“你在哪里，你從哪里來，要到哪里去？”千萬年來，人類一直在用各種方式追尋這個問題的答案。從日月到星體，從羅盤到指南針，從無線電到雷達。一次次的技術(shù)突破都只為了那個苦苦追尋的坐標，而直到衛(wèi)星導航系統(tǒng)的出現(xiàn)，才讓這個答案變得到一個相對清晰的回答。

衛(wèi)星導航系統(tǒng)，即“全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)”。它是一種采用最新GPS技術(shù)在導航通訊領(lǐng)域的最新應用系統(tǒng)。全球定位系統(tǒng)(GPS）是20世紀70年代由美國陸?？杖娐?lián)合研制的新一代空間衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)。

1972年，美國通過引入NAVSTAR全球定位系統(tǒng) (GPS)，一直在導航、指揮、控制和武器制導方面占據(jù)戰(zhàn)略優(yōu)勢。然而，美國并不是當今唯一擁有GPS的國家。

2020年6月23日9時43分，北斗三號第三十顆衛(wèi)星乘著長征三號乙運載火箭從西昌發(fā)射場發(fā)射升空。經(jīng)過25分鐘的飛行，衛(wèi)星與火箭準時分離，衛(wèi)星太陽翼展開到位，衛(wèi)星發(fā)射成功了。

至此，耗時26年、投入超過120億美元、先后發(fā)射59顆衛(wèi)星的自研衛(wèi)星導航系統(tǒng)終于建成。

直至這一天，中國有了自己的全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)，徹底結(jié)束了依賴GPS的歷史。同時，北斗將向目前仍占據(jù)著1.2萬億全球衛(wèi)星導航產(chǎn)業(yè)中90%市場份額的GPS導航系統(tǒng)發(fā)起新一波沖擊。

世界衛(wèi)星導航系統(tǒng)四大扛把子

中國于2020年完成了名為北斗的衛(wèi)星導航系統(tǒng)，這是與美國 GPS、俄羅斯的 GLONASS 和伽利略的歐盟印度星座 (NavIC) 并列的四個全球衛(wèi)星導航網(wǎng)絡(luò)之一。

美國全球定位系統(tǒng)

GPS由24顆衛(wèi)星組成，分布在6條交點互隔60度的軌道面上，精度約為10米，軍民兩用，正在試驗第二代衛(wèi)星系統(tǒng)。

俄羅斯格洛納斯

GLONASS系統(tǒng)。由24顆衛(wèi)星組成，精度在10米左右，軍民兩用，設(shè)計2009年底服務(wù)范圍拓展到全球。

歐洲伽利略

GALILEO系統(tǒng)。由30顆衛(wèi)星組成，定位誤差不超過1米，主要為民用。2005年首顆試驗衛(wèi)星已成功發(fā)射。已經(jīng)于2008年開通定位服務(wù)。

中國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)（BDS）

中國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)是中國自主建立的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)。1994年，中國開始研制北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)；2000年，建成北斗導航試驗系統(tǒng)。

2012年，系統(tǒng)具備覆蓋亞太地區(qū)的定位、導航和授時以及短報文通信服務(wù)能力。

2020年，建成覆蓋全球的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)。

經(jīng)過20余年的實踐證明，GPS系統(tǒng)是一個高精度、全天候和全球性的無線電導航、定位和定時的多功能系統(tǒng)。GPS技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成為多領(lǐng)域、多模式、多用途、多機型的國際性高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)。

戰(zhàn)爭利器：衛(wèi)星導航定位技術(shù)

長期以來，美國的 GPS 衛(wèi)星定位技術(shù)一直處于世界領(lǐng)先地位。20世紀90年代初，美國等國家發(fā)動對伊拉克的海灣戰(zhàn)爭。

這場戰(zhàn)爭與以往的傳統(tǒng)作戰(zhàn)方式不同，美國在戰(zhàn)爭一開始便祭出大量精確制導武器。結(jié)果，戰(zhàn)爭僅用40余天便結(jié)束，美軍以146人陣亡、467人受傷的代價取得戰(zhàn)爭勝利。相比之下，戰(zhàn)敗的伊軍傷亡人數(shù)達10萬。事后美國在對這場戰(zhàn)爭的總結(jié)報告中，將勝利歸功于一項新技術(shù)--美國于1973年開始研發(fā)和建設(shè)的GPS。正是借助GPS的定位、導航能力，精確制導武器可以極高的命中率直達目標，既避免傷及無辜，又大大提升作戰(zhàn)效率。從此，便流傳出一句軍事名言：誰能掌握衛(wèi)星導航的優(yōu)勢，誰就掌握了戰(zhàn)爭的主動權(quán)。

