“北斗三号”，初试全球化
在GPS之外，在军用和民用领域给中国人提供另一套能在地球上找到自己位置的卫星系统，这正是北斗卫星导航系统诞生的意义。从今年开始，我们终于可以在全世界的任何一个角落用上北斗的服务了。
记者/王梓辉
2018年2月12日，四川西昌卫星发射中心，我国成功发射第二十八、二十九颗北斗导航卫星
把卫星连起来
2018年12月27日，北斗卫星导航系统新闻发言人、中国卫星导航系统管理办公室主任冉承其正式向外界宣布，“北斗三号”从当日起提供全球服务。从亚太到全球，比此前的计划提早了两年。
事实上，当2012年10月25日晚“长征三号丙”运载火箭成功将第16颗北斗导航卫星发射升空并送入预定转移轨道时，“北斗二号”就在亚太地区形成了区域级的服务能力，这标志着北斗系统“三步走”计划中的第二步初步完成了。这是一个了不起的成就，而在上海，北斗三号卫星副总指挥沈苑的团队已经瞄着后面的“第三步”默默努力了3年多。
所谓北斗“三步走”计划，即：2000年底，建成北斗一号系统，向中国提供服务；2012年底，建成北斗二号系统，向亚太地区提供服务；2020年前后，建成北斗三号系统，向全球提供服务。作为中国着眼于国家安全和经济社会发展需要独立研发的卫星导航系统，这是自上世纪90年代北斗立项开始逐步形成的整体战略。
“从‘北斗二号’到‘北斗三号’，这中间肯定有一些瓶颈。”沈苑对本刊说，“我们的任务就是把那些可能制约北斗走向全球的技术问题解决掉。”在此前的十几年间，沈苑所在的中国科学院微小卫星创新研究院并未参与到北斗一、二系统的研发工作中，主要负责相关工作的是中国航天科技集团下属的中国空间技术研究院。直到2009年，沈苑他们接到了上级的指示，正式开始承担一些关键技术的攻关任务，而核心任务显然只有一个——将北斗的服务范围拓展至全球。
从亚太到全球，不是简单的多发几颗卫星上天就能办到。“因为北斗的卫星不是说你打上去就万事大吉了。”沈苑向本刊解释说，北斗的卫星要播发高精度的信号，就必须让卫星本身的位置非常准，这还是需要地面基站时时帮卫星纠偏，“就像地面有一根绳子，当卫星跑远了能给它拉回来”。而这就是整个北斗系统提供全球服务时要解决的首要问题：当卫星转到境外后，怎么对卫星进行运行上的管理？
此时，距离北斗系统立项已有十几年，而美国的GPS全面建成也已15年，但北斗却因为一些原因无法复制GPS走过的路。GPS给出的解法是在全球多个地区建立自己的地面站，比如其1个主控站加4个注入站分别位于其本土的科罗拉多及南太平洋、大西洋和印度洋的3个岛屿上，通过这些分布在全球不同区域的地面站，GPS的卫星不管转到地球上方的哪个位置，都能获得地面的定位帮助。而因为一些众所周知的原因，北斗没办法在海外建这么多的地面站。
他们想出来的办法是，通过让卫星之间能相互联系，从而帮助卫星在太空中定位。“这项技术叫‘Ka星间链路’。”“北斗三号”卫星副总设计师龚文斌向本刊解释道。简单来说，星间链路就好比在各个卫星之间搭建起了一条通信网络，这就意味着，位于中国境内的地面站只要对某一颗北斗卫星下了指令，那么这一指令就能够在卫星之间接连不断地传递下去，所有的卫星都能够按照这一指令运行，从而使得整个星座的运行能够保持准确无误。
中国卫星导航定位协会副会长张全德（王旭华 摄）
龚文斌现在还记得，他在北京做测试那天捡起了一片银杏叶，后来他把这片黄色的落叶夹在书里，这个细节能让他回忆起那大概是2013年的12月。在此之前，他在实验室里度过了两年折腾技术细节的日子，“比如要做各种破坏性实验，看它是不是能扛得住太空的恶劣环境”。终于，到了测试成果的日子，就在北京西北五环外的航天城里，他们把两台星间链路的设备放到了被隔开的两个房间里，一台设备发出来的信号通过中间的天线中转了一下，顺利地被另一台设备接收到了，这意味着星间链路技术得到了验证。
但这个设备在轨运行时还能不能可靠运行，很多人心里还是没底。“我们造出来这个东西在地面是可以，在天上行不行？”龚文斌在当时被这个问题所困扰。他想在第一颗试验卫星上搭载星间链路产品，但有人觉得这太激进了。“他们觉得这个东西在地面还没验证充分呢，但是我们自己在2013年摸了底之后，我们就已经有信心了，所以那时候我们就在各种场合提出来，我们要上这个东西，我们要第一个上，一定要把这个技术突破，因为从各方面论证来说，这项技术对提升‘北斗三号’的性能太重要了。”
