北斗,我们如何做到后来居上的

对导航的需求要追溯到古代，当人类文明诞生起就对导航产生了需求。但那时的导航需求很简单，外出狩猎需要辨别方向；采摘野果也需要识别方向不至于迷路。

当时人们找到了一种参照物，就是太阳。经过长期的观察发现，太阳的方向始终悬在太空的南侧，虽然随着时间的推移会产生缓慢的移动，但用于辨别方向已经足够，这就是早期的简易导航。

白天用太阳识别方向，晚上怎么办呢？特别是古代打仗搞突袭需要夜晚行军，有月亮的时候还能看得见，没月亮的时候伸手不见五指，又是如何识别方向，保证行军方向的准确性？

这个也难不倒祖宗的智慧，经过长年累月的观察星空，人们发现夜空中有七颗星星的指向始终不变，就是后人俗称的北斗七星，北斗七星的勺口所指方向的五倍星间距即为北极星。而且夜空中的北斗七星更容易辨认，七星相连呈勺状结构，每颗星都很明亮。

夜空中的北斗星

历史的车轮不断向前，人类文明也在按部就班的发展。到战国时期，在磁山附近工作的人们偶然发现磁石除了可以吸附铁器，而且还具有指向性。经过多方面的实验和研究，终于发明了实用的司南（即指南针）。

有了司南，无论是白天还是夜晚，无论刮风还是下雨，无论是星空万里还是乌云密布。人们行夜路，军队夜行军，都可以依靠司南准确判断方向，给生产生活带来便利。

司南

斗转星移，时间流逝，时间从古代拉回到现代。

年10月1日，新中国成立，经历百年风雨的中国又站了起来。

年，抗美援朝，跟美国在朝鲜打了一场阵地战，久经战场的中国轻步兵，在装备条件极差的情况下把以美国为首的联合国军赶到了三八线以南。即使装备比美国差了不是一点点，我们也没有惊慌和恐惧。

年，中国应北越请求，向越南派出地面部队，共同抗击美国。在越南的热带雨林里，美军付出了惨重的伤亡代价。尽管美国装备先进，派出大量的轰炸机进行地毯式的轰炸，但最终未能取得最后的胜利。年，美国政府和北越政府签订了停战协议，美军从南越撤出。

我们发现一个有趣的现象，南朝鲜、北朝鲜，南越南、北越南，只要有美国的地方，这个国家基本就是分裂的。要么就是被美国颠覆政权亲美了，完整独立的主权就不要想了。

年，由于伊拉克对科威特的入侵导致海湾战争爆发。以美国为首的多国部队，在还未完全成型的GPS加持下，对伊拉克发动了代号为沙漠盾牌行动、沙漠风暴行动和海上拦截行动3个主要军事行动。

美国海军陆战队在GPS的导航下，从荒无人烟的沙漠地区发起进攻，打了伊拉克一个措手不及。伊拉克无论如何也想不到，美军会从被视为生命禁区的沙漠成功发动进攻，茫茫沙漠不要说打仗，就连正常行军都非常困难。

然而美国依靠GPS导航系统，只用了43天就将伊拉克，这个号称世界第三的军事强国打的溃不成军，要知道伊拉克可是在一天之内就搞定了科威特。

GPS的恐怖战力大大超出了美国的预期，也刷新了各国军界的认知。

到战争结束，美军只有人阵亡、人受伤，而伊拉克却伤亡10万人。

这一战令人震撼的是，美国的导弹跟长了眼睛似的。以前需上百颗炸弹才能搞定的目标，只需2颗导弹就够了！一颗炸开豁口，另一颗精准跟进。而这一切靠的就是GPS定位导航。

美军的海湾一战，震惊全球，包括中国，军队的信息化、现代化已刻不容缓。

下面我们以时间为线，以世界现有的导航系统为珠，串起导航系统的发展历程。

1.全球定位系统（GPS）

全球定位系统，简称GPS，因其广泛的民用而被全世界的人所熟知。

GPS，由美国政府年代开始进行研制，并于年全面建成。

在此之前，美国海陆空三军及民用部门都感到迫切需要一种新的卫星导航系统。为此，美国海军研究实验室提出了名为Tinmation的用12到18颗卫星组成公里高度的全球定位网计划，并于67年、69年和74年各发射了一颗试验卫星，在这些卫星上初步试验了原子钟计时系统，这是GPS系统精确定位的基础。

而美国空军则提出了-B的以每星群4到5颗卫星组成3至4个星群的计划，这些卫星中除1颗采用同步轨道外其余的都使用周期为24h的倾斜轨道。该计划以伪随机码（PRN）为基础传播卫星测距信号，其强大的功能，当信号密度低于环境噪声的１％时也能将其检测出来。伪随机码的成功运用是GPS系统得以取得成功的一个重要基础。

