北斗三代是怎樣煉成的？

　　12月9日，在聯(lián)合國(guó)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)國(guó)際委員會(huì)上，中國(guó)宣布將在今年底完成北斗全球核心星座部署，明年北斗全球系統(tǒng)全面建成，也就是說(shuō)北斗三號(hào)將完成建設(shè)。中國(guó)北斗從無(wú)到有，從北斗一號(hào)到北斗三號(hào)，又經(jīng)歷了怎樣的過(guò)程呢？

　　需要著重強(qiáng)調(diào)的一點(diǎn)，在很多出版物上我們常稱GPS為 全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng) ，這是一種很不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)恼f(shuō)法，也造成一些人認(rèn)為北斗、格洛納斯是GPS的一種，但凡提到定位皆稱GPS定位。實(shí)際上GPS、北斗、格洛納斯等應(yīng)統(tǒng)稱為GNSS（Global Navigation Satellite System，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)）。GPS（Global Positioning System）中文名為 全球定位系統(tǒng) ，是美國(guó)開(kāi)發(fā)的一種GNSS，不應(yīng)將GPS作為這一技術(shù)的代名詞。

　　定位技術(shù)的誕生

　　人類發(fā)明導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)其實(shí)很偶然。 1957年蘇聯(lián)發(fā)射了世界第一顆人造地球衛(wèi)星，美國(guó)在對(duì)這顆衛(wèi)星的觀測(cè)中發(fā)現(xiàn)其頻率出現(xiàn)了偏移，經(jīng)研究歸因于相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起的多普勒頻移效應(yīng)，啟發(fā)人們通過(guò)在多地觀測(cè)人造衛(wèi)星計(jì)算不同頻差，從而推算人造衛(wèi)星的空間位置。 能知道人造衛(wèi)星的空間位置，也就能以同樣思路推算出觀測(cè)者的位置，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星定位。

　　多普勒頻移在尋找MH370中發(fā)揮了作用，專家用通信衛(wèi)星的多普勒頻移反推出MH370最后的航線走向 美國(guó)于1973年形成系統(tǒng)方案，于1978年正式發(fā)射第一顆GPS衛(wèi)星。 蘇聯(lián)于1978年開(kāi)始系統(tǒng)設(shè)計(jì)，于1995年憑著蘇聯(lián)的最后一口氣完成了格洛納斯的系統(tǒng)組網(wǎng)。

　　“憋屈的”北斗一號(hào)

　　早在上世紀(jì)七十年代末，中國(guó)科學(xué)家也開(kāi)始籌劃屬于中國(guó)的衛(wèi)星定位系統(tǒng)，提出了雄心勃勃的全球衛(wèi)星組網(wǎng)運(yùn)行方案。 但受限于八十年代的國(guó)家政策，“一切以經(jīng)濟(jì)建設(shè)為中心”，“軍隊(duì)要忍耐”，當(dāng)時(shí)大量軍工項(xiàng)目為民生經(jīng)濟(jì)建設(shè)讓路被迫下馬，建設(shè)全球組網(wǎng)的衛(wèi)星定位系統(tǒng)也顯得很不現(xiàn)實(shí)。

　　1985年鄧小平提出軍隊(duì)要忍耐的觀點(diǎn)，這是在當(dāng)時(shí)國(guó)際政治及國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)背景下作出的論斷，我們不能以今天的眼光論述這一觀點(diǎn)是否正確。軍隊(duì)要忍耐在軍工方面造成了深遠(yuǎn)影響，很多重點(diǎn)項(xiàng)目被迫延期甚至取消。

　　在這種國(guó)情下，中國(guó)科學(xué)家設(shè)計(jì)了只需要兩顆人造衛(wèi)星就能定位的方案，即最早北斗一號(hào)的前身。事實(shí)上，對(duì)地球上一點(diǎn)的定位應(yīng)最少需要三個(gè)人造衛(wèi)星，但為了更加節(jié)省資金投入，把需要解算得到海拔的計(jì)算放在用戶接收機(jī)上，用自帶的高度儀計(jì)算用戶海拔高度，從而省下了一顆衛(wèi)星。原因是高度儀比發(fā)射一顆衛(wèi)星要便宜的多，這個(gè)方案被當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)學(xué)術(shù)界公認(rèn)為最優(yōu)方案。

三個(gè)圓可以確定一個(gè)點(diǎn)

　　提到北斗系統(tǒng)，就不能不提兩彈一星功勛之一的陳芳允院士。他領(lǐng)導(dǎo)課題組提出了用于定位的“雙星方 案”，并開(kāi)創(chuàng)了我國(guó)的“北斗”導(dǎo)航衛(wèi)星事業(yè)。

