2020年度科技人物
杨长风：北斗系统让中国时空信息掌握在自己手中
《中国新闻周刊》记者/李明子
发于2020.12.14总第976期《中国新闻周刊》
当外卖小哥穿越城市车流将食物从餐厅送到你的手上时，他的行动轨迹会完整地记录在外卖软件的地图上。“800米，600米，50米”，看着目标越来越近，似乎能消解等待食物的焦虑。
现代生活对各种位置信息的需求远远超出了人们的想象，智能终端内置定位芯片无时无刻不在接收太空中导航卫星发出的服务信号。而现在，在全球范围内的任意区域、任意时刻都可以同时观测到8颗以上的中国北斗导航卫星。
“高精度定位是北斗系统的一大特色。”北斗卫星导航系统工程总设计师杨长风介绍说，目前公布的全球范围定位精度是优于10米，实测的定位精度2~3米。配合更强大的地基增强系统，可以提供毫米级、厘米级服务，广泛服务无桥梁形变监测、地质灾害监测预警等。
今年7月31日，北斗三号全球卫星导航系统正式开通，距离北斗一号工程立项已经过去了26年。在具有战略意义的领域，被其他国家实施技术封锁，就会面临“卡脖子”的困境，北斗系统始终坚持自主创新，关键技术一定要掌握在自己手中。北斗系统攻克了星间链路、高精度星载原子钟等160余项关键核心技术，突破500余种器部件国产化研制，实现北斗三号卫星核心器部件百分百国产化。
“作为国家重要的空间基础设施，北斗系统的研制与建成，对我国时空信息安全具有重要意义。”杨长风对《中国新闻周刊》分析说，“掌握了时间和空间，就控制了一个国家最重要的基础信息。卫星导航系统是当今最重要的定位导航授时手段，是信息化社会的重要基础，关系到国家安全和个人隐私，一定要把握在自己手中，是绝对不能受制于人的。”
摆脱牵制
2014年10月，56岁的杨长风从85岁的孙家栋院士手里接过北斗卫星导航系统工程总设计师的担子。当时，他作为系统的副总设计师，全程参与了从北斗一号、北斗二号到北斗三号，共三代北斗卫星导航系统的论证设计、工程建设和组织管理工作。但在接任北斗系统工程总设计师后，杨长风仍“备感压力”，头发也在这几年白了许多。当时，我国已经建成北斗二号区域系统，正在向北斗全球系统过渡，全球系统的新体制、新技术、新信号都需要进行试验验证。
“说白了，就是整个系统的进度压力。”杨长风介绍说，按计划，北斗三号系统到2018年要完成18颗北斗三号卫星组网，全面覆盖“一带一路”国家；到2020年，要完成30颗卫星发射组网，并向全球用户提供服务。
北斗系统始终坚持核心器部件百分之百国产化、持续提升关键单机可靠性、卫星工作寿命达到10~12年之久。要实现这一系列目标，就要在卫星升空之前，在地面做大量试验验证，以证明其能够提供连续稳定的服务，这些工作都需要大量时间。
杨长风不是一个人在战斗。实际上，在过去的26年里，正是由一代又一代的北斗人接续努力，才能让今天的北斗三号系统站在世界舞台上与其他先进的全球卫星导航系统同台竞技。时间回到1994年，美国的全球定位系统(GPS)已经建成，俄罗斯的“格洛纳斯”将于一年后完成24颗导航卫星星座的组网，两者均耗资数百亿美元，中国当时还不具备这样的实力。
早在1983年，为谋划中国自己的卫星导航系统，“两弹一星功勋奖章”获得者、中国科学院院士陈芳允就提出了“双星定位”设想。所谓“双星定位”，即利用两颗地球静止轨道卫星与地面系统配合实现区域定位。而美国GPS采用的是4星定位法，求解空间坐标(X、Y、Z)和时间坐标这4个未知量，需要4个方程，因此需要4颗卫星的信号才能进行定位。相比之下，“双星定位”可以用较少的费用、在短时间内建成一个区域系统。为验证这一设想，陈芳允院士团队在1989年做了一次成功试验，精度远远超过预期。
卫星导航系统的重要性在1990年海湾战争中得到了体现。当时还在建设中的美国GPS首次被运用到实战，显著提高了武器制导精度和打击效果，美国甚至在海湾战争总结报告中将获胜归结为“GPS的胜利”。
另据中共上海市委党校副教授时青昊撰文回顾，1993年7月，中国“银河号”货轮行驶至印度洋时，该船所在海域的GPS服务系统被故意关闭，导致船只被迫在公海停滞三周，这件事促使国内专家联名“上书”，建议启动中国卫星导航系统工程。
1994年，北斗一号系统工程正式立项。中国的北斗卫星导航系统按照“三步走”战略建设。第一步，2000年建成北斗一号系统(北斗卫星导航试验系统)并投入使用，为中国用户提供服务；第二步，2012年建成北斗二号系统，为亚太地区用户提供服务；第三步，2020年建成北斗三号系统，为全球用户提供服务。
