北斗三代是怎樣煉成的？

　　12月9日，在聯合國全球衛星導航系統國際委員會上，中國宣布將在今年底完成北斗全球核心星座部署，明年北斗全球系統全面建成，也就是說北斗三號將完成建設。中國北斗從無到有，從北斗一號到北斗三號，又經歷了怎樣的過程呢？

　　需要著重強調的一點，在很多出版物上我們常稱GPS為 全球導航衛星系統 ，這是一種很不嚴謹的說法，也造成一些人認為北斗、格洛納斯是GPS的一種，但凡提到定位皆稱GPS定位。實際上GPS、北斗、格洛納斯等應統稱為GNSS（Global Navigation Satellite System，全球導航衛星系統）。GPS（Global Positioning System）中文名為 全球定位系統 ，是美國開發的一種GNSS，不應將GPS作為這一技術的代名詞。

　　定位技術的誕生

　　人類發明導航衛星系統其實很偶然。 1957年蘇聯發射了世界第一顆人造地球衛星，美國在對這顆衛星的觀測中發現其頻率出現了偏移，經研究歸因于相對運動引起的多普勒頻移效應，啟發人們通過在多地觀測人造衛星計算不同頻差，從而推算人造衛星的空間位置。 能知道人造衛星的空間位置，也就能以同樣思路推算出觀測者的位置，實現衛星定位。

　　多普勒頻移在尋找MH370中發揮了作用，專家用通信衛星的多普勒頻移反推出MH370最后的航線走向 美國于1973年形成系統方案，于1978年正式發射第一顆GPS衛星。 蘇聯于1978年開始系統設計，于1995年憑著蘇聯的最后一口氣完成了格洛納斯的系統組網。

　　“憋屈的”北斗一號

　　早在上世紀七十年代末，中國科學家也開始籌劃屬于中國的衛星定位系統，提出了雄心勃勃的全球衛星組網運行方案。 但受限于八十年代的國家政策，“一切以經濟建設為中心”，“軍隊要忍耐”，當時大量軍工項目為民生經濟建設讓路被迫下馬，建設全球組網的衛星定位系統也顯得很不現實。

　　1985年鄧小平提出軍隊要忍耐的觀點，這是在當時國際政治及國內經濟背景下作出的論斷，我們不能以今天的眼光論述這一觀點是否正確。軍隊要忍耐在軍工方面造成了深遠影響，很多重點項目被迫延期甚至取消。

　　在這種國情下，中國科學家設計了只需要兩顆人造衛星就能定位的方案，即最早北斗一號的前身。事實上，對地球上一點的定位應最少需要三個人造衛星，但為了更加節省資金投入，把需要解算得到海拔的計算放在用戶接收機上，用自帶的高度儀計算用戶海拔高度，從而省下了一顆衛星。原因是高度儀比發射一顆衛星要便宜的多，這個方案被當時國內學術界公認為最優方案。

三個圓可以確定一個點

　　提到北斗系統，就不能不提兩彈一星功勛之一的陳芳允院士。他領導課題組提出了用于定位的“雙星方 案”，并開創了我國的“北斗”導航衛星事業。

　　但即使已經只需要兩顆衛星，這個方案還是由于國家經費問題被擱置十余年而未被啟動。國內涉及定位的大量行業使用美國GPS系統，甚至是軍事應用上也使用了GPS模塊，這無疑存下了巨大 隱患。1990年開始的海灣戰爭中，大量應用的精確制導武器令當時的中國軍方十分震撼。 在1996年臺海危機中，據傳大陸軍方當時向臺灣外海試射的導彈中有兩枚失準，原因就是美方對GPS信號做了欺騙處理。這些事情迫使當時中國重新認識到脫離美國GPS的急迫性。

　　經過數十年的論證和等待，中國終于啟動了自己的全球定位系統建設，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內置高度儀，提高定位精度。這一方案被稱為北斗一號，官方稱之為北斗衛星導航試驗系統。首輪兩顆衛星 于2000年成功 發射，2003年成功發射第三顆衛星完成北斗一號組網。北斗一號由于僅有三顆衛星來服務全國廣大范圍，就需要將衛星打到高軌道的靜止軌道，才能面向中國范圍服務。高軌道衛星雖然需要衛星數量少，但存在嚴重性能缺陷，定位精度差，而且靜止軌道解算的結果誤差進一步加大。

