石门博士风采 第一编第59辑 冉承其博士

石门县人文科学研究会

冉承其简介

冉承其，男，湖南石门县易家渡镇人,1968年5月出生。1985年石门一中高中毕业，本科和博士毕业于国防科技大学，硕士毕业于清华大学。现任中国卫星导航系统管理办公室主任，北斗卫星导航系统副总设计师，北斗卫星导航系统新闻发言人。长期从事航天系统总体设计、航天工程和北斗重大专项管理工作，全程参加了北斗卫星导航系统顶层设计、工程建设及组织管理工作，航天系统理论功底深厚，航天工程管理经验丰富。

北 斗 清 华 行    

20191107清华大学时事大讲堂第242讲

<开    篇>  导航的指引与文明的跨越

人类文明发展至今，我们对时空信息的依赖越来越强，据统计，85%的信息与时间和位置有关，就像今天“北斗的讲座”，如果没有时间和位置信息，也就无法开展我们的交流活动。所以，古人讲“四方上下曰宇，古往今来曰宙。”空间为宇，时间为宙。人类在探索宇宙认知的历史长河中，从未停止对时空信息获取手段的探索，导航技术的发展史就是人类活动空间不断拓展的历史。
   

在远古时代，人们通过目视或参考自然现象、地物来确定方位。航海时代，简单的仪器被制造出来，可以观测日月星辰等来确定位置。到了现代，惯性导航、无线电导航都能测定位置，但这些技术都不能全面满足人们的需求。惯性导航，长航时会累计误差导致精度降低，地基无线电导航主要适用于海岸和海上，要实现全球覆盖代价太大，难以承受。卫星导航应运而生，彻底改变了这个世界。
   

从第一颗人造地球卫星上天，人类就开始研究卫星导航。美国先行一步，之后各国都竞相发展独立自主的卫星导航系统。目前全球四大卫星导航系统包括美国GPS、俄罗斯GLONASS、中国北斗、欧盟伽利略，区域系统有日本的准天顶、印度的区域导航系统。
 

从仰望星空辨识方向，到北斗卫星导航系统，中国人追寻精准时空的探索，是我们不断突破边界的想象力，所走出的“北斗之路”。

北斗之路：不断突破边界的想象力

GPS我们耳熟能详，一提到卫星导航，人们就想到GPS。其实除了GPS还有其他卫星导航系统。但是GPS的出现彻底改变了人类的生产生活方式，悄无声息地融入到了我们生活中的方方面面。我们在享受这种便利的同时，其实它还有另外一面。

海湾战争让卫星导航一战成名。当时世界军事专家都认为这场战争会耗时很久，投入和损失很大，出乎意料的是，美国仅用42天就迅速结束了战争。

此前，就连当时美国军方对GPS系统的价值都没有充分的认识，GPS的财政预算持续被削减。多年后，我遇见时任GPS办公室主任，素有“GPS之父”美誉的帕金森先生告诉我，当年他的主要任务就是游说国会，筹集资金。
   

海湾战争彻底消除了美国军方对于GPS重要性的怀疑，他们紧急增加了超过1万部商用GPS接收机订单。后来，美国国防部甚至颁布法令，要求2000年以后的任何飞机、舰船、装甲车辆或其他武器系统，如果不配备GPS接收机，将不能获得资金支持。世人都被卫星导航的精确制导作用震惊了，人们渐渐意识到没有卫星导航，就没有现代战争主动权。
   

海湾战争时期，中国还没有建立自己的卫星导航系统，使用的是美国的卫星导航系统GPS，下面我要讲的这3个真实事件，让我们中国人清醒认识到没有自己的卫星导航系统，就没有国家的安全之基。

<第一部分>  自己拥有是永远的真理

1、 银河号事件：信号干扰被迫滞停


海湾战争两年后，“银河号”事件爆发。1993年7月23日，美国以获取情报为由，无端指责中国“银河号”货轮向伊朗运送化学武器原料，并向“银河号”所在的国际公海进行GPS信号干扰，同时派出军舰和直升机进行拦截跟踪。