美国GPS导航系统

年美国国防部将海军，空军需求合二为一，并由国防部牵头的卫星导航定位联合计划局（JPO）领导，还将办事机构设立在洛杉矶的空军航天处。该机构包含了美国陆军、海军、海军陆战队、交通部、国防制图局、北约和澳大利亚。

该计划的最初方案是将24个卫星放置在互成度的六个轨道上。由于预算不足，改为将18个卫星分布在互成60度的6个轨道上。年又进行了最后一次修改：在互成30度的6条轨道上有21个运作卫星和3个备份卫星。

GPS计划的实施分为三个阶段：

第一阶段为方案论证和初步设计阶段。

从年到年，由位于加利福尼亚的范登堡空军基地采用双子座火箭发射4颗试验卫星，卫星运行轨道长半轴为km，倾角64度。轨道高度km。这一阶段主要研制了地面接收机及建立地面跟踪网。

第二阶段为全面研制和试验阶段。

从年到年，又陆续发射了7颗称为BLOCKI的试验卫星，研制了各种用途的接收机。实验表明，GPS定位精度远远超过设计标准，利用粗码定位，其精度就可达14米。

第三阶段为实用组网阶段。

年2月4日第一颗GPS工作卫星发射成功，这一阶段的卫星称为BLOCKII和BLOCKIIA。此阶段宣告GPS系统进入工程建设状态。年底使用的GPS使用的（21+3颗）导航卫星全部就位，今后将根据计划更换失效的卫星。

整个项目前后共耗时17年，共花费资金亿美元，在此时除了苏联之外，很少有国家能够拿出如此巨额的资金发展自己的卫星导航系统。

此时的中国还很穷，军事为经济发展让路，两者只能选其一。

2.格洛纳斯卫星导航系统（GLONASS）

年，苏联军方确认需要一个卫星无线电导航系统，用于新一代弹道导弹的精确导引。-年，苏联国防部、科学院和海军的一些研究所联合起来要为海、陆、空、天武装力量建立一个单一的解决方案。

年这个系统的需求文件编制完成。进一步研究之后，在年，苏联决定建立格洛纳斯导航系统。

格洛纳斯系统将使用24颗卫星实现全球定位服务，可提供高精度的三维空间和速度信息，也提供授时服务。按照设计，格洛纳斯卫星由中轨道的24颗卫星组成，包括21颗工作星和3颗备份星，分布于3个圆形轨道面上，轨道高度千米，倾角64.8°。

和GPS系统不同，格洛纳斯系统使用频分多址(FDMA)的方式，每颗格洛纳斯卫星广播两种信号，L1和L2信号。然而，GLONASS卫星一直处于低效率运行状态，只有8颗卫星是全功能工作的。

年至年间，发射了3颗模拟星和18颗测试卫星。由于苏联的卫星和电子设计水平和美国有很大差距，苏联这些测试卫星设计寿命只有一年，真实的平均在轨寿命也只有14个月。

这是苏联产品一贯的作风，能用就行，寿命低一点无所谓，质量不行拼数量。

格洛纳斯系统年正式建设，年—年，6颗真正的格洛纳斯卫星被发射升空，这些卫星对比原型卫星改进了授时和频率标准，增强了频率的稳定性，不过它们的寿命仍然不佳，只有大约16个月的平均寿命。此后又发射了继续改进的12颗卫星，不过一半的卫星由于发射事故损失了，这些新卫星设计寿命2年，实际平均寿命是22个月。

俄罗斯格洛纳斯导航系统

年，格洛纳斯系统共计发射了包括早期原型卫星在内的30颗卫星，在轨可用卫星9颗。年开始发射的卫星是进一步改进的版本。这些卫星采用三轴稳定技术和精密铯原子钟，设计寿命进一步提高到3年，在年到年间此版本的格洛纳斯卫星发射了54颗之多。

如此高的损耗、消耗率导致格洛纳斯一直不能有效联网，在轨的可正常使用的卫星数量过少，不能有效提供准确的定位导航信号。

苏联解体后，俄罗斯继承衣钵。年俄罗斯耗资30多亿美元，完成了GLONASS导航卫星星座的组网工作。它也由24颗卫星组成，原理和方案都与GPS类似，不过，其24颗卫星分布在3个轨道平面上，这3个轨道平面两两相隔°，同平面内的卫星之间相隔45°。每颗卫星都在千米高、64.8°倾角的轨道上运行，轨道周期为11小时15分钟。由于俄罗斯国土的巨大跨度，因此地面控制部分全部都在俄罗斯领土境内。

