北斗卫星导航系统（以下简称北斗系统）是中国着眼于国家安全和经济社会发展需要，自主建设、独立运行的全球卫星导航系统，是为全球用户提供全天候、全天时、高精度的定位、导航和授时服务的国家重要时空基础设施。 

　　中国高度重视北斗系统建设发展，自20世纪80年代开始探索适合国情的卫星导航系统发展道路，形成了“三步走”发展战略：2000年年底，建成北斗一号系统，向中国提供服务；2012年年底，建成北斗二号系统，向亚太地区提供服务；2020年，建成北斗三号系统，向全球提供服务。 

　　北斗系统的建设实践，实现了在区域快速形成服务能力、逐步扩展为全球服务的发展路径，丰富了世界卫星导航事业的发展模式。 

　　北斗系统具有以下特点：一是空间段采用三种轨道卫星组成的混合星座，与其他卫星导航系统相比高轨卫星更多，抗遮挡能力强，尤其在低纬度地区性能优势更为明显。二是提供多个频点的导航信号，能够通过多频信号组合使用等方式提高服务精度。三是创新融合了导航与通信能力，具备基本导航、短报文通信、星基增强、国际搜救、精密单点定位等多种服务能力。 

　　上海天文台在整个北斗工程中扮演了“最强大脑”、“强心脏”和独立“量天尺”的作用。以下将逐一介绍： 

　　1. 信息处理系统——北斗的“最强大脑” 

　　1.1披荆斩棘、迎难而上 

　　如何获取卫星的位置信息和星上的准确时间？这个问题首要、棘手，充满挑战。 

　　首先，北斗是国际上首个由混合星座构成的卫星导航系统，由地球静止轨道、倾斜地球同步轨道和中圆地球轨道三种轨道卫星组成。虽然这有利于在短时间内快速建立我们自己的星座，但对卫星位置的获取带来了难度，也给精密的轨道确定和信息处理带来了挑战。 

　　其次，中国目前的地面监测网是区域性的，对卫星轨道的测量不够全面，这些问题加大了卫星轨道和钟差的确定难度。 

　　再次，北斗是一种不断运行的系统，需要提供24小时每周7天连续的服务，这也加大了卫星轨道和钟差的确定难度。  

　　1.2厚积薄发，行稳致远 

　　面对这些难题，为了保证导航卫星时空信息的精确性和稳定性，上海天文台科研人员依托于在天体测量与天体力学、精密时间频率标准等优势学科数十年的科研积累，从“零”到“有”，大到方案设计，小到计算公式，都一再反复推算和检验，最终解决了大运算量数据整理、编辑、计算、存储、发送的计算机软硬件集成，统一调度稳定运行等信息处理构架等关键技术难题。  

　　特别是针对北斗二号卫星导航系统不同于美国GPS系统的技术特征，突破了低-高轨混合星座、区域地面布站、卫星观测弧段受限等不利条件下的精密轨道确定和预报技术，为北斗二号卫星导航系统的高精度导航定位授时服务提供了可靠的保障。  

　　而为了实现北斗三号精密定位服务性能指标，在区域地面布站等不利条件下，上海天文台信息处理团队首次提出并实现了区域监测网+星间链路的星地星间联合精密定轨技术，并特别设计了联合定轨数据处理算法的稳健性和容错性。考虑到精密定位服务的高实时性要求，需要提升钟差高精度估计的效率。上海天文台信息处理团队发展了固定预报卫星轨道和监测站坐标、实时估计卫星钟差的滤波估计方法，并对卫星钟差短期预报方法进行了论证优化。这些关键技术均已应用于北斗三号即将开通的精密定位服务。 

　　上海天文台研发的信息处理系统就像北斗的“最强大脑”，能实时修正误差，多备份，以保持高可靠度，空间信号精度与GPS相当，优于0.5米，全球定位精度为2.5米至5米。 

　　2. 氢原子钟——北斗的“强心脏” 

　　理论上讲，只要信息准确，定位就是精确的，但位置信息在传输过程中仍然会产生误差，主要是时差在捣乱。由于采用光速传输的电磁波信号进行测距，十亿分之一秒（1纳秒）的时间误差就会导致0.3米的距离误差。因此精准的时间尤为重要。于是我们需要一个靠谱的钟——原子钟。 

　　经过多年的技术攻关，上海天文台地面主动型氢原子钟性能指标已达到国际水准，并在北斗地面系统得到广泛应用。针对北斗导航卫星应用，上海天文台于2002年开始启动被动型星载氢原子钟技术研究。2015年，上海天文台完成了我国首台星载氢原子钟正样的研制并随新一代北斗导航卫星上天应用。 

　　星载原子钟像北斗卫星的“心脏”，需要提供极高的时间精度才能让北斗系统稳定运行。在北斗三号卫星系统工程建设中，上海天文台已完成多台星载氢原子钟正样产品的研制及交付并随卫星发射入轨，产品稳定度、温度系数等核心指标较试验卫星氢钟有进一步提升。 

