26载风雨：带你领略从‘北斗’到北斗卫星导航**的蜕变
“你在哪里，你从哪里来，要到哪里去？”千万年来，人类一直在用各种方式追寻这个问题的答案。从日月到星体，从罗盘到指南针，从无线电到雷达。一次次的技术突破都只为了那个苦苦追寻的坐标，而直到卫星导航**的出现，才让这个答案变得到一个相对清晰的回答。
卫星导航**，即“全球卫星导航**”。它是一种采用最新GPS技术在导航通讯领域的最新应用**。全球定位**(GPS）是20世纪70年代由美国陆海空三军联合研制的新一代空间卫星导航定位**。
1972年，美国通过引入N**STAR全球定位** (GPS)，一直在导航、指挥、控制和**制导方面占据战略优势。然而，美国并不是当今唯一拥有GPS的国家。
2020年6月23日9时43分，北斗三号第三十颗卫星乘着长征三号乙运载火箭从西昌发射场发射升空。经过25分钟的飞行，卫星与火箭准时分离，卫星太阳翼展开到位，卫星发射成功了。
至此，耗时26年、投入超过120亿美元、先后发射59颗卫星的自研卫星导航**终于建成。
直至这一天，我国有了自己的全球导航定位**，彻底结束了依赖GPS的历史。同时，北斗将向目前仍占据着1.2万亿全球卫星导航产业中90%市场份额的GPS导航**发起新一波冲击。
世界卫星导航**四大扛把子
我国于2020年完成了名为北斗的卫星导航**，这是与美国 GPS、俄罗斯的 GLONASS 和伽利略的欧盟印度星座 (NavIC) 并列的四个全球卫星导航网络之一。
美国全球定位**
GPS由24颗卫星组成，分布在6条交点互隔60度的轨道面上，精度约为10米，军民两用，正在试验第二代卫星**。
俄罗斯格洛纳斯
GLONASS**。由24颗卫星组成，精度在10米左右，军民两用，设计2009年底服务范围拓展到全球。
欧洲伽利略
GALILEO**。由30颗卫星组成，定位误差不超过1米，主要为民用。2005年首颗试验卫星已成功发射。已经于2008年开通定位服务。
我国北斗卫星导航**（BDS）
我国北斗卫星导航**是我国自主建立的全球卫星导航**。1994年，我国开始研制北斗卫星导航**；2000年，建成北斗导航试验**。
2012年，**具备覆盖亚太地区的定位、导航和授时以及短报文通信服务能力。
2020年，建成覆盖全球的北斗卫星导航**。
经过20余年的实践证明，GPS**是一个高精度、全天候和全球性的无线电导航、定位和定时的多功能**。GPS技术已经发展成为多领域、多模式、多用途、多机型的国际性高新技术产业。
战争利器：卫星导航定位技术
长期以来，美国的 GPS ****技术一直处于世界领先地位。20世纪90年代初，美国等国家发动对***的海湾战争。
这场战争与以往的传统作战方式不同，美国在战争一开始便祭出大量精确制导**。结果，战争仅用40余天便结束，美军以146人阵亡、467人受伤的代价取得战争胜利。相比之下，战败的伊军伤亡人数达10万。事后美国在对这场战争的总结报告中，将胜利归功于一项新技术--美国于1973年开始研发和建设的GPS。正是借助GPS的定位、导航能力，精确制导**可以极高的命中率直达目标，既避免伤及无辜，又大大提升作战效率。从此，便流传出一句军事名言：谁能掌握卫星导航的优势，谁就掌握了战争的主动权。