格洛纳斯民码的开放使用，打破了美国GPS卫星导航在民用领域一家独大的局面。但格洛纳斯卫星平均在轨道上的寿命较短，且由于经济困难无力补网，在轨可用卫星少，不能独立组网，导致民用领域的普及远不及GPS。

在卫星通信频段上，国际社会认可的是先到先得原则，谁先发射谁就抢占了先机。美国拔得头筹占领了最好的频段，苏联紧随其后占用了第二好的频段。

频道是稀有资源。占得先机的美国和俄罗斯分别拥有最好的使用频段，中国所看中的频段被认为是美国和俄罗斯之后的次优频段。

3.伽利略卫星导航系统（Galileo）

为什么把伽利略放在第3位？因为中国在北斗研发遇到技术瓶颈时曾加入到伽利略卫星导航系统。

年2月由欧洲委员会公布，由欧洲委员会和欧空局共同负责欧洲的伽利略卫星导航系统。

欧盟推出伽利略卫星导航系统计划，是为了摆脱欧洲对美国全球定位系统的依赖，打破其垄断。该项目总投入达34亿欧元。

欧洲伽利略导航系统

年欧洲委员会的报告对伽利略系统提出了两种方案:

一是21+6方案，采用21颗中高轨道卫星加6颗地球同步轨道卫星。这种方案唯一缺点是要与美国的GPS系统和本地的差分增强系统相结合。

二是36+9方案，采用36颗中高轨道卫星和9颗地球同步轨道卫星或只采用36颗中高轨道卫星。这一方案可在不依赖GPS系统的条件下满足欧洲的全部需求。

由于经费原因，最终上述两个方案都被弃用。其最终方案是:系统由轨道高度为km的30颗卫星组成，其中27颗工作星，3颗备份星。

但该计划加盟国众多，不同加盟国有不同的诉求，使得计划的推进产生较大阻力，计划几经推迟。

年10月21日，俄罗斯联盟运载火箭携带欧洲伽利略全球卫星导航系统首批两颗卫星，从法属圭亚那库鲁航天发射中心发射升空。比中国北斗二号整整晚了5年，5年时间足以改变很多，5年时间从领先变为追赶。

年10月，第三颗和第四颗伽利略在轨验证卫星搭乘联盟火箭发射升空。

截止年12月，伽利略导航系统在轨卫达到18颗星。

预计到年，伽利略卫星导航系统在轨卫星将达到30颗，届时将向全球提供定位精度在1～2米的免费服务和1米以内的付费服务。

欧洲伽利略导航系统

与美国的GPS系统相比，伽利略系统更先进，也更可靠。美国GPS向别国提供的卫星信号，只能发现地面大约10米长的物体，而伽利略的卫星则能发现1米长的目标。

然而天有不测风云，年7月14日，受与地面基础设施相关的技术问题影响，伽利略系统的初始导航和计时服务暂时中断。年8月18日，伽利略卫星定位系统修复完毕，定位和导航服务恢复正常。

4.北斗卫星导航系统（BDS）

前期探索：

北斗”卫星导航试验系统（也称“双星定位导航系统”）为我国“九五”列项，其工程代号取名为“北斗一号”，其方案于年提出。

我国结合国情，科学、合理地提出并制订自主研制实施“北斗”卫星导航系统建设的“三步走”规划：

第一步是试验阶段，即用少量卫星利用地球同步静止轨道来完成试验任务，为“北斗”卫星导航系统建设积累技术经验、培养人才，研制一些地面应用基础设施设备等；第二步是到年，计划发射10多颗卫星，建成覆盖亚太区域的“北斗”卫星导航定位系统（即“北斗二号”区域系统）；第三步是到年，建成由5颗地球静止轨道和30颗地球非静止轨道卫星组网而成的全球卫星导航系统。

信号的“快捕精跟”问题：

年，北斗导航工程立项启动不久，就遇到了一个迫切需要解决的问题——信号“快捕精跟”。就是在最短的时间里能捕捉到卫星信号，以此实现定位导航，这可以说是整个导航系统的基础。能否实现对信号的“快捕精跟”将成为决定北斗一号整体性能甚至左右整个工程进展的关键。

我们年轻的工程师从北京抱回一台比较先进的计算机，拿了4万元的尝试经费，开始了艰难的攻关历程。没有实验室，随便找个仓库凑合。没有仪器设备，就找人借，在极为艰难的条件下，他们的仿真试验取得了理想效果。

整整三年，在日复一日的加班研发中度过，三年时间恨不得当作六年来用。

年5月，终于迎来苦尽甘来的日子，测试得到的第一批“快捕精跟”数据，取得了非常好的效果。

解决了核心技术问题，年，两颗北斗导航试验卫星被送上太空。

年，由于欧盟的伽利略计划缺乏资金，且中国的北斗计划遭遇了没有原子钟的困难，于是中国加入了伽利略计划。

然而由于美国的打压，在中国付出2.3亿欧元的加盟费后，欧盟将中国排除在核心团队之外，资料不让浏览、技术细节保密、决议不让表态。更令人气愤的是一分钱没花的日本和印度拥有的话语权竟然比中国还大。