其實除了大家都能想到的定位、導航之外，衛(wèi)星導航系統(tǒng)還具有精確授時、測速等功能，在關(guān)系國民經(jīng)濟生產(chǎn)安全的諸多領(lǐng)域都扮演著重要的角色。比如在人們已經(jīng)習以為常的高鐵中，導航系統(tǒng)在不依賴于地面設(shè)備的情況下能全天候為列車進行定位和測速，從而避免列車追尾；在電網(wǎng)中，電廠、變電站的電力自動化設(shè)備、安全自動保護設(shè)備、故障記錄等智能設(shè)備需要同步運轉(zhuǎn)，此時就用到導航衛(wèi)星的授時功能；甚至人們天天使用的共享單車，也依靠定位系統(tǒng)實現(xiàn)電子圍欄停車。不僅如此，在無人駕駛、測繪、出海航行、災害救援等眾多領(lǐng)域，導航系統(tǒng)發(fā)揮著無可替代的作用。

而在戰(zhàn)時狀態(tài)，一旦導航系統(tǒng)不受自己控制，那么精準制導武器的精準性、飛行路徑就無法保證。嚴重的情況下，武器甚至無法作戰(zhàn)，形同廢鐵?？梢哉f，衛(wèi)星導航系統(tǒng)就像人類的第三只眼睛，時刻觀測著地球上發(fā)生的一切行為。

雙星定位理論

其實早在20世紀60年代初，我國就開始研究利用衛(wèi)星進行地面定位服務(wù)的計劃。但由于當時國家經(jīng)濟基礎(chǔ)較弱等其它原因，這一計劃最終并未得到實施。

時間來到1985年10月，“863”計劃倡導者、中科院院士陳允芳在中國科學院和解放軍原總參謀部測繪局聯(lián)合召開的會議上提出了一個大膽的構(gòu)想：用兩顆地球靜止軌道衛(wèi)星，就可以覆蓋中國區(qū)域，并對地面目標和海上移動物體進行定位導航，還能兼具通信功能。而這一構(gòu)想，就是日后被稱為“雙星定位”理論，也正是日后北斗一號衛(wèi)星導航系統(tǒng)的雛形。

1989年9月25日，在北京一處不足30平米的臨時機房里，陳允芳院士首次用兩顆衛(wèi)星演示了“衛(wèi)星定位系統(tǒng)”。次日，新華社發(fā)布消息：我國利用兩顆衛(wèi)星快速定位、通信和定時一體化并獲得理想的實驗數(shù)據(jù)……這次實驗的成功，給了中國人極大的信心--中國有能力造出屬于自己的衛(wèi)星導航系統(tǒng)。

苦于當時沒有合適的時機，自建衛(wèi)星導航系統(tǒng)的想法一直沒被重視。而隨著海灣戰(zhàn)爭的爆發(fā)，讓一些有遠見的科學家意識到衛(wèi)星導航系統(tǒng)的重要性。而此后發(fā)生的“銀河號”事件，則讓中國人意識到自建衛(wèi)星導航系統(tǒng)的必要性。

1993年7月23日，中國“銀河號”貨輪載著制造化學武器的原料運往伊朗。當貨輪行駛到印度洋上，突然停止了--導航?jīng)]有信號，船員不辨方向，無法繼續(xù)前行。隨行船員還以為是信號設(shè)備出了故障，結(jié)果怎么維修都無濟于事。后來才得知，原來是美國懷疑中國向伊朗輸送武器，故意停掉了該船所在海域的導航信號。

這一消息傳回國內(nèi)，讓許多航天科學家和國防人員意識到自主導航的重要性。隨后，中科院院士孫家棟找到時任國防科工委副主任的沈榮駿，稱“發(fā)展衛(wèi)星導航，刻不容緩，勢在必行?！苯Y(jié)果兩人不謀而合，聯(lián)名向國家“上書”，建議啟動中國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)。1994年12月，北斗導航實驗衛(wèi)星系統(tǒng)工程獲得國家批準。

