北斗系统的艰辛探索：步步为营

随着我国改革开放的迅猛发展，建立一个由我国独立自主研制的卫星导航定位系统的迫切需求愈加强烈。我国正式将卫星导航建设工程列为重点研究项目，大量理论和技术研究工作持续推进。北斗工程并非中国首次在卫星导航领域进行的探索。早在20世纪60年代末，“两弹一星”先驱们便开始在卫星导航领域艰辛探索。这项具有开创意义的重大工程，有一个既生动形象又兼具美好寓意的名字——“灯塔计划”。虽然受困于技术力量、经济力量、科研基础等因素，“灯塔计划”未能获得成功，但却迈出了理论探索和科研实践的第一步，指引着后来者前行的航向。

1983年，以陈芳允院士为代表的专家学者们提出了“双星定位”理论，即利用两颗地球同步卫星进行导航定位的构想，这一理论成为了北斗系统建设发展的重要理论基础。所谓“双星定位”，即利用两颗太空卫星实现导航、定位等功能。众所周知，GPS卫星系统选择了24颗卫星组网，通过3—4颗卫星实现精准定位。卫星的运行需要轨道，根据国际惯例，卫星轨道“先到先得”。美国作为世界第一大强国，其卫星发展也是最快的，自然占据着最优的近地卫星轨道。“双星定位”方案中，需要用户通过高度仪自测相关参数，并将结果作为第三个坐标，这如同是在地球中心装了一个虚拟的卫星，从而实现了“三星定位”。这一方案从成本控制的角度来看，更为经济实用。

然而，“双星定位”最大的技术难题是如何确保两颗卫星始终在中国上空飞行。一旦卫星偏离到中国大陆以外的地方，我们就无法使用定位功能了，因而卫星必须要妥妥地停在中国大陆的上空。从技术上来讲，北斗一代采取了静止高轨道的双星定位方案，虽然牺牲了一定的性能，但却是最为理性科学的选择。此外，由于卫星是静止轨道，得以与国际通信卫星一样完成通信任务，于是既能定位又能通信，“身兼两职”就成为了北斗一代的技术特点，而GPS等其他定位导航系统都是不支持通信功能的。“双星定位”的概念也在不断被立体化、现实化，以“双星定位”理论为基础形成的中国北斗导航试验系统研究也正式展开。

关于北斗系统的建设和发展，当时也引发了许多争议，最终结合国情，“先区域、后全球”的思路被确定了下来，同时也就形成了北斗卫星导航系统建设的“三步走”战略。

第一步，建成区域性导航系统。这一步的标志性成果是2003年由中国自主研发的“北斗一号”定位系统完成，“北斗一号”实现了全天候、覆盖中国和周边地区的卫星定位作用，它的建成代表着中国成为了继美、俄之后第三个拥有自主卫星导航系统的国家。

第二步，提升导航定位系统性能。随着第一步战略目标的顺利完成，“北斗二号”定位系统也被提上了日程。2012年10月25日，我国将“北斗二号”系统的最后一颗卫星送入了预定轨道。同年12月28日，“北斗二号”系统便正式开通运行，提供区域性的服务，与美国全球定位系统（GPS）、俄罗斯“格洛纳斯”系统、欧洲“伽利略”系统并列成为国际卫星导航系统的全球四大服务商。这标志着我国顺利达成了北斗卫星导航系统建设的第二步战略目标。

第三步，形成高质量全球覆盖能力。基于前两步的顺利实现，北斗系统第三步建设更高效、更迅速地展开。星间链路、全球搜救载荷、新一代原子钟等的生产建设，使得北斗卫星导航系统的整体性能得到了大幅度的提升。2020年6月23日，随着第55颗“北斗”组网卫星的成功发射，标志着“北斗三号”全球卫星导航系统的部署已全面完成，能够提供覆盖全球的定位、导航和授时服务，并且能够达到高精度、高可靠的水准。