面对挑衅，“银河号”被迫中止正常航运，中方最后只得同意美方登船检查的无理要求。虽然最终是“莫须有”的罪名，但因为受制于人，“银河号”在公海被美方扣留长达三周之久。

2、 军事演习受人掣肘
   

1995年7月和1996年3月，我国进行了两次大规模军事演习。在演习过程中，美方对我演习区域的GPS实施信号干扰，导致我军导弹精确制导能力受到严重影响！

3、“误炸”南联盟使馆刺痛国人
   

1999年，5月8日凌晨5时45分，以美国为首的北约悍然发射5枚精确制导导弹，从不同角度击中我驻南斯拉夫联盟大使馆，其中3枚导弹从同一位置贯穿大使馆楼体。我驻南联盟大使馆被全部炸毁，整个大使馆成为一片废墟。

中国三名记者当场牺牲，同时被炸伤数十人。美国虽然以“误炸”为由掩饰自己的卑劣行径，但依旧抹不掉我们心中的巨大伤痛和永久的国家记忆。中国人鲜活的生命，就在美国的“精确误炸”中被夺去了。

从“银河号”事件，到“误炸”南联盟使馆，都让中国人明白了一个道理——美国的GPS再好，关键时刻不是用来保护中国人的！我们必须拥有自己的卫星导航系统，它是国家重要的空间基础设施，关系到国家的战略发展和国家安全。这是国家的抉择，更是北斗人的使命。

<第二部分>  尊重先行者，更要相信自己选择的路

从人类探索太空伊始，每一项尖端技术的突破，并非只有一种路径。创造出北斗卫星导航系统的中国，走出了一条具有中国特色的发展道路，丰富了世界卫星导航系统的发展路线。

1、 合作之路还是自主之路？
   

为了发展中国的卫星导航系统，我们一方面积极自主研发，另一方面也在寻求国际合作，然而合作之路困境重重。
 美国已建成GPS系统，并积极推广应用；俄罗斯正处于经济困难时期，已完成组网的GLONASS系统，卫星相继失效，无力补网，希望与中国进行合作；欧盟也推出伽利略计划，并向我们伸出橄榄枝。

与俄的合作，核心利益在于“三权”，即频率使用权、系统控制权和授权信号使用权。在谈判过程中，中方希望秉持对等原则，与俄共同享有“三权”，但俄始终不同意，最后谈判宣告失败。

与伽利略的合作是由欧盟下面的一个委员会主导，共15个成员国，每个成员国各出资2亿欧元，共同建设伽利略系统。中国履行承诺，第一笔款项7000万欧元如期到账。然而随着合作的推进，欧盟却改变“游戏规则”，声明只有欧盟成员国才能拥有表决权和使用权。中国就这样“水到渠成”地被边缘化了，我们没有了发言权，也没有了表决权，更没有授权信号的使用权，合作被迫中止。
   

卫星导航系统是重要的空间基础设施，是国之重器，不能假手于人。我们要和强者对话，首先自己要成为强者。

2、盲从模仿还是另辟蹊径？

（1）北斗一号——“双星定位”横空出世
   

陈芳允院士是我国“两弹一星”功勋科学家、“863计划”发起人之一，也是我们清华的校友。
 早在1983年，我国正在研制两颗地球静止轨道通信卫星——东方红二号的时候，陈芳允院士就敏锐地提出一个构想：能不能充分发挥这两颗通信卫星的作用，一星多用，使它既有通信功能，又有导航功能？于是一场关于“双星快速定位通信系统”的论证工作拉开了中国卫星导航事业的大幕。
   

1989年我国成功完成了“双星快速定位通信系统”的演示验证，证明了陈芳允院士“双星定位”构想的科学可行性。北斗一号巧妙地设计了双向短报文通信功能，GPS、GLONASS、伽利略只能知道“我在哪里”，而北斗不仅知道“我在哪里”，还能让别人知道“你在哪里”。这种通导一体化的设计，是北斗的独创。