差距和困境

在早期研發(fā)衛(wèi)星導航系統(tǒng)的資金上，中國和美國間的差距十倍不止。當時，美國已在GPS工程上投入了超過200億美元，且每年維護費用高達5億美元；但當時中國的經(jīng)濟基礎(chǔ)仍十分薄弱，研發(fā)包括航天在內(nèi)7大領(lǐng)域技術(shù)的“863”計劃預算也才區(qū)區(qū)只有100億人民幣。

除了缺錢，更大的困難是缺技術(shù)、缺人才。衛(wèi)星導航系統(tǒng)是關(guān)系一國軍事安全的“國之重器”，而當時的西方國家在幾乎所有高科技領(lǐng)域都對中國實施嚴酷的技術(shù)封鎖。比如，在大推力電動振動試驗設(shè)備領(lǐng)域，20世紀80年代以前國外對中國禁運1噸以上推力的振動平臺，90年代后改為禁運5噸以上推力的振動平臺，后又改為禁運9噸以上的設(shè)備。

甚至1996年7月，包括美國、英國在內(nèi)的33個西方國家又簽署《瓦森納協(xié)定》，對中國等國家實施軍用、軍民兩用商品和技術(shù)的控制清單，包括電子器件、計算機、傳感器、新材料等9大類高新技術(shù)被實施禁運。

在既缺錢又缺技術(shù)的情況下，北斗系統(tǒng)被逼出來了自己的“開創(chuàng)性”：當時的北斗一號研發(fā)團隊，陳允芳、孫家棟等人沒有選擇采用GPS的無源定位技術(shù)，而是基于有源定位技術(shù)（定位時，用戶終端需通過導航衛(wèi)星向地面控制中心發(fā)出一個申請定位的信號；無源定位則不需要），用兩顆地球靜止軌道衛(wèi)星就可以對地面目標和海上移動物體進行定位導航，且能覆蓋中國及周邊區(qū)域。

但北斗一號沒有高度信息，而要完成相似區(qū)域的覆蓋，按照GPS和蘇聯(lián)的格洛納斯（蘇聯(lián)解體后由俄羅斯”繼承“）系統(tǒng)的原理，至少需要三顆衛(wèi)星。

北斗一號的另一個特殊之處是，它還具備一般導航衛(wèi)星沒有的短報文通信功能。這意味著北斗衛(wèi)星同時具備衛(wèi)星的3個主要應用方向--“通導遙”（即通信、導航和遙感）中的兩項。這對當時的中國而言，可謂花小錢辦大事，一石二鳥。

立項6年后的2000年，北斗一號的首批兩顆地球靜止軌道衛(wèi)星成功發(fā)射，北斗一號實驗系統(tǒng)正式建成并開始投入使用。盡管那時候北斗一號看上去還是那么的簡陋，但意義非凡，憑借這兩顆衛(wèi)星，中國成為繼美國、俄羅斯之后世界上第三個擁有自主衛(wèi)星導航系統(tǒng)的國家。

百廢待興的北斗一號

20世紀70年代，我國就想建立自己的衛(wèi)星導航系統(tǒng)。結(jié)合當時國內(nèi)經(jīng)濟和技術(shù)條件，陳芳允院士于1983年創(chuàng)新性地提出了雙星定位的設(shè)想。之后，北斗系統(tǒng)工程首任總設(shè)計師孫家棟院士，進一步組織研究，提出“三步走”發(fā)展戰(zhàn)略。

第一步，2000年，建成北斗一號系統(tǒng)（北斗衛(wèi)星導航試驗系統(tǒng)），為中國用戶提供服務(wù)。

1994年，啟動北斗一號系統(tǒng)工程建設(shè)；2000年，發(fā)射2顆地球靜止軌道衛(wèi)星，建成系統(tǒng)并投入使用，采用有源定位體制，為中國用戶提供定位、授時、廣域差分和短報文通信服務(wù)；2003年發(fā)射第3顆地球靜止軌道衛(wèi)星，進一步增強系統(tǒng)性能。