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

　　2003年完成的北斗一號由于精度之差，廣受詬病，國內很多用戶不愿用。而且美國GPS開放民碼后，定位精度提高，中國的電子設備上大量使用了GPS模塊。北斗一號幾乎唯一的亮點是具備短信式的通信功能（但其實是沒錢，導航衛星兼職了通訊衛星的功能）。實際上雖然有了北斗一號，但GPS的國內市場占有率卻不斷提高。

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

　　2003年中國的GDP為13萬億人民幣（2018年的數字為90萬億），在全球還排在第七，低于意、法、英、德。國內有限的資金投入支撐不起大規模的投資，在這種情形下，后者方案就顯得更為可行。在當時的國際環境中，德國、法國等國領導人對華關系較好，而且歐洲國家也有意擺脫美國打造屬于自己的全球導航衛星系統，其技術實力也較高，2004年中國成為了參與伽利略項目的第一個非歐盟國家，先期提供了7000萬歐元“入伙費”。歐盟也希望借助與華合作，占領中國市場。但隨著國際局勢風云變幻，受歐洲親華勢力下臺等影響，中國在伽利略項目中的權利被限制，不光得不到核心技術，而且隨著伽利略項目的參與國家眾多，印度日本等國家都開始加入，之間互相扯皮，歐盟長期無法就各國的權利和義務達成分配，效率低下。

2004年中國與歐洲伽利略項目開展合作儀式

　　2005年中國希望歐洲方面轉移用于衛星授時的原子鐘核心技術，這是一種衛星上搭載用于確定高精度時間的裝置。中方要求遭到歐洲方面拒絕，中國徹底認識到與歐盟合作搭建全球導航衛星系統是不現實的，轉而決定退出伽利略系統重新啟動北斗一號的后續項目。9月，國家發改委、國防科工委正式將北斗列為國家基礎建設規劃，從此北斗迎來了第二次生命。

　　探索中的北斗二號

　　此時北斗建設面臨一個重要挑戰，2000年申請的衛星頻率資源即將要在2007年過期了，一旦過期北斗上天將暫時無頻率可用。而北斗衛星上急需的原子鐘技術又被封鎖，衛星缺少關鍵設備無法發射，時間相當緊張。在中國航天科工二院203所的技術攻關下，終于研制成功，搭載中國造原子鐘的 北斗二號首星于2007年4月成功發射，并在最后4小時搶占了 2000年申請的衛星頻率資源 ，并逐步開始搶占伽利略衛星的頻率資源。 從這顆星開始，衛星開始打到類似GPS的中軌道，體現了中國建設全球定位系統的雄心。 2008年四川汶川地震發生，在災區通訊中斷的情況下，被人瞧不起的北斗一號帶有的短信通訊能力充分發揮了作用，這也技術特點被北斗二號乃至三號吸收發揚。

北斗系統在搶險救災等應急場景發揮了強有力的作用

　　2012年底，14顆衛星的北斗二號提前5年實現全天時全天候為亞太地區的授時定位服務，2015年僅發射了6顆衛星的伽利略系統終于選擇與北斗合作，歐洲國家放下身段，與北斗達成頻率共用協議。

　　驕傲的北斗三號

　　伴隨著中國綜合國力的上升，只覆蓋亞太地區顯示不是中國人的目標，中國開始大量發射衛星實現全球組網和對全球的定位。 明年，北斗三號將全面建成，完成35顆衛星的組網。

三代北斗的覆蓋范圍，從中國到亞太到全球

　　導航衛星系統的資金投入巨大，對于地球上絕大多數國家是難以建設自己專有的系統的（當然很多國家甚至 連發射人造衛星的門檻也達不到）。 目前僅有美國、俄羅斯、中國和歐盟建立或正在建立全球定位能力， 印度作為一個大國，目前也僅在搭建覆蓋印度范圍的定位導航系統（IRNSS，印度區域導航衛星系統）。導航衛星系統彰顯了一個國家的綜合國力，并在軍事、民生各方面發揮廣泛的應用，一旦他國形成使用依賴，其也是一種強有力的震懾“武器”。