2020年度科技人物
楊長風：北斗系統讓中國時空信息掌握在自己手中
《中國新聞周刊》記者/李明子
發于2020.12.14總第976期《中國新聞周刊》
當外賣小哥穿越城市車流將食物從餐廳送到你的手上時，他的行動軌跡會完整地記錄在外賣軟件的地圖上。“800米，600米，50米”，看著目標越來越近，似乎能消解等待食物的焦慮。
現代生活對各種位置信息的需求遠遠超出了人們的想象，智能終端內置定位芯片無時無刻不在接收太空中導航衛星發出的服務信號。而現在，在全球范圍內的任意區域、任意時刻都可以同時觀測到8顆以上的中國北斗導航衛星。
“高精度定位是北斗系統的一大特色。”北斗衛星導航系統工程總設計師楊長風介紹說，目前公布的全球范圍定位精度是優于10米，實測的定位精度2~3米。配合更強大的地基增強系統，可以提供毫米級、厘米級服務，廣泛服務無橋梁形變監測、地質災害監測預警等。
今年7月31日，北斗三號全球衛星導航系統正式開通，距離北斗一號工程立項已經過去了26年。在具有戰略意義的領域，被其他國家實施技術封鎖，就會面臨“卡脖子”的困境，北斗系統始終堅持自主創新，關鍵技術一定要掌握在自己手中。北斗系統攻克了星間鏈路、高精度星載原子鐘等160余項關鍵核心技術，突破500余種器部件國產化研制，實現北斗三號衛星核心器部件百分百國產化。
“作為國家重要的空間基礎設施，北斗系統的研制與建成，對我國時空信息安全具有重要意義。”楊長風對《中國新聞周刊》分析說，“掌握了時間和空間，就控制了一個國家最重要的基礎信息。衛星導航系統是當今最重要的定位導航授時手段，是信息化社會的重要基礎，關系到國家安全和個人隱私，一定要把握在自己手中，是絕對不能受制于人的。”
擺脫牽制
2014年10月，56歲的楊長風從85歲的孫家棟院士手里接過北斗衛星導航系統工程總設計師的擔子。當時，他作為系統的副總設計師，全程參與了從北斗一號、北斗二號到北斗三號，共三代北斗衛星導航系統的論證設計、工程建設和組織管理工作。但在接任北斗系統工程總設計師后，楊長風仍“備感壓力”，頭發也在這幾年白了許多。當時，我國已經建成北斗二號區域系統，正在向北斗全球系統過渡，全球系統的新體制、新技術、新信號都需要進行試驗驗證。
“說白了，就是整個系統的進度壓力。”楊長風介紹說，按計劃，北斗三號系統到2018年要完成18顆北斗三號衛星組網，全面覆蓋“一帶一路”國家；到2020年，要完成30顆衛星發射組網，并向全球用戶提供服務。
北斗系統始終堅持核心器部件百分之百國產化、持續提升關鍵單機可靠性、衛星工作壽命達到10~12年之久。要實現這一系列目標，就要在衛星升空之前，在地面做大量試驗驗證，以證明其能夠提供連續穩定的服務，這些工作都需要大量時間。
楊長風不是一個人在戰斗。實際上，在過去的26年里，正是由一代又一代的北斗人接續努力，才能讓今天的北斗三號系統站在世界舞臺上與其他先進的全球衛星導航系統同臺競技。時間回到1994年，美國的全球定位系統(GPS)已經建成，俄羅斯的“格洛納斯”將于一年后完成24顆導航衛星星座的組網，兩者均耗資數百億美元，中國當時還不具備這樣的實力。
早在1983年，為謀劃中國自己的衛星導航系統，“兩彈一星功勛獎章”獲得者、中國科學院院士陳芳允就提出了“雙星定位”設想。所謂“雙星定位”，即利用兩顆地球靜止軌道衛星與地面系統配合實現區域定位。而美國GPS采用的是4星定位法，求解空間坐標(X、Y、Z)和時間坐標這4個未知量，需要4個方程，因此需要4顆衛星的信號才能進行定位。相比之下，“雙星定位”可以用較少的費用、在短時間內建成一個區域系統。為驗證這一設想，陳芳允院士團隊在1989年做了一次成功試驗，精度遠遠超過預期。
衛星導航系統的重要性在1990年海灣戰爭中得到了體現。當時還在建設中的美國GPS首次被運用到實戰，顯著提高了武器制導精度和打擊效果，美國甚至在海灣戰爭總結報告中將獲勝歸結為“GPS的勝利”。
另據中共上海市委黨校副教授時青昊撰文回顧，1993年7月，中國“銀河號”貨輪行駛至印度洋時，該船所在海域的GPS服務系統被故意關閉，導致船只被迫在公海停滯三周，這件事促使國內專家聯名“上書”，建議啟動中國衛星導航系統工程。
1994年，北斗一號系統工程正式立項。中國的北斗衛星導航系統按照“三步走”戰略建設。第一步，2000年建成北斗一號系統(北斗衛星導航試驗系統)并投入使用，為中國用戶提供服務；第二步，2012年建成北斗二號系統，為亞太地區用戶提供服務；第三步，2020年建成北斗三號系統，為全球用戶提供服務。