“北斗一号系统解决了我国卫星导航系统有无的问题。”杨长风曾这样总结。2000年，两颗北斗导航试验卫星先后成功发射并组成北斗一号系统，中国成为继美国、俄罗斯之后第三个拥有自主卫星导航系统的国家。
打个漂亮的翻身仗
然而，彼时地球上空80%的“黄金导航频段L频段”绝大部分已经被美国和俄罗斯占据。2000年4月17日，中国向国际电信联盟提出频段申请，同年6月5日，欧盟伽利略卫星导航系统也提出了申请。国际电信联盟批准了一小段频率供各国平等竞争，使用规则是从申请日期开始计算，7年内完成卫星发射入轨和信号接收，“先用先得”，“逾期作废”。
伽利略系统早中国北斗二号系统两年启动，并于2005年12月发射了首颗试验卫星，留给中国的时间越来越紧迫。
同时，北斗二号系统还要解决另一个难题。本打算从欧洲引进核心器部件星载原子钟，然而国际合作道路却屡屡受限。这也坚定了北斗人坚持核心技术自主可控的决心，我国组织了3家单位同时着手攻关，终于攻克这项关键技术！让中国星上搭载了“中国钟”。
星载原子钟就如同一块“手表”，为卫星导航用户提供精确的时间信息服务，高精度的时间基准技术是卫星导航系统最核心的技术，直接决定着系统精度，对整个工程成败起着决定性作用，其重要性如同人的心脏。
杨长风说，星载原子钟的精度通俗指标是十万年差一秒，而北斗三号卫星搭载的星载原子钟精度达到了三百万年差一秒。
2007年4月14日，全部测试通过准备得当的北斗二号系统首颗卫星成功发射。4月16日晚，在距离频率失效只有不到4小时的最后关头，地面收到了这颗卫星发出的信号并得到了国际电联的官方认定，保住了中国持续发展北斗系统的合法空间位置和频率资源。
“北斗三号系统最大的挑战则是实现星间链路。”杨长风介绍说。国防科技大学、中国科学院、中国空间技术研究院分别组织队伍攻关。2015年3月，由中科院微小卫星创新研究院研制搭载星间链路的卫星发射成功，同年8月，由中国空间技术研究院研制的两颗北斗三号试验卫星成功在轨建立星间链路。
星间链路是北斗全球组网建设的关键。“同时，星间链路也提高了定位精度。”杨长风对《中国新闻周刊》说。
推动北斗应用
2020年6月23日上午，北斗三号最后一颗组网卫星在西昌卫星发射中心成功升空。至此，北斗三号系统全球星座部署圆满完成。
北斗三号系统的30颗卫星包括24颗中圆地球轨道卫星、3颗倾斜地球同步轨道卫星和3颗地球静止轨道卫星。
与北斗二号相比，北斗三号系统的服务性能进一步提升。在全球范围内，北斗三号卫星分布更为均匀，全球任意区域任意时刻可见卫星8颗以上，且星座可用性达到100%。北斗三号系统在提供基本定位导航授时服务的基础上，还提供了国际搜救、星基增强、精密单点定位、地基增强、区域大容量短报文、全球短报文等特色服务。
“北斗系统的短报文服务是国外其他任何一个全球卫星导航系统都不具备的。”杨长风介绍说，特别是在灾区通讯中断、电力中断的紧急情况下，可以使用卫星信号传输信息，实现通信和定位。
2008年汶川地震，打开灾区人民第一条生命通道的救援部队就利用北斗短报文突破了通信盲点，向外界通报了灾情，供指挥部及时作出决策。
北斗系统的产业发展也实现了翻天覆地的变化。据了解，2020年上半年申请入网支持北斗定位的智能手机达到80%，中国北斗终端社会持有量从2012年的23万余台/套猛增到2019年的超过7亿台/套。
2019年中国卫星导航与位置服务产业总体产值达3450亿元，北斗相关产品已经出口120余个国家和地区，向亿级以上用户提供服务。随着“北斗＋”和“＋北斗”应用的深入推进，北斗系统综合效益将更加显著。
“建好北斗系统是我们的初心使命，用好北斗系统则是我们的不懈追求。”这也是杨长风一直以来积极推动的工作。“北斗系统作为全球最先进的全球卫星导航系统，它的应用只受人类想象力的限制。”杨长风举例介绍，目前我国基于北斗系统建成了世界上最大的车联网平台，已有近700万辆的道路营运车辆安装了北斗终端。平台服务以来，中国道路运输特重大事故发生起数和死亡失踪人数下降50%以上。
2020年11月底，在由广东省人民政府、国家发展和改革委员会、科学技术部、工业和信息化部共同主办的2020年世界5G大会上，杨长风在主旨演讲中表示，“通过北斗和5G相互赋能，将有效突破单一系统的局限性，实现室内外无缝高精度定位，将高精度服务从室外扩展到室内、地下室等遮蔽空间”，“未来高精度位置信息会像水、电和互联网一样深入服务公众生活。”
《中国新闻周刊》2020年第46期
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