    1994年1月10日，“北斗一号卫星定位工程”正式立项； 2000年，北斗一号两颗卫星先后成功发射。至此，北斗一号系统正式建成并投入使用。这标志着我国成为继美、俄之后世界上第三个拥有卫星导航系统的国家。我们完成了卫星导航从无到有的突破！

（2）北斗二号——“混合星座”独具匠心
 

  北斗一号是探索性的第一步，满足了中国及周边区域的导航需求。
 

1998年，在北斗一号即将建成之际，我国启动了北斗二号的论证工作。在此期间，围绕我国卫星导航系统的发展路径，产生了激烈的争论和碰撞，接下来的路该怎么走，北斗人又站在一个必须做出抉择的十字路口。
 

  美俄的导航系统，发射的都是MEO中圆轨道卫星，主要运行在距离地球约2万公里的轨道，运行周期一般在12个小时左右，通过中圆轨道的星座实现全球覆盖。因此要想一步建成全球系统，就要优先发射MEO卫星。但要保证为所覆盖区域不间断提供服务，至少需要几十颗MEO卫星，同时主要服务地区还要建设海外地面站。  

很多专家都认为，北斗应该借鉴美俄已经验证过的成熟的发展模式，直接建设全球系统。北斗人经过了论证，却得出一个结论：美俄发展路线，并不适合中国国情，我们不能照搬经验。

当时我国经济基础薄弱，航天技术水平也相对较低。另外，发射MEO全球组网卫星要求在海外建站，我们尚不具备这个条件。于是，北斗人提出一种不同于美俄的全新发展思路：先建设区域系统，保障中国及亚太区域导航需求；在此基础上，条件成熟时，再进一步建设全球系统。就这样“北斗二号”应运而生。
 

  从技术上来说，我们是如何实现这种“先区域，后全球”的分步走构想的呢？这里大家必须要get的一个知识点就是：“混合星座”。我们选择由5颗倾斜地球同步轨道IGSO卫星与5颗地球静止轨道GEO卫星相结合，先构成对中国和周边地区最高效连续覆盖的卫星导航区域星座；同时考虑到未来发展全球系统的需要，再增加4颗中圆轨道MEO卫星，构成一个星座子网。这就叫5+5+4“混合星座”，可以实现用最少的卫星、最低的投入、在最短的时间内解决国内及周边地区应用急需，又能兼顾长远，利用4颗MEO卫星抢占全球卫星导航频率，开展全球导航体制试验，为未来组建全球系统打下基础。


 2012年12月27日，北斗卫星导航系统正式对中国及亚太周边地区提供定位、导航与授时服务。至此，北斗二号出色完成阶段性任务，北斗开始踏上服务全球的新征程。中国北斗人不断突破边界的想象力，为世界贡献了一种独特的卫星导航发展之路。

（3）北斗三号——“全球组网”责无旁贷


 2017年11月5日，一箭双星，北斗三号首发两颗MEO卫星，拉开了北斗系统全球组网的序幕。2018年12月27日，北斗三号基本系统建成，提供全球服务。就在两天前的11月5日，在西昌卫星发射中心，又成功发射一颗IGSO导航卫星；11月下旬和12月中旬，还将各发射两颗MEO导航卫星。届时我们将完成全部MEO卫星的组网发射。预计到2020年6月底前，我们将完成北斗三号全部卫星的发射。

道阻且长，行则将至。中国卫星导航系统的“三步走”发展战略，一路探幽穷赜，不断突破。昔日，我们仰望先行者的光芒，今日，我们也走出了独属于自己的北斗之路。
   

中国卫星导航系统“三步走”发展战略：
   

第一步，2000年建成北斗一号系统，为中国及周边地区，提供有源定位、授时和短报文通信服务，使中国成为世界上第三个拥有自主卫星导航系统的国家；


 第二步，2012年，建成北斗二号系统，在继承北斗一号系统所有功能的基础上，为亚太大部分地区提供无源导航定位服务；
 

  第三步，2020年左右，建成北斗三号系统，为全球用户提供服务。

<第三部分>  核心在手，才能走好自己的路

<第三部分>  核心在手，才能走好自己的路

为全人类提供导航服务，要走好这条路并不容易，我们不停地挑战自己，突破自己，让中国的北斗系统更加卓越。导航频率、原子钟技术、信号技术、星间链路等等，都是北斗发展历程中极为重要的关键所在。只有把核心技术掌握在自己手中，才能走好自己的路。

