六、走向未来

• 验收专家组认为：“基于‘北斗’卫星导航定位系统的定时和短报文通信功能，构建了一套中心主站监控系统，实现了对远程时间同步装置的集中监测和远程维护控制？”
• 国家天文台高级工程师蔡贤德说：“这样的生意很好谈，像我们这样的买家太少了”。
• 武汉大学测绘学院教授刘基余说：“中国科学家能够在条件有限的情况下，自主开发这样一个具有重要科学意义和工程实用价值的导航系统，实属难能可贵。”

建立时间同步监控系统

由于历史的原因，我国电力行业的时间同步系统的时钟源大都采用美国GPS系统做为主时钟源，这样就带来一个安全问题，如果美国对我们关闭民用GPS信号，我国的大电网将被置于危险的境地。

如何建立完善的时间同步机制，同时使电力系统时间同步系统不受他国控制，是摆在电力行业面前的一大课题。

中国“北斗”导航系统的问世，终于让这个问题有了圆满解决的希望。

由北京国智恒电力管理科技有限公司和华东电网公司根据北斗卫星系统的特性，联合研发的“北斗电力全网时间同步监控系统”彻底解决了这个问题。

我国电网已初步建成以超高压输电、大机组和自动化为主要特征的现代化大型电网系统。

中国电网的运行实行分层控制，设备的运行往往要靠数百千米外的调度员指挥。电网运行瞬息万变，发生事故后更要及时处理，这些都需要统一的时间基准。

为保证电网安全、经济运行，各种以计算机技术和通信技术为基础的自动化装置广泛应用，如调度自动化系统、故障录波器、微机继电保护装置、事件顺序记录装置、变电站计算机监控系统、火电厂机组自动控制系统、雷电定位系统等等。

这些装置的正常工作和作用的发挥，同样离不开统一的全网时间基准。

自动化装置内部都带有实时时钟，其固有误差难以避免，随着运行时间的增加，积累误差越来越大，会失去正确的时间计量作用。

因此，如何对实时时钟实现时间同步，达到全网的时间统一，长期以来一直是电力系统追求的目标。

这些装置内部的实时时钟一般都带有时间同步接口，可以由某一种与外部输入的时间基准同步或自带高稳定时间基准的标准时钟源，如GPS标准时间同步钟对其实现时间同步。

这为建立时间同步系统，实现时间统一，提供了基础。有越来越多的单位已经建立或将要建立这样的时间同步系统。

我国当时的所有电厂、变电站和调度系统，都是将美国全球定位系统GPS作为主要时钟源设备，向电力系统的电力自动化设备如远动及微机监控系统、微机继电保护及安全自动设备、微机故障录波及事件记录等智能设备提供精确的同步时钟信号，使它们在系统时间上达到一致，它是电厂以及变电站的重要组成部分。

GPS时间同步系统被广泛地应用于电厂和变电站的自动化控制、安全生产、自动化调度等系统的整体时间统一。

全球卫星定位系统GPS是由美国国防部的陆海空三军在20世纪70年代联合研制的新型卫星导航系统，耗资120亿美元。原来主要用于军事目的，后来，美国五角大楼发现了GPS的庞大市场，同意将GPS系统也用于商业领域。

但是，作为妥协，五角大楼制定了一个被称为选择性的使用原则，即GPS系统中播出的最精确的信号将严格保留给军方和其他有权使用的用户。

GPS卫星发射两种信号，民用信号和只有军方才能解码的军用信号。我国在所有授时系统中所采用的GPS，都是民用信号。

由于GPS系统受美国政府拥有和控制，在非常时期如海湾战争、反恐战争等，民用GPS服务可能受到影响。显然，这是一个非常重要的问题。

从10年间美国GPS的发展和新旧政策的对比来看，美国向来都是在保证国家和国土安全的情况下，继续获得最大的经济利益。

据有关部门监控，在我国1996年台海危机中，我国东南沿海广大区域的民用GPS信号曾全部被关闭。

2005年的中俄军事演习时，演习区域的全部GPS民用信号被关闭。在海湾战争、南联盟战争和伊拉克战争期间，美国关闭了部分民用信号或是加大了对我国境内的GPS民用信号的误差。

我国电力企业从电力传输网到电力计算机网络的时间源当时都是采用美国的民用GPS系统，这将对我国的电力安全埋下极大的安全隐患。在非常时期，将会因为美国关闭GPS民用信号，对我国电力网络安全的运行产生致命的打击。

一个国家的基础战略设施，从来都不应该依赖于国外的技术。

面对国际上风云变幻的局势，作为一个独立自主的大国，建立我国自己星基的导航定位和授时系统无论对于保障国民经济的正常运行或国家安全都至关重要。

“北斗1号”卫星导航系统是我国自行研制和建立的一种区域卫星导航定位通信系统，主要是利用两颗地球同步卫星来测量地球表面和空中的各种用户的位置，并同时兼有双向报文通信和授时的功能。