不能进入研发核心等于2.3亿欧元变相的打了水漂，随后中国退出了伽利略卫星导航系统。

欧洲人对中国不屑一顾，他们认为仅凭中国的实力不可能造出自己的卫星导航系统。但中国人不信这个邪，越是遇到困难，越要迎难而上。

克服原子钟难题：

北斗二号系统的开发比北斗一号更难。年，当时正在建设的北斗二号系统遇到了“原子钟”问题。原子钟是导航卫星的心脏，差之毫厘谬以千里。没有原子钟不行，精度差了更不行。

此前，瑞士一家公司承诺出口原子钟，但被要求必须比伽利略所用的，低一个数量级精度。北斗转为独立研发后，瑞士公司忽然终止合作，求人不得，只能靠自己。

为加快原子钟的研制进度，北斗系统成立了三支队伍同时开展研发，为了分散风险加快进度。

多少个日日夜夜，年轻的团队，通过大量的分析和计算，无数的试验分析和验证，终于在年4月，让这一颗中国心原子钟，伴随我国首颗北斗二号试验卫星成功发射上天。

氢原子钟

仅仅两年时间，中国的年轻科学家就攻克了这项世界难题，而同时欧洲的伽利略导航系统，却因原子钟故障，不得不补发卫星。

现在，用在北斗三号上的原子钟，其精度已提升到每万年1秒的误差，部分指标已超越GPS和伽利略系统。

按照国际电信联盟通用的程序，中国已经向该组织通报了准备使用的卫星发射频段，这一频段正好是欧洲伽利略系统准备用于公共管理服务的频段。

按照谁先使用谁先得的国际法原则，中国成功发射三颗北斗二代卫星，正式启用该频段，而欧盟连预定的三颗实验卫星都没有射齐，失去了对该频段的争夺资格。

克服地面基站问题，建立星链技术：

欧美等西方国家并不希望中国有自己的定位导航系统，中国的地面站，在境外很难建立。没有境外地面站，很难对中国区域以外的卫星进行定位，这是一个很大的问题。

就在众人焦头烂额的时候，北斗年轻的团队提出了一个大胆的想法：星间链路。

星间链路就是让卫星与卫星之间建立起稳定的链接，将遍布全球的卫星编织成一张网，只要有一颗卫星在中国的领空，所有卫星便能通过它联系到国内地面站。

然而，要在茫茫太空实现两颗卫星建立链接，并实现通信、测距，且精度达到厘米级，这个难度可想而知。

星间链路示意图

整个科研团队，历时五年攻关，同时做了一颗模拟卫星进行技术验证，北斗卫星全球组网的关键技术取得关键突破。

最终，星间链路技术让北斗三号“太空兄弟手拉手”，不仅解决了没有地面站的问题，还将定位精度提升到了7万公里测距精度达到厘米级。相当于能看清几十公里外的一根头发丝。测量精度远远高于GPS。

5.后记

年6月23日，北斗导航系统最后一颗组网卫星准确飞入预定轨道。至此北斗已完成全球组网，55颗组网卫星在预定轨道稳定运行，其精度远超格洛纳斯和伽利略，与GPS不相上下。

北斗导航系统

俄罗斯的格洛纳斯现有在轨工作卫星9颗，因为资金问题，无力发射卫星进行补充，已失去和北斗、GPS竞争的能力。在目前的情况下只能作为区域性的卫星导航系统。

欧洲的伽利略系统稳定性堪忧，年7月14日，发生了长达36天的导航中断问题，后来在中国的帮助下修复问题。但伽利略的稳定性已经打了一个大大的折扣，后续能否稳定运行引人堪忧。

至此，能提供全球导航的卫星系统只剩下GPS和北斗，北斗建设时间虽然远远晚于GPS，但胜在有后发优势和新技术的加持，在导航的精度上达到0.5米级，高于GPS的1米级。

多少北斗人日夜奋战，呕心沥血，在欧美封锁的情况下，克服了一个又一个的困难，将中国人自己的北斗导航建设了起来。

当我们每天打开手机打车、导航或者点外卖的时候，殊不知这正是在我们北斗的支持下实现的。当轮船在远洋航行，当飞机在天空飞驰，当列车在大地驰骋，背后都是北斗导航在默默提供着定位的支持。

我庆幸生在这样一个国家，这样一个勤劳向上的国家；庆幸生在这样一个民族，一个传承了千年中华文明的民族；也庆幸我们身上都有一个共同的标记，我们都是龙的传人。

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