北斗三代是怎样炼成的？

　　12月9日，在联合国全球卫星导航系统国际委员会上，中国宣布将在今年底完成北斗全球核心星座部署，明年北斗全球系统全面建成，也就是说北斗三号将完成建设。中国北斗从无到有，从北斗一号到北斗三号，又经历了怎样的过程呢？

　　需要着重强调的一点，在很多出版物上我们常称GPS为 全球导航卫星系统 ，这是一种很不严谨的说法，也造成一些人认为北斗、格洛纳斯是GPS的一种，但凡提到定位皆称GPS定位。实际上GPS、北斗、格洛纳斯等应统称为GNSS（Global Navigation Satellite System，全球导航卫星系统）。GPS（Global Positioning System）中文名为 全球定位系统 ，是美国开发的一种GNSS，不应将GPS作为这一技术的代名词。

　　定位技术的诞生

　　人类发明导航卫星系统其实很偶然。 1957年苏联发射了世界第一颗人造地球卫星，美国在对这颗卫星的观测中发现其频率出现了偏移，经研究归因于相对运动引起的多普勒频移效应，启发人们通过在多地观测人造卫星计算不同频差，从而推算人造卫星的空间位置。 能知道人造卫星的空间位置，也就能以同样思路推算出观测者的位置，实现卫星定位。

　　多普勒频移在寻找MH370中发挥了作用，专家用通信卫星的多普勒频移反推出MH370最后的航线走向 美国于1973年形成系统方案，于1978年正式发射第一颗GPS卫星。 苏联于1978年开始系统设计，于1995年凭着苏联的最后一口气完成了格洛纳斯的系统组网。

　　“憋屈的”北斗一号

　　早在上世纪七十年代末，中国科学家也开始筹划属于中国的卫星定位系统，提出了雄心勃勃的全球卫星组网运行方案。 但受限于八十年代的国家政策，“一切以经济建设为中心”，“军队要忍耐”，当时大量军工项目为民生经济建设让路被迫下马，建设全球组网的卫星定位系统也显得很不现实。

　　1985年邓小平提出军队要忍耐的观点，这是在当时国际政治及国内经济背景下作出的论断，我们不能以今天的眼光论述这一观点是否正确。军队要忍耐在军工方面造成了深远影响，很多重点项目被迫延期甚至取消。

　　在这种国情下，中国科学家设计了只需要两颗人造卫星就能定位的方案，即最早北斗一号的前身。事实上，对地球上一点的定位应最少需要三个人造卫星，但为了更加节省资金投入，把需要解算得到海拔的计算放在用户接收机上，用自带的高度仪计算用户海拔高度，从而省下了一颗卫星。原因是高度仪比发射一颗卫星要便宜的多，这个方案被当时国内学术界公认为最优方案。

三个圆可以确定一个点

　　提到北斗系统，就不能不提两弹一星功勋之一的陈芳允院士。他领导课题组提出了用于定位的“双星方 案”，并开创了我国的“北斗”导航卫星事业。

　　但即使已经只需要两颗卫星，这个方案还是由于国家经费问题被搁置十余年而未被启动。国内涉及定位的大量行业使用美国GPS系统，甚至是军事应用上也使用了GPS模块，这无疑存下了巨大 隐患。1990年开始的海湾战争中，大量应用的精确制导武器令当时的中国军方十分震撼。 在1996年台海危机中，据传大陆军方当时向台湾外海试射的导弹中有两枚失准，原因就是美方对GPS信号做了欺骗处理。这些事情迫使当时中国重新认识到脱离美国GPS的急迫性。

　　经过数十年的论证和等待，中国终于启动了自己的全球定位系统建设，将陈芳允院士的“双星方案”重新改成“三星方案”，不再需要用户接收机内置高度仪，提高定位精度。这一方案被称为北斗一号，官方称之为北斗卫星导航试验系统。首轮两颗卫星 于2000年成功 发射，2003年成功发射第三颗卫星完成北斗一号组网。北斗一号由于仅有三颗卫星来服务全国广大范围，就需要将卫星打到高轨道的静止轨道，才能面向中国范围服务。高轨道卫星虽然需要卫星数量少，但存在严重性能缺陷，定位精度差，而且静止轨道解算的结果误差进一步加大。