该系统集测量技术、定位技术、数字通信和扩频技术为一体，是一种全天候的覆盖我国及周边国家和地区的区域性卫星导航、定位、通信系统。

随着2003年5月25日“北斗1号”系统的第三颗卫星成功发射升空，“北斗1号”系统已经开始全面为各种用户提供稳定和可靠的应用。“北斗”二代系统正处于抓紧建设之中，新一代系统服务能力更强，定位授时精度更高，并保证和“北斗1号”系统的兼容。

“北斗”卫星导航定位系统是一个由我国自主建设的全球卫星定位通信系统，它填补了我国没有自主导航系统的空白，当时，世界上只有少数几个国家能够自主研制生产卫星导航系统。

我国自主建设的“北斗”卫星导航定位系统除在国防建设上有着重要作用外，在国民经济领域有着非常广泛的应用前景，比如，可为西部和跨省区运营车辆，沿海和内河船舶的监控、调度和遇险救援提供廉价、高效、可靠的定位和通信手段，可为水利、气象、石油、海洋、森林防火等部门提供精确的卫星资料，可为通信、电力和交通等关系国民经济命脉的行业提供相当精确的相关服务。

2004年，“北斗”卫星导航定位系统正式向军、民用户开放，已逐渐在舰船监控、水文测报和气象监测等领域中得到应用。

“北斗”卫星导航定位系统是我国改革开放30年的标志性成果，它给我国电力系统时间同步系统解决单独依靠国外GPS系统为主时间源带来了新的希望。

据了解，北京国智恒电力管理科技有限公司和华东电网公司根据“北斗”卫星系统的特性，开始了联合研发的“北斗电力全网时间同步监控系统”的联合行动，最终完成了该项成果。

2008年12月19日，华东电网有限公司在上海组织召开“北斗电力全网时间同步监控系统”科技项目验收会。

验收专家组认为，基于“北斗”卫星导航定位系统的定时和短报文通信功能，构建了一套中心主站监控系统，实现了对远程时间同步装置的集中监测和远程维护控制。

采用“北斗”卫星导航定位系统冗余技术，保证了全网各站点与中心站的时间统一。为实现真正意义上的电力系统全网时间同步奠定了技术基础，为电力事故分析、电力预警系统、保护系统等高精度时间应用创造了条件。

同时，该项目研究成果整体水平国内领先，具有推广应用价值。

北斗积极应对信号干扰

长期视中国为主要对手的美国人，自然不会乐见我国的“北斗”系统形成战斗力，挑战美国的全球霸主地位。

据香港《亚洲时报》报道，美国军方早就已经在暗地里研究如何对付中国“北斗”卫星了。

从2001年开始，美国就秘密在早期“天蝎座”通信卫星干扰系统的基础上，研制出专门的干扰机，只要将这种干扰机对准“北斗1号”系统的卫星，大量发送类似网络垃圾邮件的垃圾信息，就会使卫星的接收机达到饱和，进而无法完成任何导航定位服务。

另外，由于卫星导航系统地面接收端信号微弱，其强度只相当于电视信号强度的十亿分之一。

美军曾进行过模拟试验并证明，如果将一部类似AN/ALQ-99那样的大功率GPS干扰机装到EA-6B电子战飞机身上，在中国东海上绕一周，那么大半个中国的定位信号都可能受到严重干扰。

此外，美军还在寻找欺骗式干扰技术，专门用于模拟“北斗2号”卫星发出的信号。

其实在过去，中国的“北斗”系统就多次发生过不明原因受干扰事件。中国进行的“北斗”系统的一系列试验中，就曾经遭受到多次的不明干扰，或者出现部分失误。

最触目惊心的，是那次美国卫星撞击俄罗斯报废旧卫星的事件。可以讲，太空战无时不在，它每天都发生在我们的头顶上。

当然，对于美国的攻击，中国并非没有应对之策。首先，中国“北斗2号”导航系统采用与美国GPS或欧洲“伽利略”系统相近甚至完全相同的频率。如果美国在战时对中国卫星实施阻塞干扰的话，必然也会干扰自己的定位系统。