2015年3月30日，北斗三号系统的第一颗卫星发射升空，经过各种在轨调试，4月25日当天，龚文斌和他的团队在位于西安的地面站焦急地等待着3.6万公里以外的那颗卫星和地面联通的结果。那一周，西安一直在下雨，位于郊区农田里的地面站都是泥，走起来深一脚浅一脚。从下午三四点开始调试，到晚上八九点钟，那颗卫星离出境只有二三十分钟的时间了，“它转出去就得等下一次机会了”。就在这时，两者的时间终于调到完全一样，然后一下就收到了对方发来的信号。“那时候真的最幸福，因为这说明我们做的东西靠谱了，后面大家都按这个来做就行了。”
如何更精准？
范围更广了之后，“北斗三号”还需要提供更精准的服务。作为导航卫星的“心脏”之一，高性能的星载原子钟对导航精度起到重要作用。此前，北斗二号系统使用的是铷原子钟，但在“北斗三号”，团队想要用上更精准的氢原子钟。
作为一种精密的计时器具，氢原子钟的精度到底有多高呢？“机械表一天差不多有1秒误差，石英表一天大概有0.1秒误差，而氢原子钟数百万年才有1秒误差。”星载氢原子钟项目负责人帅涛曾在接受媒体采访时如此表示。相比之前使用的铷原子钟，氢原子钟的能力要高一个数量级。
因为氢原子钟对工作环境的要求也比较严格，“它就跟人一样，温度高了就跳得快，温度低了就跳得慢，你必须给它恒温的环境，让它跳得非常平稳”。具体来说，氢原子钟工作15个小时，周围的温度不能变化一度。为此，龚文斌和他的团队为氢原子钟搭建了一个极为稳定的环境。“我们实际做到15个小时，变化只有0.1度，也就是让它在恒温情况下工作。”有了更精准的星载原子钟，“北斗三号”的定位精度实际可达到1至3米，较“北斗二号”提升了1至3倍。
所有这些困扰“北斗三号”的技术难题被解决了之后，中科院北斗卫星团队迎来了紧张的生产流程，他们需要在短短一年多的时间内发射8颗卫星。“北斗三号”卫星副主任设计师孙小雷告诉本刊，一颗“北斗三号”卫星大约有2立方米那么大，大概需要85套单机配件组装在一起，一边组装这些单机，他们要一边进行测试，完成这些流程至少要半年。
“整个2017年和2018年，我们的工作压力特别大。”孙小雷对本刊回忆道，“最多的时候，我们一个厂房同时放了6颗卫星，人员安排上随时都有冲突的时刻，这段时间相当于都是靠我们加班加点扛过来的。”
从2017年下半年开始，北斗三号系统在一年多的时间内先后发射了19颗卫星，完成了基本的系统布局。终于在2018年12月27日，“北斗三号”开始提供全球服务。就在那天，位于突尼斯埃尔贾扎拉科技园的“中阿北斗/GNSS中心”内，来自中国的工作人员第一次在突尼斯成功接收到了7颗北斗卫星的信号，这代表着位于非洲的突尼斯用户已经可以享受到来自北斗系统的精准定位导航服务了。
2018年12月参加了北斗三号系统总结会的中国卫星导航定位协会副会长兼秘书长张全德对本刊表示：“‘北斗三号’和‘北斗二号’一样都用了将近10年时间来建设，十年磨一剑，它标志着北斗系统真正进入了全球服务的时代。”
“北斗三号系统开始提供服务之后，其实就应用端的感受来讲，我觉得比较明显的就是它的体验会比以前好很多。”千寻位置CEO陈金培对本刊如此说道。作为一家基于北斗信号进行高精度定位服务的公司，陈金培对本刊分析称，本来北斗就只有十几颗服务的卫星，北斗三号系统这次又发布了19颗，所以就有三十几颗卫星了，在同一个地方能收到的卫星信号的数量就增加了。“从千寻位置的服务角度来讲，我们能够计算的数据也就增加了，而且因为都是自己的系统，北斗二号和三号的兼容性也很好，所以最终定位与导航的稳定性和体验也会提升。”
核心业务为高精度地图和高精度定位的四维图新公司高精度定位部门负责人汪岩则告诉本刊，依托北斗三号系统的开放，四维图新高精度定位终端系统的精度已经达到厘米级，这对于自动驾驶汽车的定位精度有极大的提升，能够帮助他们的这项业务向前迈一大步。
但在业内人士看来，“北斗三号”的更大意义仍在于国防安全的部分。众所周知，北斗项目设立的主要目的就是保障我国的国防战略安全，但在“北斗三号”之前，因为只能在亚太地区提供服务，我国的飞机和军舰如果开出了亚太范围，就不得不切换成GPS。张全德就认为：“以前在亚太地区以外没有北斗，我们就受制于人；现在我们自己有了，毫无疑问能让我国的国家安全大大加强。”
把北斗用起来