在卫星导航系统研发过程中，中国始终坚持通过开展国际合作、联合攻关的方式推进技术攻关和项目建设。然而，西方国家对与中国的合作研究并未拿出诚意。早在2003年，中国便拿出了2.3亿欧元，想要与欧盟进行合作，深度融入“伽利略系统”研究与开发。然而，欧洲只是与中国交流边缘技术，限制中国与核心技术的密切接触，甚至在2007年对中国关闭了科研合作的大门。现实告诉我们，关键核心技术是要不来、买不来、讨不来的。在憋着一股劲的情况下，中国科研人员进行了长达20多年的艰苦研发研制，终于顺利完成“三步走”的战略布局，完成了西方国家近半个世纪才实现的拥有自主知识产权的全球导航系统。更令人欣慰的是，北斗系统甚至超过了欧盟的伽利略系统，率先实现了全球组网，提前占据了更优位置的卫星轨道！

北斗卫星导航系统是中国在空天卫星领域的一大重要进展，与GPS相比，北斗在以下三个方面实现了技术性突破与跨越式发展。(www.xing528.com)

首先，从卫星空间分布与组成来看，GPS卫星导航系统由均匀分布在6个轨道面上的21颗工作卫星与3颗备用卫星组成，在赤道面上等间隔60°分隔，轨道倾角呈55°，这样保证了在任意地点、任意时间都能由4颗以上卫星观测；而我国自行研发的北斗卫星导航系统由55颗卫星组成。虽然北斗系统只需要35颗（5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星）即可完成预定任务，但因为我国北斗组网卫星需要升级，而在轨卫星也因为使用周期问题需要更新换代，所以总发射数量就会比目标数量要多一些。

其次，从卫星源定位来看，GPS卫星导航系统使用的是无源定位，即用户终端无须向卫星发射无线电信号通信；北斗卫星导航系统从二代开始和GPS一样使用无源定位，但是保留了一代的有源定位作为补充，即用户终端自己向卫星发射信息进行卫星通信。有源定位相较于无源定位速度快了许多，无源定位虽然定位精度高，通常水平定位精度可达到10米以内，但冷启动时间较长。有源定位牺牲了小部分的精确度来保证高效性。使用有源定位作为补充，能够保证在观测条件不佳的情况下也能进行大致定位，对于突发性紧急情况（如地震救援、海难援救等）具有得天独厚的优势。

最后，从卫星频率信号来看，GPS卫星导航系统使用的是双频信号，北斗卫星导航系统利用后发优势采用了三频信号。作为全球第一个提供三频信号服务的卫星导航系统，北斗系统更好地消除了高阶电离层的延迟影响，提高了定位可靠性，增强了数据处理能力。即使面对一个频率信号出现问题的情况，也能够使用传统方法利用另外两个频率进行二频信号定位，具有较高的抗干扰能力。美国在2010年5月28日开始也发射了第一颗三频卫星，这一举动表明GPS系统对导航系统使用三频信号的认可与模仿。

此外，北斗还有着自己的独创性发明——短报文通信服务。这个功能虽然容量有限，不适于日常通信，但对于紧急情况通信有着重要作用。2008年汶川地震时，震区唯一的通讯方式便是北斗卫星导航系统的短报文通信。总之，相较于GPS卫星导航系统来说，北斗卫星导航系统利用后发优势，在精度、源定位与信号等方面都有了较大的发展。

北斗导航系统卫星发射时间表

续表

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习近平总书记对北斗系统给予了高度肯定，“中国高度重视卫星导航系统建设发展，积极开展国际合作。北斗系统已成为中国实施改革开放40年来取得的重要成就之一……中国愿同各国共享北斗系统建设发展成果，共促全球卫星导航事业蓬勃发展。北斗卫星导航系统工程原总设计师、现任北斗卫星导航系统高级顾问、中国科学院院士孙家栋认为，“北斗‘天上好用、地上用好’的格局与态势正在被打造得稳固坚实！”“卫星导航正在打破行业的界限……一个新时空服务体系正在构建，结合信息服务的巨大产业正在形成。”