其次，中国也采用了当时GPS系统上所采用的抗干扰技术。例如地面信号接收站加装自适应调零天线，这种天线能够使接收机的抗干扰能力提高数万倍。

另外，中国采用与美国类似的复合导航技术。这样，即便“北斗2号”系统被干扰，也不至于影响整个导航系统的运转。

可以想见，今后，美国人一定会更加不遗余力的研究针对中国“北斗”系统的太空作战方法。

中国除了必须加快步伐，尽快完善“北斗”系统，并尽快投入实际应用，以检验其性能外，还必须加强“北斗”系统的自身抗打击能力，以及加紧研发攻击性的卫星武器、太空武器。以便万一在战时，如果我们的“北斗”卫星系统遭到敌人的太空攻击时，我们也能拥有对敌人实施强有力的反击能力。

北斗开辟导航的新途径

几乎一夜之间，卫星导航定位系统就从军事领域，走进了普通人的生活。市场上，不仅装有车载GPS全球定位系统的家用轿车比比皆是，可供登山等户外运动爱好者使用的手持式设备也风靡一时。

一直以来，美国GPS占据着中国卫星导航市场的绝对份额，但由中国自主研发的“北斗”导航定位卫星系统，也正在迅速起飞。然而，在参与欧洲“伽利略”全球卫星定位系统以及继续推进“北斗”之外，中国在卫星导航领域还有着另外一个秘密武器，那就是CAPS。

这个已经进行多年的“经济型”卫星导航项目，其进展在很长时间内一直难以被公众所知晓。直到2008年12月，在一份专刊上，研究人员集中报告了该系统的研制进展之后，人们才有机会掀开其面纱的一角。

所谓CAPS，是“中国区域定位系统”的简称。这种全新卫星导航系统的研制，始于6年多以前的一次“头脑风暴”。

2002年11月初，位于现在的北京奥运村附近的中国科学院国家天文台，时任台长的中国科学院院士艾国祥找到同事施浒立和颜毅华，在一间普通的办公室讨论一个宏大的命题，如何开发“经济型”卫星导航系统。

之所以有这样的一个想法，是因为当时最为成功的卫星定位系统，即美国的GPS，从研制到最终投入使用，花费了20多年的时间和数以百亿计的美元。苏联投入巨资研制的导航星座一直都不完整。

虽然中国已经决定加入“伽利略计划”，同时也启动了雄心勃勃的“北斗系统”，但研究人员还是希望尝试一些新的想法，看能否有更经济实惠的方式来实现区域导航定位。

这场思想的碰撞持续了好些天，中国科学院国家授时中心李志刚等科学家后来也被邀请加入。

像GPS这样的卫星导航定位系统，属于直播式卫星导航定位系统。也就是说，导航电文及测距码在卫星上直接产生，然后下行广播给用户定位。因此，都需要发射专门的导航卫星来承担这一任务。通常需要30颗左右的导航卫星才能覆盖全球。

在思维碰撞中，艾国祥及其同事提出了转发式卫星导航定位系统的理念，即导航电文及测距码在地面产生，上行至卫星，利用卫星上的信号转发器，再下行广播给用户定位。这样，系统就可以少发射甚至不发射专门的导航卫星，而利用商用的通信卫星组成导航星座。

如果这一设想实现，显然可以极大地降低导航系统的部署时间和成本。因为一般而言，空间设备研制周期长、投资大，星载设备尤其如此。以作为导航的时间和频率基准的星载原子钟为例，其价格昂贵、研制难度大，当时只有美国等极少数国家完全掌握这一技术。而且，即使研制成功，往往精度也要略微逊色。

转发式卫星导航定位系统，则可以将原子钟安置在地面导航站。李志刚说：“这样就回避了星载原子钟的技术瓶颈。”

这种新的导航系统理念一经提出，很快得到了中国科学院、科学技术部、国家自然科学基金委员会，以及解放军总装备部的支持。

2005年6月，中国科学院国家天文台、国家授时中心、上海微小卫星中心、微电子所和自动化所等研究机构，与卫通集团等其他国内机构，合作研制出转发式中国区域定位系统的验证系统，并通过国家有关部门的验收。其粗码信号的定位精度达到20米左右，精码则达到10米左右，已经与GPS民用码的精度相当。

据了解，这个验证系统的研制仅用了不到两年的时间，经费则不到美国研制GPS的千分之一。当然，这一成功，很大程度上也有赖于中国天文系统在长期基础研究中所积累的信号被动接收、微弱信号检测、卫星测轨定轨等技术的应用。

研究退役卫星的巧妙利用

在CAPS验证系统的研制过程中，研究人员首先租用了在轨的商用同步通信卫星上的信号转发器，组成验证系统的星座。不过，由于租用的卫星都处于地球同步轨道上，难以实现三维定位。

研究人员最初的设想是，发射倾斜轨道的通信卫星组成导航星座，来解决三维定位的问题。后来，他们却在不经意间找到了一种更省钱的办法，那就是开发退役卫星的“第二春”。

中国卫通集团退休专家陈吉斌参与了CAPS系统的研制。这位原亚太卫星公司副总裁说，退役卫星上的设备并未损坏，只是燃料快消耗完了。为了保持信号不间断，在发射新的同步通信卫星完成更替后，退役卫星一般还要有一定的剩余燃料。