　　首创氢钟时分双频调制技术，有效降低了氢钟输出频率对纠偏信号幅相变化的敏感性，实现氢钟核心指标达到国际水平；首次在氢钟上应用电极式微波腔，有效提高了氢钟微波腔Q值以及原子跃迁信号强度；采用国产元器件和原材料，成功研制星载氢钟核心部件，实现了星载氢钟核心技术和器部件自主可控。氢钟在轨作为主钟使用，运行情况良好，在轨天稳定度和漂移指标达到小系数E-15量级，为北斗系统提供全球高精度导航定位服务和自主运行提供了有力的技术支撑。 

　　3. 激光测距技术——一把独立的“量天尺” 

　　国之重器，精益求精。为了进一步演算北斗的精度，对导航系统性能进行有效评估，为保万无一失，上海天文台研制的激光测距技术应运而生。它像一把“量天尺”，让两个点通过一束光相连，看似简单，但想到两点之间距离成百上万公里且彼此在高速运动，便觉不可思议。通过独立地开展激光测距，精确测定激光信号从地面站与导航卫星往返时间差，从而计算出它们之间的距离，进而更有根据地标校北斗的定位、导航等指标精度。 

　　上海天文台卫星激光测距(Satellite Laser Ranging, SLR)开始于上世纪70年代，在1972年成功建成我国第一台完整并投入应用的卫星激光测距系统。先后研制出我国第一、二、三代卫星激光测距系统，对带有激光反射器卫星的单次测距精度由最初的米级发展到现在的亚厘米级，步入国际前列，在我国卫星精密定轨、天文地球动力学、地壳运动监测等领域中起到了重要作用。 

　　在国内率先开展了千赫兹重复率激光技术研究，解决千赫兹重复白天光束指向监视、噪声滤波、白天恒星监视引导、微弱信号识别等关键技术难题，实现了千赫兹重复率卫星激光测距全天时观测，最远测量距离达38800多公里。通过上述技术应用，为北斗三号高精度测量研制了国内首套可移动式全天时卫星激光测距系统，成功应用于北斗卫星厘米级精度激光测距，为北斗卫星精密定轨、轨道检核、空间信号精度评估等应用提供了高精度激光观测数据。 

　　上海天文台在国内首先开展激光时间比对技术研究，实现了单光子探测器航天工程化应用，研制出星载激光时间比对测量仪，成功应用到我国卫星导航系统，并在国际上首次实现导航卫星高精度星地激光时间比对测量，在国外同行领域中引起积极反响。 

　　上海天文台研制出的北斗卫星激光反射器具有重量轻、回波信号强和测量精度高等特点。研制了多套高轨卫星激光反射器，在国际MEO同类卫星联测中，被国际激光测距组织确认为最佳设计，引起国外同行高度关注；研制的卫星激光反射器已出口到韩国，产品性能得到国际认可。 

　　四、上海天文台在北斗三号最后一颗卫星入网工作中都做了怎样的贡献？ 

　　2009年，北斗三号工程正式启动建设。经过一系列的技术升级，北斗三号相较于北斗二号在信号质量、卫星广播轨道和钟差精度、电离层模型改正精度、以及定位精度都有了大幅的提升。 

　　在北斗三号最后一颗卫星入网工作中，上海天文台北斗团队继续在“最强大脑”、“强心脏”和“量天尺”三个方面为北斗保驾护航。最后的这颗卫星是地球同步轨道卫星，搭载了由上海天文台北斗团队研制的星载氢钟和激光反射器。在为这颗卫星提供的服务方面，所有服务（基本导航服务、星基增强服务、精密单点定位服务以及北斗区域短报文服务）的信息处理均由上海天文台的北斗团队负责研制。 

　　五、上海天文台的北斗团队奋力前行，建功新时代 

　　上海天文台的北斗团队是一个坚持创新、敢啃硬骨头、善啃硬骨头的团队。自上世纪90年代起，他们就开始运用多年的基础天文学积累，一步一个脚印地走在北斗之路上。 

　　这支团队获得了多项荣誉：北斗二号卫星工程荣获2016年度国家科技进步特等奖，担任部分系统研制任务的上海天文台作为获奖单位排名第九，在中国科学院内的单位中排名第一，上海天文台的三位科研人员为获奖人员；团队中的成员陈俊平获得2018年卫星导航定位科技进步奖特等奖；团队成员参与的项目获得2018年测绘科技进步奖一等奖（陈俊平在获奖人列表中排名第二）；“被动型星载氢原子钟”项目获得2019年度上海市科技进步一等奖。 

　　新时代、新征程。面对新的挑战，上海天文台的北斗团队均视作机遇，勇于攻坚、不懈求索，用自主研发的先进技术为北斗保驾护航，助力这凝聚大国智慧的银河舰队驶向全球新纪元。 

　　在为北斗保驾护航的道路上，上海天文台不是跟随者，而是负重前行者。