斗转星移：中国卫星导航技术（六）：惊心动魄后的辉煌

中国自主卫星导航系统的建设于1994年正式立项，经过二十多年建设者们辛勤的努力和无私的付出，“北斗”系统作为中国自主卫星导航系统的“名片”跻身世界高科技成就之林，尤其是近些年，北斗导航系统“火山喷发式”的进步，让中国终于可以挺直腰板“叫板”美国的GPS了。北斗的诞生与进步，是中国现代科技强大实力的缩影，同时也是北斗精神的有力彰显。然而，在北斗诞生之前的时代，我们却只能依赖美国GPS系统提供的服务，自己的喉咙被他人攥在手中。回首北斗成功路上的披荆斩棘，一幅壮丽的画卷在我们眼前徐徐展开，其中既有学习也有赶超，既有苦难更有辉煌。

第六节 惊心动魄后的辉煌

至今，北斗三号系统已在2020年正式建成开通，其定位精度和质量已经可以与GPS相媲美，尤其是区域导航精度已超越了GPS。但是，在中国自助研发建设北斗这条道路上，有许多美丽的故事，比如在2007年4月14日这一天。

2007年4月14日，北斗二号的第一颗导航试验卫星准备发射升空。

这颗卫星是整个北斗二号系统的首颗规划卫星。在之前的2000年，中国向国际电信联盟争取到了当时可争取的最优的轨道位置和频率资源，而此前中国遭遇了从伽利略计划中被“踢出”，同时自主研发的北斗卫星正在与伽利略争抢这一频率。因此正值“赛跑”的紧要关头，这次发射也成为了这颗卫星就担负着争夺这一珍贵“太空国土”的决胜之机。

然而当时运载火箭已被搭上了发射塔架，就在发射前的第三次总检查之时，卫星上的应答机却忽然失灵。距离点火起飞只剩72小时。据北斗导航系统总设计师杨长风回忆:他们当时亲自爬上了发射塔架，拨开卫星，取出卫星应答机，从西昌赶到成都，从零开始连夜进行应答机的监测。当时他们只能乘汽车长途跋涉，一路车辆颠簸，他们就把机器抱在自己的怀中，就像保护着自己的孩子一样。检测调试的过程持续了数十小时，杨长风等人两三天没有合眼。

所幸的是，卫星最终于于2007年4月14日4时11分成功点火升空。在卫星传回信号的时候，杨长风等人在一个操场上设置了十几张桌子，桌子上放置信号接收器。当十台仪器同时接收到卫星信号的时候，大家的眼泪夺框而出。

2014年，北斗导航系统以崭新的面貌亮相联合国国际海事组织海上安全委员会，成为全球无线电导航系统光荣的一员。此举意味着世界海上卫星导航系统已经不再只是美国的GPS和俄罗斯的“格洛纳斯”的市场，中国的北斗导航系统将与其共同组建一场太空版的三足鼎立市场格局，至此，中国北斗跻身世界GNSS之列的梦想达成！

其实，谈及国产卫星导航系统，总有人觉得我们普通大众距离北斗非常遥不可及。但是让人意想不到的是，它们其实正在悄然无息之间渗透到我们的日常生活中，已经不仅仅只能作为一种为特定事物服务的工具。例如，曾经有专业人士在GNSS测试暗室中验证普通手机接受北斗信号的情况，最终收集到11颗卫星信号，而有10颗是北斗向外发播的信号，9颗卫星参与了导航！这时有人才恍然大悟。在不远的将来，随着北斗系统全球组网的成功，会有更多的更有助于人类文明进步的新技术将被研发和运用至各领域。

再者，北斗还加入了先进的伪卫星技术。伪卫星技术的先进性在于它可以实现室内外定位的无缝对接，又可以脱离北斗工作。伪卫星其实并不是一颗真正的卫星，而是由多个地面站组成的站网，主要用于在卫星数量较少或几何精度因子较差时对用户接收机接受到的信号进行补偿，使信号增强。其原理是，首先由一个主站接受来自北斗卫星的信息，然后将这一主站的信息发送给能够接受到它所发出信息的其他基准站，再由基准站将信号发送给用户接受机。在这一过程中，伪卫星会将计算结果与自己的精确位置相比较，得出一个针对存在误差的补偿值，然后将补偿值发送给用户，用来修正用户自己的定位结果，使误差减小，进一步提高定位精确度。因为测量和信号传输距离较短，其准确度是高于卫星信号的。