　　但即使已經(jīng)只需要兩顆衛(wèi)星，這個(gè)方案還是由于國(guó)家經(jīng)費(fèi)問(wèn)題被擱置十余年而未被啟動(dòng)。國(guó)內(nèi)涉及定位的大量行業(yè)使用美國(guó)GPS系統(tǒng)，甚至是軍事應(yīng)用上也使用了GPS模塊，這無(wú)疑存下了巨大 隱患。1990年開(kāi)始的海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中，大量應(yīng)用的精確制導(dǎo)武器令當(dāng)時(shí)的中國(guó)軍方十分震撼。 在1996年臺(tái)海危機(jī)中，據(jù)傳大陸軍方當(dāng)時(shí)向臺(tái)灣外海試射的導(dǎo)彈中有兩枚失準(zhǔn)，原因就是美方對(duì)GPS信號(hào)做了欺騙處理。這些事情迫使當(dāng)時(shí)中國(guó)重新認(rèn)識(shí)到脫離美國(guó)GPS的急迫性。

　　經(jīng)過(guò)數(shù)十年的論證和等待，中國(guó)終于啟動(dòng)了自己的全球定位系統(tǒng)建設(shè)，將陳芳允院士的“雙星方案”重新改成“三星方案”，不再需要用戶接收機(jī)內(nèi)置高度儀，提高定位精度。這一方案被稱為北斗一號(hào)，官方稱之為北斗衛(wèi)星導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)。首輪兩顆衛(wèi)星 于2000年成功 發(fā)射，2003年成功發(fā)射第三顆衛(wèi)星完成北斗一號(hào)組網(wǎng)。北斗一號(hào)由于僅有三顆衛(wèi)星來(lái)服務(wù)全國(guó)廣大范圍，就需要將衛(wèi)星打到高軌道的靜止軌道，才能面向中國(guó)范圍服務(wù)。高軌道衛(wèi)星雖然需要衛(wèi)星數(shù)量少，但存在嚴(yán)重性能缺陷，定位精度差，而且靜止軌道解算的結(jié)果誤差進(jìn)一步加大。

　　最理想的情況是低軌道， 衛(wèi)星越低相較而言精度越高。 但由于高度不夠，需要更多的數(shù)量來(lái)覆蓋地表，全球定位大約需要兩百顆以上，成本較高。 這樣比較下來(lái)，中軌道的折中方案最適宜，美國(guó)GPS衛(wèi)星即采用了中軌道星座，只需要24-36顆衛(wèi)星。

　　2003年完成的北斗一號(hào)由于精度之差，廣受詬病，國(guó)內(nèi)很多用戶不愿用。而且美國(guó)GPS開(kāi)放民碼后，定位精度提高，中國(guó)的電子設(shè)備上大量使用了GPS模塊。北斗一號(hào)幾乎唯一的亮點(diǎn)是具備短信式的通信功能（但其實(shí)是沒(méi)錢，導(dǎo)航衛(wèi)星兼職了通訊衛(wèi)星的功能）。實(shí)際上雖然有了北斗一號(hào)，但GPS的國(guó)內(nèi)市場(chǎng)占有率卻不斷提高。

　　如何擺脫美國(guó)GPS呢？ 這里有兩種解決方案，一種是直接建設(shè)自己的全球定位系統(tǒng)，這種方式投資巨大，建設(shè)周期長(zhǎng)，需要突破技術(shù)瓶頸； 另一種就是選擇與美國(guó)外的國(guó)家合作，這種方式投資小，幾乎不需要考慮技術(shù)封鎖。

　　2003年中國(guó)的GDP為13萬(wàn)億人民幣（2018年的數(shù)字為90萬(wàn)億），在全球還排在第七，低于意、法、英、德。國(guó)內(nèi)有限的資金投入支撐不起大規(guī)模的投資，在這種情形下，后者方案就顯得更為可行。在當(dāng)時(shí)的國(guó)際環(huán)境中，德國(guó)、法國(guó)等國(guó)領(lǐng)導(dǎo)人對(duì)華關(guān)系較好，而且歐洲國(guó)家也有意擺脫美國(guó)打造屬于自己的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)，其技術(shù)實(shí)力也較高，2004年中國(guó)成為了參與伽利略項(xiàng)目的第一個(gè)非歐盟國(guó)家，先期提供了7000萬(wàn)歐元“入伙費(fèi)”。歐盟也希望借助與華合作，占領(lǐng)中國(guó)市場(chǎng)。但隨著國(guó)際局勢(shì)風(fēng)云變幻，受歐洲親華勢(shì)力下臺(tái)等影響，中國(guó)在伽利略項(xiàng)目中的權(quán)利被限制，不光得不到核心技術(shù)，而且隨著伽利略項(xiàng)目的參與國(guó)家眾多，印度日本等國(guó)家都開(kāi)始加入，之間互相扯皮，歐盟長(zhǎng)期無(wú)法就各國(guó)的權(quán)利和義務(wù)達(dá)成分配，效率低下。