其实除了大家都能想到的定位、导航之外，卫星导航**还具有精确授时、测速等功能，在关系国民经济生产安全的诸多领域都扮演着重要的角色。比如在人们已经习以为常的高铁中，导航**在不依赖于地面设备的情况下能全天候为列车进行定位和测速，从而避免列车追尾；在电网中，电厂、变电站的电力自动化设备、安全自动保护设备、故障记录等智能设备需要同步运转，此时就用到导航卫星的授时功能；甚至人们天天使用的共享单车，也依靠定位**实现电子围栏停车。不仅如此，在无人驾驶、测绘、出海航行、灾害救援等众多领域，导航**发挥着无可替代的作用。
而在战时状态，一旦导航**不受自己控制，那么精准制导**的精准性、飞行路径就无法保证。严重的情况下，**甚至无法作战，形同废铁。可以说，卫星导航**就像人类的第三只眼睛，时刻观测着地球上发生的一切行为。
双星定位理论
其实早在20世纪60年代初，我国就开始研究利用卫星进行地面定位服务的计划。但由于当时国家经济基础较弱等其它原因，这一计划最终并未得到实施。
时间来到1985年10月，“863”计划倡导者、中科院院士陈允芳在我国科学院和原*******联合召开的会议上提出了一个大胆的构想：用两颗地球静止轨道卫星，就可以覆盖我国区域，并对地面目标和海上移动物体进行定位导航，还能兼具通信功能。而这一构想，就是日后被称为“双星定位”理论，也正是日后北斗一号卫星导航**的雏形。
1989年9月25日，在北京一处不足30平米的临时机房里，陈允芳院士首次用两颗卫星演示了“******”。次日，新华社发布消息：我国利用两颗卫星快速定位、通信和定时一体化并获得理想的实验数据……这次实验的成功，给了我国人极大的信心--我国有能力造出属于自己的卫星导航**。
苦于当时没有合适的时机，自建卫星导航**的想法一直没被重视。而随着海湾战争的爆发，让一些有远见的科学家意识到卫星导航**的重要性。而此后发生的“银河号”事件，则让我国人意识到自建卫星导航**的必要性。
1993年7月23日，我国“银河号”货轮载着制造化学**的原料运往**。当货轮行驶到印度洋上，突然停止了--导航没有信号，船员不辨方向，无法继续前行。随行船员还以为是信号设备出了故障，结果怎么维修都无济于事。后来才得知，原来是美国怀疑我国向**输送**，故意停掉了该船所在海域的导航信号。
这一消息传回国内，让许多航天科学家和国防人员意识到自主导航的重要性。随后，中科院院士孙家栋找到时任*****副主任的沈荣骏，称“发展卫星导航，刻不容缓，势在必行。”结果两人不谋而合，联名向国家“上书”，建议启动我国北斗卫星导航**。1994年12月，北斗导航实验卫星**工程获得国家批准。
差距和困境
在早期研发卫星导航**的资金上，我国和美国间的差距十倍不止。当时，美国已在GPS工程上投入了超过200亿美元，且每年维护费用高达5亿美元；但当时我国的经济基础仍十分薄弱，研发包括航天在内7大领域技术的“863”计划预算也才区区只有100亿人民币。
除了缺钱，更大的困难是缺技术、缺人才。卫星导航**是关系一**事安全的“国之重器”，而当时的西方国家在几乎所有高科技领域都对我国实施严酷的技术**。比如，在大推力电动振动试验设备领域，20世纪80年代以前国外对我国禁运1吨以上推力的振动平台，90年代后改为禁运5吨以上推力的振动平台，后又改为禁运9吨以上的设备。
甚至1996年7月，包括美国、英国在内的33个西方国家又签署《瓦森纳协定》，对我国等国家实施**、军民两用商品和技术的控制清单，包括电子器件、计算机、传感器、新材料等9大类高新技术被实施禁运。
在既缺钱又缺技术的情况下，北斗****出来了自己的“开创性”：当时的北斗一号研发团队，陈允芳、孙家栋等人没有选择采用GPS的无源定位技术，而是基于有源定位技术（定位时，用户终端需通过导航卫星向地面控制中心发出一个申请定位的信号；无源定位则不需要），用两颗地球静止轨道卫星就可以对地面目标和海上移动物体进行定位导航，且能覆盖我国及周边区域。