当然，有时候会存在这样的问题：因为基准站既接受来自北斗卫星的信号，又接收来自伪卫星的信号，这时如果用户距离基准站比较近，来自基准站的信号强度就会比较强，那么伪星的信号就会对北斗卫星的信号造成干扰，出现所谓的“远—近效应”误差，这样做就适得其反了。

所以，为了区分不同用户向他们传输不同的信号，一般情况而言有三种方案供我们选择：CDMA码分多址技术、FDMA频率偏值技术和TDMA时分多址技术。这几种技术的共同作用是解决一定范围内用户使用同一频段信号时可能发生的“交通堵塞现象”，但是，三种技术的原理可不相同。形象地说，TDMA类似于一种排队轮换的方法，就是对于同意频率的信号，给每个用户分配一段使用时间，待时间结束后，将频率分给下一个用户去使用。这样造成的结果是，要么用户同时间使用的不同频段的信号，要么同一频段信号在不同时间分给不同用户去使用，避免了“碰头”的尴尬。而CDMA技术却可以是同时同频的，解决的方法就是采用了正交扩频码，使得用户之间的信号失去关联性。

在北斗的伪卫星地基增强系统中，地面基准站发送的S波段导航信息其实为时分多址TDMA和码分多址CDMA的结合工作方式。因为在北斗之前，各地的地面基准站基本只为接受GPS信号而设立，近年随着北斗建设愈加完善，地面的基准站为了实现北斗信号的兼容，都在对基准站进行改造。现在基准站的测距码采用了CDMA方式，直接接受来自北斗卫星的B1频点码信号。而为了克服远-近效应带来的信号干扰问题，基准站和基准站之间发射TDMA信号。简单地说，就是每个基站的信号占用不同的时间发射信号。这样的工作模式即解决了大范围内稀少频段资源的分配问题和由远-近效应引起的信号干扰问题。伪卫星技术因此助力北斗实现了定位范围的扩大和定位精度的提升。

芯片从诞生的那一天起，就凭其独有的高科技稳居卖方市场第一把交椅，要不要卖、要卖给谁、要卖多少这些都由制造国说了算。近些年，中国航空航天和军事实力在日益增强，这是美国等芯片制造产业发达国家不愿意看到的，于是就“群起而攻之”，拒绝销售军品级、宇航级的芯片给中国，毋庸置疑，这是给中国军工和宇航事业的致命一击。为了走出买方市场、摆脱被动局面、强大国防力量，唯有自己搞芯片研发这一条途径可走，尽快实现在北斗系统用上“中国芯”。从2011年开始，国家投入大量人、财、物进行北斗芯片的国产化研制。科学从来都是理性的、严谨的，不是仅凭一腔热血就能成功的，宇航级芯片的研制尤为复杂，摆在科研工作者面前的一大难题就是如何对芯片进行复杂工艺的处理，使之在宇宙中也能穿上大气层一样厚厚的外衣，避免因裸露而受到高强度的辐射，从而在极端的恶劣环境中仍然能够正常工作。单就这项工艺而言，为了突破集成电路抗辐射加固技术这一难关，航天772所从1998年就开始探索制造宇航级芯片的加固技术。有道是“一分耕耘，一分收获”，2015年我国已实现北斗重要芯片全部国产化，并在当年发射的北斗双星上投入使用，取得圆满成功。

芯片的制造流程十分繁复，为了使设计的芯片规格满足要求，曾经设法将一些高频电路转换为低频电路加入，避免破坏性严重的倒翻转现象。772所历经21年的辛苦耕耘，已将这种技术思路发展建设成为可实际应用的芯片设计平台，这是772所科研人员的坚守的力量和负责任、解决问题的态度。基于此生产的芯片已出口到国外，中国宇航集成电路也开始向国际开启了出口的快车。

卫星芯片的国产化填补了众多科技领域的空白，也摘取了一个又一个的桂冠，而终端用户机芯片也不甘居人之后，其性能也在不断地研究开发，只是与GPS的终端机在体积和性能上都尚有差距，但是，兼容GPS的新北斗导航芯片已经完成了向市场化转型，其质量逐渐提高，性价比也可与GPS相匹敌。