wù)水平存在提升空間，此外，GPS的“先發(fā)制人”也讓北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在推廣應(yīng)用過程中面臨較大困難。但隨著服務(wù)的不斷進步與提升，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用產(chǎn)業(yè)正在不斷壯大。
搭載北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的插秧機。新華社發(fā)
從“雙星定位”到“全球服務(wù)”
北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)共經(jīng)歷了三個階段。從1994年北斗一號系統(tǒng)工程正式立項，到2000年北斗一號系統(tǒng)正式建成并投入使用，只用兩顆衛(wèi)星，就具備定位、授時、報文通信與位置報告能力，讓我國成為世界上第三個擁有衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的國家。
雖然北斗一號僅服務(wù)中國地區(qū)，并且需要終端主動給衛(wèi)星發(fā)射信號并且接收衛(wèi)星信號才能定位，但它巧妙地設(shè)計了雙向短報文通信功能，與GPS只能知道“我在哪里”不同，北斗一號不僅可以讓用戶知道“我在哪里”，還能讓別人知道這個用戶在哪里，這種通導(dǎo)一體化的設(shè)計，是北斗系統(tǒng)的獨創(chuàng)。
1998年，在北斗一號即將建成之際，我國啟動了北斗二號的論證。由于當(dāng)時國內(nèi)經(jīng)濟基礎(chǔ)薄弱，航天技術(shù)水平相對較低；受國土限制和其他因素影響，發(fā)射中圓地球軌道衛(wèi)星完成全球組網(wǎng)需要在海外建站。于是，北斗二號提出先建設(shè)區(qū)域系統(tǒng)，保障中國及亞太區(qū)域?qū)Ш剑瑮l件成熟后再建設(shè)全球系統(tǒng)的發(fā)展思路。
2020年7月31日，北斗三號全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正式開通，面向全球用戶提供全天候、全天時、高精度、高可靠的定位、導(dǎo)航、授時服務(wù)。從北斗一號的雙星定位，到北斗二號的混合星座設(shè)計，再到北斗三號的星間鏈路創(chuàng)新設(shè)計，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)走出了一條具有中國特色、充滿中國智慧的發(fā)展之路。
值得注意的是，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)可不僅僅是天上的北斗衛(wèi)星星座（亦稱為空間段），還包括地面運行控制系統(tǒng)（亦稱為地面段）和手機、電話手表等導(dǎo)航終端（亦稱為用戶段）。其中，由監(jiān)測站、主控站、注入站組成的地面段負(fù)責(zé)計算衛(wèi)星需要播發(fā)的參數(shù)信息以及生成衛(wèi)星控制指令，并發(fā)送給衛(wèi)星，空間段的衛(wèi)星負(fù)責(zé)發(fā)送導(dǎo)航信號，用戶段的終端則負(fù)責(zé)接收導(dǎo)航信號以解算自身位置，三者協(xié)同工作，缺一不可。
對用戶而言，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)送的導(dǎo)航信號中，最重要的內(nèi)容是導(dǎo)航電文。這是一連串不停重復(fù)的基本信息：“我是第N號衛(wèi)星”“這里現(xiàn)在是何時間”“我當(dāng)前的坐標(biāo)”“我的衛(wèi)星‘朋友們’當(dāng)前的大概坐標(biāo)”……用戶終端接收到導(dǎo)航電文后，根據(jù)測距碼計算出與衛(wèi)星之間的距離，從而計算得到“我在哪兒”。
此外，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的信號經(jīng)過精心的信號體制設(shè)計，具備優(yōu)異的信號質(zhì)量和性能，確保了高質(zhì)量測量和信息傳輸，同時設(shè)計了多種信息傳輸通道，讓用戶可以根據(jù)自己的服務(wù)需求選擇使用不同的信號。
我國北斗三號全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)最后一顆組網(wǎng)衛(wèi)星在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心點火升空。新華社發(fā)
“北斗+”“+北斗”
如今，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已在130余個國家落地使用，其應(yīng)用范圍遠超地圖導(dǎo)航的范疇。智慧城市管理、電網(wǎng)同步運行、金融交易精準(zhǔn)時間戳等都時刻離不開北斗系統(tǒng)提供的時空信息。它已成為與水、電、網(wǎng)絡(luò)同等重要的新型基礎(chǔ)設(shè)施，廣泛進入大眾消費、共享經(jīng)濟等民生領(lǐng)域，全面應(yīng)用于交通運輸、公共安全、救災(zāi)減災(zāi)、農(nóng)林牧漁等場景，以“北斗+”和“+北斗”的模式，打造日漸完備的“北斗生態(tài)”。
目前，大多數(shù)支持導(dǎo)航的電子設(shè)備中，都采用全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)兼容芯片，既可以接收北斗系統(tǒng)信號，也可以接收GPS等其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)信號。
例如，電話手表的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)兼容芯片確定位置后，可將結(jié)果通過手機通信基站（如5G基站）發(fā)送至綁定的手機，從而實現(xiàn)對佩戴者的遠程定位；共享單車可通過北斗芯片獲得實時位置，在停車過程中與電子圍欄（共享單車管理方在地圖上標(biāo)注的可停車區(qū)域）進行對比，使騎行者僅能在劃定區(qū)域內(nèi)鎖車，從而有效規(guī)范共享單車使用行為；基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的無人駕駛農(nóng)機，可以實現(xiàn)厘米級的精準(zhǔn)播種、施肥和收割，極大提升效率和資源利用率……外賣騎手智能調(diào)度、無人機快遞精準(zhǔn)投送、高鐵的安全準(zhǔn)時等，背后都有北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的功勞。
北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的“獨家秘笈”——北斗短報文也得到了廣泛應(yīng)用。2008年汶川地震后，災(zāi)區(qū)救援部隊利用北斗短報文，在斷網(wǎng)、斷電的極端情況下，發(fā)回第一條災(zāi)情信息，不僅讓指揮部實時掌握了救援隊伍的位置與行進軌跡，更搭建起災(zāi)區(qū)與外界的通信橋梁。此外，我國飛機在飛行過程中，可用北斗衛(wèi)星獲取位置，通過北斗短報文將位置回傳空中管理部門，以此實現(xiàn)對飛機的追蹤監(jiān)視，這也是北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)獨具特色的一種用法。
現(xiàn)在，回答開頭的問題，在眾多行業(yè)中大展身手的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，為什么要進行在軌升級呢？答案是，北斗衛(wèi)星的設(shè)計壽命通常為10~12年，當(dāng)前在軌運行的北斗衛(wèi)星既包含北斗二號又包含北斗三號衛(wèi)星，其中部分衛(wèi)星已超過了設(shè)計壽命。為了保障北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量，優(yōu)化升級是必然選擇。與手機通過軟件升級更新系統(tǒng)類似，北斗衛(wèi)星可以通過地面段向在軌衛(wèi)星上注軟件，從而完成北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)能力的升級。
同時，為確保始終提供高質(zhì)量的定位導(dǎo)航服務(wù)，北斗系統(tǒng)的空間段、地面段、用戶段都需要不斷進行技術(shù)創(chuàng)新與升級。
北斗未來依可期！
《光明日報》（2026年05月28日 16版）