但北斗一号没有高度信息，而要完成相似区域的覆盖，按照GPS和苏联的格洛纳斯（苏联解体后由俄罗斯”继承“）**的原理，至少需要三颗卫星。
北斗一号的另一个特殊之处是，它还具备一般导航卫星没有的短报文通信功能。这意味着北斗卫星同时具备卫星的3个主要应用方向--“通导遥”（即通信、导航和遥感）中的两项。这对当时的我国而言，可谓花小钱办大事，一石二鸟。
立项6年后的2000年，北斗一号的首批两颗地球静止轨道卫星成功发射，北斗一号实验**正式建成并开始投入使用。尽管那时候北斗一号看上去还是那么的简陋，但意义非凡，凭借这两颗卫星，我国成为继美国、俄罗斯之后世界上第三个拥有自主卫星导航**的国家。
百废待兴的北斗一号
20世纪70年代，我国就想建立自己的卫星导航**。结合当时国内经济和技术条件，陈芳允院士于1983年创新性地提出了双星定位的设想。之后，北斗**工程首任总设计师孙家栋院士，进一步组织研究，提出“三步走”发展战略。
第一步，2000年，建成北斗一号**（北斗卫星导航试验**），为我国用户提供服务。
1994年，启动北斗一号**工程建设；2000年，发射2颗地球静止轨道卫星，建成**并投入使用，采用有源定位体制，为我国用户提供定位、授时、广域差分和短报文通信服务；2003年发射第3颗地球静止轨道卫星，进一步增强**性能。
第二步，2012年，建成北斗二号**，为亚太地区用户提供服务。
2004年，启动北斗二号**工程建设；2012年年底，完成14颗卫星（5颗地球静止轨道卫星、5颗倾斜地球同步轨道卫星和4颗中圆地球轨道卫星）发射组网。北斗二号**在兼容北斗一号**技术体制基础上，增加无源定位体制，为亚太地区用户提供定位、测速、授时和短报文通信服务。
第三步，2020年，建成北斗全球**，为全球用户提供服务。
2009年，启动北斗三号**建设；2018年年底，完成19颗卫星发射组网，完成基本**建设，向全球提供服务；计划2020年年底前，完成30颗卫星发射组网，全面建成北斗三号**。北斗三号**继承北斗有源服务和无源服务两种技术体制，能够为全球用户提供基本导航（定位、测速、授时）、全球短报文通信、国际搜救服务，我国及周边地区用户还可享有区域短报文通信、星基增强、精密单点定位等服务。
1994年，我国正式启动了北斗一号**的建设。2000年，我国发**2颗地球静止轨道卫星，建成**并投入使用。
北斗一号采用有源定位体制，为我国用户提供定位、授时、广域差分和短报文通信服务。
2003年，我国又发射第3颗地球静止轨道卫星，进一步增强北斗一号**的性能。
北斗一号使我国成为继美、俄之后第三个拥有卫星导航**的国家。
北斗一号是探索性的第一步，初步满足我国及周边区域的定位导航授时需求。
北斗一号巧妙设计了双向短报文通信功能，这种通导一体化的设计，是北斗的独创。
“一路开挂”的北斗二号
2004年，我国启动了北斗二号**的建设。北斗二号并不是北斗一号的简单延伸，它克服了北斗一号**存在的缺点，提供海、陆、空全方位的全球导航定位服务，类似于美国的GPS和欧洲的伽利略定位**。
2007年4月14日4时11分，第一颗北斗二号导航卫星从西昌卫星发射中心被长征三号甲运载火箭送入太空。
2009年4月15日，第二颗北斗导航卫星由长征三号丙火箭顺利发射，位于地球静止同步轨道。