2004年中國(guó)與歐洲伽利略項(xiàng)目開(kāi)展合作儀式

　　2005年中國(guó)希望歐洲方面轉(zhuǎn)移用于衛(wèi)星授時(shí)的原子鐘核心技術(shù)，這是一種衛(wèi)星上搭載用于確定高精度時(shí)間的裝置。中方要求遭到歐洲方面拒絕，中國(guó)徹底認(rèn)識(shí)到與歐盟合作搭建全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)是不現(xiàn)實(shí)的，轉(zhuǎn)而決定退出伽利略系統(tǒng)重新啟動(dòng)北斗一號(hào)的后續(xù)項(xiàng)目。9月，國(guó)家發(fā)改委、國(guó)防科工委正式將北斗列為國(guó)家基礎(chǔ)建設(shè)規(guī)劃，從此北斗迎來(lái)了第二次生命。

　　探索中的北斗二號(hào)

　　此時(shí)北斗建設(shè)面臨一個(gè)重要挑戰(zhàn)，2000年申請(qǐng)的衛(wèi)星頻率資源即將要在2007年過(guò)期了，一旦過(guò)期北斗上天將暫時(shí)無(wú)頻率可用。而北斗衛(wèi)星上急需的原子鐘技術(shù)又被封鎖，衛(wèi)星缺少關(guān)鍵設(shè)備無(wú)法發(fā)射，時(shí)間相當(dāng)緊張。在中國(guó)航天科工二院203所的技術(shù)攻關(guān)下，終于研制成功，搭載中國(guó)造原子鐘的 北斗二號(hào)首星于2007年4月成功發(fā)射，并在最后4小時(shí)搶占了 2000年申請(qǐng)的衛(wèi)星頻率資源 ，并逐步開(kāi)始搶占伽利略衛(wèi)星的頻率資源。 從這顆星開(kāi)始，衛(wèi)星開(kāi)始打到類似GPS的中軌道，體現(xiàn)了中國(guó)建設(shè)全球定位系統(tǒng)的雄心。 2008年四川汶川地震發(fā)生，在災(zāi)區(qū)通訊中斷的情況下，被人瞧不起的北斗一號(hào)帶有的短信通訊能力充分發(fā)揮了作用，這也技術(shù)特點(diǎn)被北斗二號(hào)乃至三號(hào)吸收發(fā)揚(yáng)。

北斗系統(tǒng)在搶險(xiǎn)救災(zāi)等應(yīng)急場(chǎng)景發(fā)揮了強(qiáng)有力的作用

　　2012年底，14顆衛(wèi)星的北斗二號(hào)提前5年實(shí)現(xiàn)全天時(shí)全天候?yàn)閬喬貐^(qū)的授時(shí)定位服務(wù)，2015年僅發(fā)射了6顆衛(wèi)星的伽利略系統(tǒng)終于選擇與北斗合作，歐洲國(guó)家放下身段，與北斗達(dá)成頻率共用協(xié)議。

　　驕傲的北斗三號(hào)

　　伴隨著中國(guó)綜合國(guó)力的上升，只覆蓋亞太地區(qū)顯示不是中國(guó)人的目標(biāo)，中國(guó)開(kāi)始大量發(fā)射衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)全球組網(wǎng)和對(duì)全球的定位。 明年，北斗三號(hào)將全面建成，完成35顆衛(wèi)星的組網(wǎng)。

三代北斗的覆蓋范圍，從中國(guó)到亞太到全球

　　導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)的資金投入巨大，對(duì)于地球上絕大多數(shù)國(guó)家是難以建設(shè)自己專有的系統(tǒng)的（當(dāng)然很多國(guó)家甚至 連發(fā)射人造衛(wèi)星的門檻也達(dá)不到）。 目前僅有美國(guó)、俄羅斯、中國(guó)和歐盟建立或正在建立全球定位能力， 印度作為一個(gè)大國(guó)，目前也僅在搭建覆蓋印度范圍的定位導(dǎo)航系統(tǒng)（IRNSS，印度區(qū)域?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)）。導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)彰顯了一個(gè)國(guó)家的綜合國(guó)力，并在軍事、民生各方面發(fā)揮廣泛的應(yīng)用，一旦他國(guó)形成使用依賴，其也是一種強(qiáng)有力的震懾“武器”。