　　最理想的情况是低轨道， 卫星越低相较而言精度越高。 但由于高度不够，需要更多的数量来覆盖地表，全球定位大约需要两百颗以上，成本较高。 这样比较下来，中轨道的折中方案最适宜，美国GPS卫星即采用了中轨道星座，只需要24-36颗卫星。

　　2003年完成的北斗一号由于精度之差，广受诟病，国内很多用户不愿用。而且美国GPS开放民码后，定位精度提高，中国的电子设备上大量使用了GPS模块。北斗一号几乎唯一的亮点是具备短信式的通信功能（但其实是没钱，导航卫星兼职了通讯卫星的功能）。实际上虽然有了北斗一号，但GPS的国内市场占有率却不断提高。

　　如何摆脱美国GPS呢？ 这里有两种解决方案，一种是直接建设自己的全球定位系统，这种方式投资巨大，建设周期长，需要突破技术瓶颈； 另一种就是选择与美国外的国家合作，这种方式投资小，几乎不需要考虑技术封锁。

　　2003年中国的GDP为13万亿人民币（2018年的数字为90万亿），在全球还排在第七，低于意、法、英、德。国内有限的资金投入支撑不起大规模的投资，在这种情形下，后者方案就显得更为可行。在当时的国际环境中，德国、法国等国领导人对华关系较好，而且欧洲国家也有意摆脱美国打造属于自己的全球导航卫星系统，其技术实力也较高，2004年中国成为了参与伽利略项目的第一个非欧盟国家，先期提供了7000万欧元“入伙费”。欧盟也希望借助与华合作，占领中国市场。但随着国际局势风云变幻，受欧洲亲华势力下台等影响，中国在伽利略项目中的权利被限制，不光得不到核心技术，而且随着伽利略项目的参与国家众多，印度日本等国家都开始加入，之间互相扯皮，欧盟长期无法就各国的权利和义务达成分配，效率低下。

2004年中国与欧洲伽利略项目开展合作仪式

　　2005年中国希望欧洲方面转移用于卫星授时的原子钟核心技术，这是一种卫星上搭载用于确定高精度时间的装置。中方要求遭到欧洲方面拒绝，中国彻底认识到与欧盟合作搭建全球导航卫星系统是不现实的，转而决定退出伽利略系统重新启动北斗一号的后续项目。9月，国家发改委、国防科工委正式将北斗列为国家基础建设规划，从此北斗迎来了第二次生命。

　　探索中的北斗二号

　　此时北斗建设面临一个重要挑战，2000年申请的卫星频率资源即将要在2007年过期了，一旦过期北斗上天将暂时无频率可用。而北斗卫星上急需的原子钟技术又被封锁，卫星缺少关键设备无法发射，时间相当紧张。在中国航天科工二院203所的技术攻关下，终于研制成功，搭载中国造原子钟的 北斗二号首星于2007年4月成功发射，并在最后4小时抢占了 2000年申请的卫星频率资源 ，并逐步开始抢占伽利略卫星的频率资源。 从这颗星开始，卫星开始打到类似GPS的中轨道，体现了中国建设全球定位系统的雄心。 2008年四川汶川地震发生，在灾区通讯中断的情况下，被人瞧不起的北斗一号带有的短信通讯能力充分发挥了作用，这也技术特点被北斗二号乃至三号吸收发扬。

北斗系统在抢险救灾等应急场景发挥了强有力的作用

　　2012年底，14颗卫星的北斗二号提前5年实现全天时全天候为亚太地区的授时定位服务，2015年仅发射了6颗卫星的伽利略系统终于选择与北斗合作，欧洲国家放下身段，与北斗达成频率共用协议。

　　骄傲的北斗三号

　　伴随着中国综合国力的上升，只覆盖亚太地区显示不是中国人的目标，中国开始大量发射卫星实现全球组网和对全球的定位。 明年，北斗三号将全面建成，完成35颗卫星的组网。

三代北斗的覆盖范围，从中国到亚太到全球

　　导航卫星系统的资金投入巨大，对于地球上绝大多数国家是难以建设自己专有的系统的（当然很多国家甚至 连发射人造卫星的门槛也达不到）。 目前仅有美国、俄罗斯、中国和欧盟建立或正在建立全球定位能力， 印度作为一个大国，目前也仅在搭建覆盖印度范围的定位导航系统（IRNSS，印度区域导航卫星系统）。导航卫星系统彰显了一个国家的综合国力，并在军事、民生各方面发挥广泛的应用，一旦他国形成使用依赖，其也是一种强有力的震慑“武器”。