“北斗一號系統解決了我國衛星導航系統有無的問題。”楊長風曾這樣總結。2000年，兩顆北斗導航試驗衛星先后成功發射并組成北斗一號系統，中國成為繼美國、俄羅斯之后第三個擁有自主衛星導航系統的國家。
打個漂亮的翻身仗
然而，彼時地球上空80%的“黃金導航頻段L頻段”絕大部分已經被美國和俄羅斯占據。2000年4月17日，中國向國際電信聯盟提出頻段申請，同年6月5日，歐盟伽利略衛星導航系統也提出了申請。國際電信聯盟批準了一小段頻率供各國平等競爭，使用規則是從申請日期開始計算，7年內完成衛星發射入軌和信號接收，“先用先得”，“逾期作廢”。
伽利略系統早中國北斗二號系統兩年啟動，并于2005年12月發射了首顆試驗衛星，留給中國的時間越來越緊迫。
同時，北斗二號系統還要解決另一個難題。本打算從歐洲引進核心器部件星載原子鐘，然而國際合作道路卻屢屢受限。這也堅定了北斗人堅持核心技術自主可控的決心，我國組織了3家單位同時著手攻關，終于攻克這項關鍵技術！讓中國星上搭載了“中國鐘”。
星載原子鐘就如同一塊“手表”，為衛星導航用戶提供精確的時間信息服務，高精度的時間基準技術是衛星導航系統最核心的技術，直接決定著系統精度，對整個工程成敗起著決定性作用，其重要性如同人的心臟。
楊長風說，星載原子鐘的精度通俗指標是十萬年差一秒，而北斗三號衛星搭載的星載原子鐘精度達到了三百萬年差一秒。
2007年4月14日，全部測試通過準備得當的北斗二號系統首顆衛星成功發射。4月16日晚，在距離頻率失效只有不到4小時的最后關頭，地面收到了這顆衛星發出的信號并得到了國際電聯的官方認定，保住了中國持續發展北斗系統的合法空間位置和頻率資源。
“北斗三號系統最大的挑戰則是實現星間鏈路。”楊長風介紹說。國防科技大學、中國科學院、中國空間技術研究院分別組織隊伍攻關。2015年3月，由中科院微小衛星創新研究院研制搭載星間鏈路的衛星發射成功，同年8月，由中國空間技術研究院研制的兩顆北斗三號試驗衛星成功在軌建立星間鏈路。
星間鏈路是北斗全球組網建設的關鍵。“同時，星間鏈路也提高了定位精度。”楊長風對《中國新聞周刊》說。
推動北斗應用
2020年6月23日上午，北斗三號最后一顆組網衛星在西昌衛星發射中心成功升空。至此，北斗三號系統全球星座部署圓滿完成。
北斗三號系統的30顆衛星包括24顆中圓地球軌道衛星、3顆傾斜地球同步軌道衛星和3顆地球靜止軌道衛星。
與北斗二號相比，北斗三號系統的服務性能進一步提升。在全球范圍內，北斗三號衛星分布更為均勻，全球任意區域任意時刻可見衛星8顆以上，且星座可用性達到100%。北斗三號系統在提供基本定位導航授時服務的基礎上，還提供了國際搜救、星基增強、精密單點定位、地基增強、區域大容量短報文、全球短報文等特色服務。
“北斗系統的短報文服務是國外其他任何一個全球衛星導航系統都不具備的。”楊長風介紹說，特別是在災區通訊中斷、電力中斷的緊急情況下，可以使用衛星信號傳輸信息，實現通信和定位。
2008年汶川地震，打開災區人民第一條生命通道的救援部隊就利用北斗短報文突破了通信盲點，向外界通報了災情，供指揮部及時作出決策。
北斗系統的產業發展也實現了翻天覆地的變化。據了解，2020年上半年申請入網支持北斗定位的智能手機達到80%，中國北斗終端社會持有量從2012年的23萬余臺/套猛增到2019年的超過7億臺/套。
2019年中國衛星導航與位置服務產業總體產值達3450億元，北斗相關產品已經出口120余個國家和地區，向億級以上用戶提供服務。隨著“北斗＋”和“＋北斗”應用的深入推進，北斗系統綜合效益將更加顯著。
“建好北斗系統是我們的初心使命，用好北斗系統則是我們的不懈追求。”這也是楊長風一直以來積極推動的工作。“北斗系統作為全球最先進的全球衛星導航系統，它的應用只受人類想象力的限制。”楊長風舉例介紹，目前我國基于北斗系統建成了世界上最大的車聯網平臺，已有近700萬輛的道路營運車輛安裝了北斗終端。平臺服務以來，中國道路運輸特重大事故發生起數和死亡失蹤人數下降50%以上。
2020年11月底，在由廣東省人民政府、國家發展和改革委員會、科學技術部、工業和信息化部共同主辦的2020年世界5G大會上，楊長風在主旨演講中表示，“通過北斗和5G相互賦能，將有效突破單一系統的局限性，實現室內外無縫高精度定位，將高精度服務從室外擴展到室內、地下室等遮蔽空間”，“未來高精度位置信息會像水、電和互聯網一樣深入服務公眾生活。”
《中國新聞周刊》2020年第46期
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