研究人员通过多次讨论，提出了一个巧妙的思路，利用退役卫星上的剩余燃料和转发器资源，将其纳入导航星座。

因为当地球同步通信卫星正常运行时，需要在经度和纬度方向同时保持姿态，如果将其作为导航卫星使用，只需要对经度方向进行保持和调整，纬度方向则任其自由漂移，这样反而可以改善导航星座的空间布局。

与同时调控卫星的经纬度方向相比，该调整模式所消耗的燃料仅为原来的十分之一。这样，那些剩余的燃料，就足以支持卫星的长时间使用。

于是，2005年，CAPS项目组从亚太卫星公司购买了退役卫星“亚太1号”。这颗卫星的燃料原本只剩下几个月，但被“征用”至今已有4年多，仍然运转良好。2008年，项目组又购买了另一颗退役卫星。这颗卫星的剩余燃料更多，预计可供CAPS使用约10年。

代表项目组去洽谈退役卫星购买事宜的，是国家天文台高级工程师蔡贤德。他说：“这样的生意很好谈，像我们这样的买家太少了”。因为对于卫星公司来说，不仅多了一笔预算外的收入，还省去了处理退役卫星这种“太空垃圾”的麻烦。

预计中国还陆续会有“鑫诺1号”、“鑫诺3号”、“中卫1号”、“亚洲2号”等卫星退役，这些退役卫星的剩余价值均可得到利用。随着这些通信卫星陆续加入导航星座，整个系统的精度也将得到进一步提高。

此外，在蔡贤德看来，退役通信卫星的变废为宝，也有助于维护中国的“空间主权”。因为就像土地一样，空间的轨道位置，同样是非常宝贵的资源，退役卫星如再利用，就可以继续占据原有的轨位甚至新的轨位。

与直播式卫星导航定位系统相比，CAPS还有一个优势，那就是导航通信一体化。通信卫星上的转发器很多，借助这些丰富的转发器资源，研制出可双向通信的接收机，就可以使系统实现导航通信一体化。

早在2006年，CAPS的导航通信一体化试验，就在车辆行进中和船舶海上航行中试验取得成功。此后，相关的试验及应用也一直在开展。

相比之下，现有的GPS只有导航定位功能，无法在系统内解决回传通信问题。因此，当车辆在野外行驶时，用户中心无法知道其下属车辆的情况；在战场上，上级指挥机关无法知道战场的态势；导弹发射以后，也无法评估打击效果。

在导航星座布置上，CAPS也比较灵活，可以根据情况选择地球同步轨道卫星、倾斜轨道卫星、中高度轨道卫星等。即可以不搞全球星座均衡布局，而是从区域应用实际需求出发考虑最优星座布局。

此外，转发式卫星导航系统采用的是C波段，可租用的卫星资源丰富。

蔡贤德说：“GPS等系统使用的是L波段，频段资源少，几乎没有伸脚的地方了。”

从理论上讲，CAPS的定位精度今后有可能高于GPS。因为影响定位精度的因素，主要包括原子钟和卫星轨道测量，而地面原子钟在精度上可以比星载原子钟高出一两个数量级，且易于维护和更新。

李志刚和同事利用新的时间比对技术，已经获得了优于两米的卫星轨道测量精度。这一精度，已经与GPS可以提供的卫星轨道测量精度相当。

武汉大学测绘学院教授刘基余说：

中国科学家能够在条件有限的情况下，自主开发这样一个具有重要科学意义和工程实用价值的导航系统，实属难能可贵。

当然，CAPS要想在精度乃至综合性能上与其他导航系统竞争，还有很多工作要做。CAPS项目组成员也承认，CAPS需要修正误差的环节，就比GPS多一些。

此外，尽管整个CAPS系统的建设费用低出一大截，但对于用户来说，其接收终端的价格与GPS不会相差太多。这或许会影响其在市场上的吸引力。

但项目组认为，CAPS这种的系统仍然有着广阔前景。毕竟，像美国GPS这样庞大的卫星导航定位系统，不是所有国家都有财力承担的。而且GPS系统是30年前的技术方案，在伊拉克战争中已经暴露出抗干扰差等缺陷。

对于希望开发国内卫星导航产业的国家而言，尤其是中小国家，CAPS无疑是个不错的“候选者”。

考虑到国家战略需求和技术成熟程度等因素，“北斗系统”理应成为中国卫星导航定位系统建设的主打。而CAPS这一系统，也值得继续探索和试验。