第二步，2012年，建成北斗二號系統(tǒng)，為亞太地區(qū)用戶提供服務(wù)。

2004年，啟動北斗二號系統(tǒng)工程建設(shè)；2012年年底，完成14顆衛(wèi)星（5顆地球靜止軌道衛(wèi)星、5顆傾斜地球同步軌道衛(wèi)星和4顆中圓地球軌道衛(wèi)星）發(fā)射組網(wǎng)。北斗二號系統(tǒng)在兼容北斗一號系統(tǒng)技術(shù)體制基礎(chǔ)上，增加無源定位體制，為亞太地區(qū)用戶提供定位、測速、授時和短報文通信服務(wù)。

第三步，2020年，建成北斗全球系統(tǒng)，為全球用戶提供服務(wù)。

2009年，啟動北斗三號系統(tǒng)建設(shè)；2018年年底，完成19顆衛(wèi)星發(fā)射組網(wǎng)，完成基本系統(tǒng)建設(shè)，向全球提供服務(wù)；計劃2020年年底前，完成30顆衛(wèi)星發(fā)射組網(wǎng)，全面建成北斗三號系統(tǒng)。北斗三號系統(tǒng)繼承北斗有源服務(wù)和無源服務(wù)兩種技術(shù)體制，能夠為全球用戶提供基本導航（定位、測速、授時）、全球短報文通信、國際搜救服務(wù)，中國及周邊地區(qū)用戶還可享有區(qū)域短報文通信、星基增強、精密單點定位等服務(wù)。

1994年，我國正式啟動了北斗一號系統(tǒng)的建設(shè)。2000年，我國發(fā)射了2顆地球靜止軌道衛(wèi)星，建成系統(tǒng)并投入使用。

北斗一號采用有源定位體制，為中國用戶提供定位、授時、廣域差分和短報文通信服務(wù)。

2003年，我國又發(fā)射第3顆地球靜止軌道衛(wèi)星，進一步增強北斗一號系統(tǒng)的性能。

北斗一號使中國成為繼美、俄之后第三個擁有衛(wèi)星導航系統(tǒng)的國家。

北斗一號是探索性的第一步，初步滿足中國及周邊區(qū)域的定位導航授時需求。

北斗一號巧妙設(shè)計了雙向短報文通信功能，這種通導一體化的設(shè)計，是北斗的獨創(chuàng)。

“一路開掛”的北斗二號

2004年，我國啟動了北斗二號系統(tǒng)的建設(shè)。北斗二號并不是北斗一號的簡單延伸，它克服了北斗一號系統(tǒng)存在的缺點，提供海、陸、空全方位的全球?qū)Ш蕉ㄎ环?wù)，類似于美國的GPS和歐洲的伽利略定位系統(tǒng)。

2007年4月14日4時11分，第一顆北斗二號導航衛(wèi)星從西昌衛(wèi)星發(fā)射中心被長征三號甲運載火箭送入太空。

2009年4月15日，第二顆北斗導航衛(wèi)星由長征三號丙火箭順利發(fā)射，位于地球靜止同步軌道。

隨后，北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的建設(shè)開始突飛猛進。2010年，西昌衛(wèi)星發(fā)射中心在一年之內(nèi)接連發(fā)射了5顆北斗導航衛(wèi)星。在接下來的幾年里，只有2013年和2014年沒有發(fā)射衛(wèi)星，其他年份每年都有3顆以上的衛(wèi)星被發(fā)射上天。

2012年，我國完成14顆衛(wèi)星的發(fā)射組網(wǎng)。這14顆衛(wèi)星分別運行在3種不同的軌道上，其中5顆是地球靜止軌道衛(wèi)星、5顆是傾斜地球同步軌道衛(wèi)星，還有4顆是中圓地球軌道衛(wèi)星。北斗二號在兼容北斗一號技術(shù)體制基礎(chǔ)上，增加無源定位體制，為亞太地區(qū)提供定位、測速、授時和短報文通信服務(wù)。這種中高軌混合星座架構(gòu)，為全世界發(fā)展衛(wèi)星導航系統(tǒng)提供了全新范式。