“就目前来看，北斗三号系统的技术难关应该都攻克了。”龚文斌对本刊说道。接下来，他们的任务就是在2020年完成30颗卫星的发射组网，全面建成北斗三号系统。而如何让北斗系统的价值被充分利用起来，达成“发展北斗产业，服务经济社会发展和民生改善”的目标，又成了这些业内人士忧心的问题。
张全德向本刊透露了一组数字：“目前全球卫星导航系统的应用产值约有50%以上来自于应用服务收入，但是北斗的应用服务收入还不到30%，这跟GPS和Glonass（俄罗斯开发的全球卫星导航系统）相比还是有差距的。”
手里拿着一只大号“手机”，卫星导航定位企业“合众思壮”的移动互联产品经理甘喜悦试图向我展示北斗的存在。在此之前，尽管早有耳闻，但和大多数普通人一样，我对北斗的认知还只停留在“它是我国自主研发的卫星导航系统”这个概念的字面意思上。
“这个机器叫‘北斗智能终端’。”甘喜悦对我说道。目前，我们只有在这样的专业化工具上才能真切地发现北斗的存在。与普通手机一样，“北斗智能终端”的正面是一块6英寸视网膜屏幕，甚至连系统也是基于安卓系统开发的。而它有别于普通手机最重要的地方只有一个，那就是它内部装的那枚集成了北斗系统的专业GNSS（Global Navigation Satellite System，全球导航卫星系统）芯片。
主屏幕看起来与一般的手机毫无二致，甘喜悦点开“设置”菜单，进入“位置信息”功能，我见到了一个在其他普通手机里不容易看到的选项——卫星定位模式。再点进去，弹出来几个不同的排列组合，其中的主角有三个，分别是GPS、Glonass以及北斗。
甘喜悦选择了“GPS+北斗”的选项，又打开了另一个显示地理位置信息的专业APP，这时，我看到我和甘喜悦正站在北纬39°、东经116°的地理坐标上。两个经纬度数字显示到了小数点后8位，原因是这个地理位置的精度在0.87米。如果你理解不了这个数字的意义，你需要了解另一个事实，即一般手机的定位精度只能达到10米左右。
“我们这个设备用的模块和天线都是专业级的。”甘喜悦炫耀似的向我介绍说，“专业级的意思就是：第一，它能接收到的卫星数量更多；第二，每一颗卫星的信号质量也好得多。”我往屏幕下方一看，发现这个设备能收到的卫星数量是31颗，而参与定位计算的数量是24颗；仔细一数，GPS 12颗，北斗12颗，正好平分秋色。中西两大卫星导航系统合力，这台设备轻松实现了1米以内的精准定位。
“它其实就是一个我们已经在使用中的卫星导航系统，”甘喜悦对我总结道，“只不过我们大部分人都感觉不到它的存在。”实际上，小米、华为、VIVO等大部分国产智能手机内早就集成了北斗系统。在定位的时候，系统会根据算法的设计自动选择最优组合方案。“这是一个1+1>2的效果。”
但企业在商业上的顾虑却从某种程度上降低了公众对北斗的认知度。以我手中的OPPO手机为例，尽管它在说明书中注明了“同时支持GPS、Glonass和北斗”，但在手机的系统设置里，仍只以“GPS”代指所有的定位服务，全无“北斗”的字样。而甘喜悦手中的“北斗智能终端”主要服务于它特定的行业用户，脱离了导航定位相关专业后，普通人很难感知到北斗的实际存在。
对概念的重视与应用上的轻忽形成了巨大反差，这让做了30多年测量测绘工作的张全德在退休后加入了普及北斗的工作。除了战略上的重要性之外，他格外强调了北斗背后巨大的经济利益。“以前美国一些企业做的GPS相关设备卖得多贵啊，要20多万美元，就这一家，别无分店，你买不买？现在只要几万块人民币了。”
“北斗在天上转，国家每天要花很多钱来维持这个系统，还有很多科研人员每天要去维护它的运作，如果不用它就体现不出它的社会效应。”张全德说道。事实上，卫星导航技术的应用与各行各业的数字化有着极为密切的联系。张全德拿燃气行业给我举了例子。他说，燃气管道在设计修建时，可以利用北斗进行精确定位和记录，尤其是每个焊接点的位置，那里是最容易出现问题的，而工作人员在巡线的过程中就可以持有带北斗定位功能的仪器，便于做巡线的记录和检查。
陈金培则认为，从汽车到无人机再到智能手表，北斗最大的机会其实在于让更多的智能终端可以集成它精准的定位能力。“比如智能驾驶是一波很大的技术浪潮，全球可能有几十亿辆汽车，而目前5到10米的定位精度是远远不能满足汽车的定位需求的，未来这些智能终端的数量将会是数以百亿甚至千亿级的。”