1、没有导航频率就无法发射卫星

导航卫星发射上天的前提是要有合法的频率，这是世界各国必争的宝贵战略资源，也被称为“太空国土”。业内称为“黄金导航频段”的L频段，早已被美俄两大系统抢占完毕。

北斗要成为全球卫星导航系统，就必须向国际电联申请新的导航频率资源。经中欧联手多轮次协调推动，终于在2000年成功了。但国际电联有“先用先得”和“逾期作废”的规则，有效期限是7年，也就是说，我们必须在2007年4月17日之前发射卫星并成功播发信号，否则申请的频率资源将作废。

那时，北斗一号还未建成，北斗二号还在论证，很多关键技术还没有突破，大量核心器部件甚至还需要进口。拿下频率后，我们紧锣密鼓地组织立项、安排计划，排下来一看，最早也要到2007年底发射。这显然不行。


 要保住频率就要提前发射计划。把发射计划提前半年以上，这在中国航天史上是从来没有过的。这对北斗人来说，无疑是一场硬战。这场硬战需要调动全国300多家单位、近10万余人开展大系统协作。且这场硬战还是背水一战，只许成功不许失败。每颗卫星、每发火箭成千上万个器部件，都容不得半点瑕疵。

2007年4月14日4时11分，肩负重要使命的首颗北斗二号卫星成功发射。三天后静待北斗信号传回地面。所有人都捏着一把汗，在摆满接收终端的操场上焦急等待，只要卫星传回信号，占住频率，就是成功。

当信号传回的那一刻，距离国际电联的“七年之限”只剩不到4个小时。在场的所有人都喜极而泣，在这场没有硝烟的战场上，我们战胜了自己，为中国赢得了“太空国土”。正是这次“孤注一掷”的成功，才有了后来中国卫星导航事业发展的基础。

2、 没有原子钟技术就没有卫星导航


  星载原子钟是导航系统的心脏。卫星导航对时间测量的精度要求极高，只有原子钟能做到。可以说没有原子钟，就没有卫星导航。


 2004年北斗二号系统建设之初，我国星载原子钟完全依赖进口。美俄日均限制我购买，只剩欧洲一家公司愿意卖给我们。但这家公司明显拿住了我们的“七寸”，在性能指标、产品质量、供货进度、服务保障等方面一变再变，且表示因“巴统”条款限制还存在不确定性。在谈判时价格也一涨再涨，颇有“只此一家，别无分店，爱买不买”的傲慢劲。处处受制于人，怎么办？
 

  研制自己的国产原子钟成为一道绕不开的坎。我们下定决心，从零起步，举全国之力，矢志攻关。两年后，成功实现了原子钟国产化，精度达到了世界先进水平。

后来这家公司再次寻求与中方的合作时，态度也较之前完全不同，表示“指标不降、进度不推，价格好商量”。而恰恰就是这家公司的原子钟却因在轨频发故障而严重影响了伽利略系统和印度卫星导航系统的建设进程。自此“关键核心技术是要不来买不来讨不来的”，“外国的月亮不一定有中国的圆”成为北斗工程全线的共识。
 

  在北斗三号系统工程启动后，我们再接再厉，又一次挑战极限，自主研发了高精度和甚高精度两代星载铷原子钟和星载氢原子钟，高精度星载铷钟精度达到十亿分之二秒/天水平，满足0.7米定位精度需求；甚高精度铷钟和氢钟精度达到百亿分之五秒/天水平，满足0.2米定位精度需求，完全满足北斗三号的应用需求。 
 

  现在包括星载原子钟在内的北斗三号卫星系统所有核心单机和元器件实现了百分之百国产化，真正做到了自主可控。我们深深体会到，只有自主创新，始终把关键技术掌握在自己手中，才能赢得北斗系统发展的主动权。