2019年5月17日23時48分，我國在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心用長征三號丙運載火箭，成功發(fā)射了第四十五顆北斗導航衛(wèi)星。該衛(wèi)星是我國北斗二號工程的第四顆備份衛(wèi)星，至此，我國北斗二號區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)建設(shè)圓滿收官。

北斗二號實現(xiàn)了亞太區(qū)域?qū)Ш蕉ㄎ还δ?，它無源定位和有源通信衛(wèi)星相結(jié)合，民用定位精度可達10米?？商峁崟r導航、快速定位、精確授時、位置報告和短報文通信等五項服務(wù)。

“北斗速度”的北斗三號

2009年，我國啟動了北斗三號系統(tǒng)的建設(shè)。

2017 年 11 月 5 日，第一顆北斗三號衛(wèi)星發(fā)射升空。北斗三號系統(tǒng)的建設(shè)速度更加驚人。

2018一整年，北斗三號共發(fā)射了18顆衛(wèi)星，這在世界導航衛(wèi)星史上破了先例，締造了“北斗速度”。

到2019年12月，僅兩年多的時間，科研人員就將 28 顆北斗三號組網(wǎng)衛(wèi)星和 2 顆北斗二號備份衛(wèi)星成功地送入預定軌道，以平均每個月1.2顆衛(wèi)星的發(fā)射密度，刷新了全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)組網(wǎng)速度的世界紀錄。

北斗三號要實現(xiàn)全球?qū)Ш椒?wù)的目標，就必須與其他衛(wèi)星導航系統(tǒng)同臺競技，它必須在性能和服務(wù)水平上都做到世界一流。

因此，科研人員在信號體制上進行創(chuàng)新性設(shè)計，同時對影響信號質(zhì)量性能的設(shè)備進行攻關(guān)，攻克了衛(wèi)星使用的高精度銣鐘、氫鐘、銫鐘等時頻技術(shù)，信號生成和播發(fā)設(shè)備性能已達到國際同類產(chǎn)品的先進水平，增加星鐘自主平穩(wěn)切換和信號完好性監(jiān)測等功能，保證信號連續(xù)性，極大地提高了導航服務(wù)的可靠性，在局部上處于領(lǐng)先水平。

同時中國科研人員在如何管理24顆中軌導航衛(wèi)星時，還開發(fā)了一項新技術(shù)：星座自主運行。簡單說，就是這些導航衛(wèi)星上都增加了一個通信模塊，彼此之間能建立通信鏈路，這樣就可以實現(xiàn)不出國門而管理在境外運行的導航衛(wèi)星了。在此基礎(chǔ)上，中國科研人員又實現(xiàn)衛(wèi)星之間的雙向精密測距，從而能夠讓導航衛(wèi)星自主計算并修正衛(wèi)星的軌道位置和時鐘系統(tǒng)，即便地面站全部失效，這些導航衛(wèi)星也能通過星間鏈路提供精準定位和授時，在一段時間內(nèi)繼續(xù)保證地面用戶正常使用衛(wèi)星的定位和導航服務(wù)。

此外，為確保我國衛(wèi)星上使用的產(chǎn)品都是自主可控的，通過發(fā)動國內(nèi)元器件、單機產(chǎn)品研制單位攻堅克難，使衛(wèi)星上的產(chǎn)品全部由中國制造。

如今，經(jīng)過北斗科研團隊的艱苦努力，北斗三號全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)已全面建成，正在向全球提供安全可靠、連續(xù)穩(wěn)定的高精度導航定位與授時服務(wù)。

結(jié)束語

人類的導航定位技術(shù)，從北斗開始，經(jīng)歷了磁羅盤、天文導航、經(jīng)緯度定位、無線電導航、慣性導航……最后復歸“北斗”；從一開始利用自然界存在的天體，接著利用人造的鐘表和無線電波，未來會重新利用自然天體，看似又回到了起點，但這并不是簡單的重復，而是預示著人類更加燦爛和激動人心的未來。

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)從無到有，歷經(jīng)26載，北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的成功，離不開強大的祖國，離不開那些孜孜奉獻的中國科研人員，艱難歷程只有那些經(jīng)歷過的人才會懂，讓我們一起向這些北斗導航系統(tǒng)背后的人致敬！一起向這偉大的民族致敬！