随后，北斗卫星导航**的建设开始突飞猛进。2010年，西昌卫星发射中心在一年之内接****5颗北斗导航卫星。在接下来的几年里，只有2013年和2014年没有发射卫星，其他年份每年都有3颗以上的卫星被发射上天。
2012年，我国完成14颗卫星的发射组网。这14颗卫星分别运行在3种不同的轨道上，其中5颗是地球静止轨道卫星、5颗是倾斜地球同步轨道卫星，还有4颗是中圆地球轨道卫星。北斗二号在兼容北斗一号技术体制基础上，增加无源定位体制，为亚太地区提供定位、测速、授时和短报文通信服务。这种中高轨混合星座架构，为全世界发展卫星导航**提供了全新范式。
2019年5月17日23时48分，我国在西昌卫星发射中心用长征三号丙运载火箭，成功发**第四十五颗北斗导航卫星。该卫星是我国北斗二号工程的第四颗备份卫星，至此，我国北斗二号区域导航**建设**收官。
北斗二号实现了亚太区域导航定位功能，它无源定位和有源通信卫星相结合，民用定位精度可达10米。可提供实时导航、快速定位、精确授时、位置报告和短报文通信等五项服务。
“北斗速度”的北斗三号
2009年，我国启动了北斗三号**的建设。
2017 年 11 月 5 日，第一颗北斗三号卫星发射升空。北斗三号**的建设速度更加惊人。
2018一整年，北斗三号共发**18颗卫星，这在世界导航卫星史上破了先例，缔造了“北斗速度”。
到2019年12月，仅两年多的时间，科研人员就将 28 颗北斗三号组网卫星和 2 颗北斗二号备份卫星成功地送入预定轨道，以平均每个月1.2颗卫星的发射密度，刷新了全球卫星导航**组网速度的世界纪录。
北斗三号要实现全球导航服务的目标，就必须与其他卫星导航**同台竞技，它必须在性能和服务水平上都做到世界一流。
因此，科研人员在信号体制上进行创新性设计，同时对影响信号质量性能的设备进行攻关，攻克了卫星使用的高精度铷钟、氢钟、铯钟等时频技术，信号生成和播发设备性能已达到国际同类产品的先进水平，增加星钟自主平稳切换和信号完好性监测等功能，保证信号连续性，极大地提高了导航服务的可靠性，在局部上处于领先水平。
同时我国科研人员在如何管理24颗中轨导航卫星时，还开发了一项新技术：星座自主运行。简单说，就是这些导航卫星上都增加了一个通信模块，彼此之间能建立通信链路，这样就可以实现不出国门而管理在境外运行的导航卫星了。在此基础上，我国科研人员又实现卫星之间的双向精密测距，从而能够让导航卫星自主计算并修正卫星的轨道位置和时钟**，即便地面站全部失效，这些导航卫星也能通过星间链路提供精准定位和授时，在一段时间内继续保证地面用户正常使用卫星的定位和导航服务。
此外，为确保我国卫星上使用的产品都是自主可控的，通过发动国内元器件、单机产品研制单位攻坚克难，使卫星上的产品全部由我国制造。
如今，经过北斗科研团队的艰苦努力，北斗三号全球卫星导航**已全面建成，正在向全球提供安全可靠、连续稳定的高精度导航定位与授时服务。
结束语
人类的导航定位技术，从北斗开始，经历了磁罗盘、天文导航、经纬度定位、无线电导航、惯性导航……最后复归“北斗”；从一开始利用自然界存在的天体，接着利用人造的钟表和无线电波，未来会重新利用自然天体，看似又回到了起点，但这并不是简单的重复，而是预示着人类更加灿烂和激动人心的未来。
北斗卫星导航**从无到有，历经26载，北斗卫星导航**的成功，离不开强大的祖国，离不开那些孜孜奉献的我国科研人员，艰难历程只有那些经历过的人才会懂，让我们一起向这些北斗导航**背后的人致敬！一起向这伟大的民族致敬！
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