中國北鬥的進化：從“天邊”到“身邊”（瞰前沿）

　　“十四五”時期，我國積極發展高精度觀測手段，自主研發的北鬥探空係統達到全球領先水平，建成全球最大規模的地基遙感垂直觀測網絡。

　　這是北鬥衛星導航係統（以下簡稱“北鬥係統”）應用的一個縮影。北鬥係統是我國自主建設和獨立運營的全球衛星導航係統，是國家時空信息領域的基礎設施。如今，北鬥進入規模化應用新階段，全面融入國家重要基礎設施建設，以及大眾消費、共享經濟等領域，還進入民航、海事等11個國際組織的標準體係。

　　邁向“十五五”，北鬥係統如何實現技術更先進、功能更強大、服務更優質，從而更好服務全球、造福人類？本期“瞰前沿”，由北鬥三號衛星係統首席總設計師林寶軍揭秘北鬥係統的進化。

　　——編 者

　　新技術

　　升級星載原子鐘配置，搭載新型星間鏈路終端

　　“北鬥係統全球組網至今已有5年，在軌運行驗證，其穩定性、精準度和連續性依然保持世界一流水平。”林寶軍介紹。

　　回顧係統立項之初，北鬥一號突破“雙星定位”理論，成功實現“從0到1”的區域試驗。如今，北鬥係統服務200多個國家和地區，係統實現了定位精度從十米級至亞米級的躍升，時間同步能力也邁入了納秒（即一秒的十億分之一）時代。

　　雖然係統性能持續領跑，北鬥人並未停下腳步。為了讓係統性能更優、服務更穩，北鬥係統技術持續“上新”。

　　2024年9月19日9時14分，第五十九、六十顆北鬥導航衛星成功發射。該組衛星是北鬥係統全球組網後發射的第二組中圓地球軌道（MEO）衛星，目前已接入整體，開展下一代北鬥係統新技術試驗試用。

　　這兩顆“新星”的抓總研制，正是林寶軍及其團隊。“與此前MEO衛星相比，這次專門升級了星載原子鐘配置，搭載了新型星間鏈路終端”，他說。

　　星載原子鐘利用原子在不同能量態之間躍遷時吸收或發射的電磁波來計時。這種電磁波周期非常穩定，讓原子鐘成為“世界上最精準的計時工具”，屬于國家戰略資源。

　　“可以說，誰的原子鐘做得好，誰的導航就做得好。”林寶軍介紹，北鬥三號組網星主要以氫原子鐘為主，可實現“每300萬年誤差僅1秒”。

　　要知道，如果一天的計時誤差超過千分之一秒，那麼通信網絡、交通、金融係統就會陷入混亂；在測量衛星距離時，計時有十億分之一秒的誤差，將產生大約30厘米的誤差。

　　對于升級後的星載原子鐘配置，林寶軍認為：“精度更高，漂移率更小，將北鬥係統的時頻性能再次提高了一個量級。”

　　星間鏈路是星間、星地傳輸功能一體化的設計路徑。採用這種方式，可以解決無法在全球建立地面站、無法實現境外衛星數據傳輸的問題。

　　林寶軍用手拉手圍成圈的小朋友打比方：傳統的星間鏈路技術只能和相鄰小朋友對話；而北鬥係統的相控陣星間鏈路技術，相當于同時向對面幾個人喊話。衛星“面對面”組網，不僅能相互通信、數據傳輸和測距，還自動“保持隊形”，實現“一星通，星星通”，如同建起“太空微信群”，減輕地面管理維護壓力。

　　此前，北鬥三號採用Ka波段相控陣星間鏈路技術，使定軌精度提升至厘米級，全星座僅需約5分鐘即可完成一輪全網通聯測距。對于新型星間鏈路終端，林寶軍透露，“在測量和時間同步方面的表現更優，為下一代北鬥係統起到承前啟後的作用。”