3、没有自主的信号技术就没有产业发展
 

  卫星信号是整个北斗系统的神经中枢，也是系统唯一的用户接口，对系统建设和产业发展具有特别重要的意义。可以说没有自主的信号技术就没有产业发展 。

多年前，曾有一位清华的校友，高杏欣，对外宣称破解北斗信号。这件事一度被媒体炒得沸沸扬扬。实际上，她只是在学术研究中使用了我们原本就要公开的民码信号，别有用心的媒体在我们正式发布之前进行了歪曲解读。    

卫星导航产业中，无论是天线、射频的设计，基带芯片的开发和整机研制，还是测试评估，都是围绕导航信号的基本参数展开的，对卫星导航产业的影响是全方位的。
   

面对GPS和伽利略系统设计的频谱保护和专利壁垒，如果我们沿用已有的信号技术，采用现成的算法，我们的整个卫星导航产业都将受制于人。我们必须有所改变，自主创新，找到北斗自己的保护伞。


  2010年，我国启动北斗三号的导航信号设计，提前开始产业的战略布局。当时我们所面临的挑战是前所未有的：频谱资源已经极度匮乏，不仅要考虑到北斗二号到北斗三号平稳过渡，也要考虑到与其它卫星导航系统的兼容与互操作，更需要应对专利壁垒。
   

经过多年集智攻关、不懈努力，终于在调制、复用以及编码等核心要素方面取得重大突破，北斗三号信号不仅技术先进、性能优越，而且拥有自主知识产权，适用于多种接收机，还与其他导航系统有很好的互操作性。


 到今天，我们已经完成了在全球17个国家和地区的专利布局，有利于接收机厂商开发出自主可控、更具性价比的产品，也有助于增强我国接收机厂商的国际竞争力。我们的芯片价格也从最初2000元/枚，一路降到千元、百元，如今已经不到6元/枚。

我国卫星导航产业的可持续发展离不开信号技术的突破。这里需要特别指出的是，清华大学陆明泉教授团队在这方面做出了突出贡献，他的学生姚铮博士（现在已经是清华大学副教授了）还获得了美国导航学会（ION）的早期成就奖，这不但是我国青年学者的第一次获奖，也是整个亚太地区的第一个获奖人。

4、没有星间链路，就没有北斗导航全球服务

全球组网，全球服务，是北斗三号的目标和承诺，也带来了全新的挑战。覆盖全球的星座设计以MEO（中圆轨道）卫星为主，美国利用海外军事基地在全球布设了监测站，实现了全弧段的观测和定轨，而中国尚不具备这样的条件。

我国的卫星地面站基本都在我国境内，卫星可观测弧段只占整个卫星弧段的三分之一，这就造成了我们有三分之二的轨道周期是不能测轨的，也不能对全星座卫星的轨道等导航信息进行更新。

怎么办？我们只能另辟蹊径寻求突破。北斗团队花了近5年的时间，首创了Ka频段星间链路的方案，相当于把监测站建在了每一颗卫星上面。这样就可以利用卫星测量卫星，再通过星间通讯把卫星之间相互测距的信息统一传到地面站，让地面站进行精密的定轨解算，解决了境外卫星观测弧段不足的问题，也极大地提高了定轨精度。

但北斗3种轨道类型的卫星彼此之间最远的距离约7万公里，要通过星间链路快速建立联系、并保持稳定连接，极其困难。为此，北斗团队攻克了一系列关键技术，终于成功实现信号的快速捕捉、跟踪、测量和通信。

北斗依托领先的星间链路技术，仅依靠国内的地面站，就实现了全弧段的观测和定轨，以及所有导航卫星的互联互通。通过星间相对距离测量、高精度时间比对，实现全星座所有卫星所有时刻的时空测量和导航信息更新，实现了目前与世界一流水平相当的导航测距精度。

第四至第七部分内容略

<第四部分>  如何与“强者”相处

<第五部分> 对美好生活的向往

<第六部分> 不要停止梦想与想象力

<第七部分> 无论走多远，都不要忘记初心和来处

和两弹一星元勋，北斗系统首任总设计师孙家栋合影