　　新應用

　　“北鬥+”“+北鬥”，創新應用突破行業縱深

　　“北鬥係統全球組網後，加快與大數據、人工智能、物聯網、5G等技術相互融合，‘北鬥+’‘+北鬥’突破了各行各業的應用縱深。”林寶軍說。

　　例如，天南地北的紅綠燈之所以能像掐著秒表一樣精準，就是北鬥係統融合地基增強、雲計算、5G等技術的應用案例。背後原理是什麼？

　　林寶軍介紹，第一步，需要北鬥係統統一“對表”。“如果每個路口的紅綠燈都各自計時，時間一長，難免你快我慢，整個交通節奏就亂套了。”而如今，多個組網的星載原子鐘，每秒都向地面發送一次標準的授時信號，包括紅綠燈控制中心在內的各種係統都以此為準，集體“對表”，保證所有紅綠燈的計時完全一致。

　　第二步，需要北鬥係統“排兵布陣”。想讓車流跑得更順暢，要依靠北鬥精準定位與授時協同工作。交通指揮中心可通過北鬥係統，實時掌握關鍵路段的車流密度和車速，動態調整多個紅綠燈的倒計時和綠燈時長，規劃“綠波帶”。

　　第三步，需要北鬥係統“精準預報”。當車輛接近路口時，車載導航或手機APP會同時做兩件事：通過北鬥係統精確定位，判斷車輛位置和距離路口的時間；從交通雲端獲取該路口精確到秒的紅綠燈狀態。

　　“這是北鬥係統萬千創新應用中的一個案例。我們生活中超過80%的信息都與時空相關，北鬥係統是重要新型基礎設施。”林寶軍說。

　　根據《2025中國衛星導航與位置服務產業發展白皮書》，截至2024年底，主要行業領域的北鬥終端設備應用總量已接近3000萬臺/套。國內北鬥兼容型芯片及模塊累計出貨接近23億片（含智能手機），具有北鬥定位功能的終端產品社會總保有量已超過20億臺/套（含智能手機）。

　　新趨勢

　　2035年完成下一代北鬥係統建設，將形成“月球北鬥迷你係統”

　　《北鬥衛星導航係統2035年前發展規劃》明確，在確保北鬥三號係統穩定運行基礎上，我國將建設技術更先進、功能更強大、服務更優質的下一代北鬥係統。

　　“下一代北鬥係統的關鍵技術攻關已經啟動”，林寶軍表示，2027年左右我國將發射3顆先導試驗衛星，開展下一代新技術體制試驗；2029年左右開始發射下一代北鬥係統組網衛星；2035年完成下一代北鬥係統建設。

　　下一代北鬥係統以“精準可信、隨遇接入、智能化、網絡化、柔性化”為代際特徵，將為全球用戶和其他定位導航授時係統提供覆蓋地表開闊空間及近地空間的米級至分米級實時高精度、高完好的導航定位授時服務。

　　“下一代北鬥係統備受期待，尤其是覆蓋深空的能力。”林寶軍透露，下一代北鬥係統要把“路標”從地球周邊插到月球甚至更遠的深空，形成“月球北鬥迷你係統”，為未來的載人登月、月球基地、火星飛船提供導航和通信服務。

　　未來並不遙遠。林寶軍介紹，我國已于近日成功構建國際首個基于遠距離逆行軌道（DRO）的地月空間三星星座。地月空間指地球同步軌道以外、主要受地球和月球引力影響的三維宇宙空間，是從距離地球3.6萬千米一直延伸到200萬千米的巨大區域，擁有豐富的物質、能源、軌道等戰略資源。

　　“地月空間DRO探索研究”部署研制的3顆衛星目前已經在地月空間穩定建立百萬公里級星間測量通信鏈路，並取得多項原創性科技成果，為我國開發利用地月空間、引領空間科學前沿探索奠定了基礎。

　　“可以說，地月空間三星星座是下一代北鬥係統的延伸和飛躍。”林寶軍透露，未來計劃建立一個“統一的地月空間時空基準”。這意味著，無論是地球上的用戶，還是月球上的宇航員，使用的都是同一套時間係統和坐標框架。地月星座將與北鬥係統通過地面站和空間鏈路進行時間同步和數據交換，確保地球和月球在時空上統一。