中国自主研发崛起之路，起底北斗导航建设20年呕心沥血史

第一颗北斗导航卫星发射于2000年10月31日。在20年时间内，北斗导航系统发生过两次相对集中的发射情况，2010年一年时间内发射了五颗卫星。2018年一年之内发射了10颗卫星，这也创下了全球卫星导航系统组网最快纪录。

在此之前，世界四大卫星导航系统中，美国GPS系统最快纪录为一年6星，苏联/俄罗斯格洛纳斯（GLONASS）系统为一年9星，欧洲伽利略GALILEO系统为一年6星。

▲北斗卫星导航系统各卫星发射时间表

1、卫星导航探索的起步——北斗导航一代

80年代初期，以“两弹一星”元勋成芳允院士为首的专家团体提出了双星定位方案。这也是当时大家公认的最优方案，但因经济条件等种种原因又搁置了十年。

1991年对于中国卫星导航建设来说是一个重大转折点。在海湾战争中，美国在作战中应用GPS非常成功。这也将国人敲醒，被搁置十年的双星定位方案于是马上启动。

可是，为什么我们不是建立像GPS一样的30多颗的卫星系统呢？

90年代初期，中国经济情况刚刚有所好转。在卫星导航系统建设上，中国的经验也非常浅，处于尝试和探索的初期，所以格外小心谨慎。

不过，在空间中定位最少需要三个坐标，两颗卫星是否够用呢？

双星定位方案中有个高度仪，用户需要自测高程，并将结果作为第三个坐标。这就像是在地球中心装了一个虚拟卫星，由此实现三星定位。同时，高度仪的价格也十分便宜，比发射三颗卫星方案更省钱。

美国的GPS采用的是中轨道方案。我国采用的是双星方案，由于轨道低了覆盖面就小，两颗中轨道卫星多数时间会在中国上空以外的地方飞行，中国大陆的信号接收时间就会很短，所以我们的双星方案只能搞高轨道，而且还得是静止的方案，这样才能让其停在中国大陆的上空。

静止高轨道是双星定位的必须选择，从技术上讲这毫无疑问是正确的，但却埋下了性能不强的隐患，这也导致了北斗一代后来被诟病。

由于中国的这两颗卫星是静止轨道的，这也属于通信卫星轨道，所以北斗一代的两颗卫星可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成为了北斗一代的技术特点。

不过，美国的GPS等其它定位导航系统都是不支持通信功能的，不是技术上不先进，GPS的卫星系统各司其职，定位卫星和通信卫星两套系统的性能都很优异。

虽然，北斗一代可以定位也可以通信，但毕竟定位才是北斗一代的主业。因此，北斗一代大部分的信道资源都必须让给定位数据的传送，留给通信的信道资源很少，使其无法完成实时的话音通信，只能完成短信功能。

此外，由于这两颗星的轨道很高，导致了地面被测物体与卫星的相对速度很低，于是多普勒效应就不明显，其定位精度自然远远比不过GPS。

不过，北斗一代已经达到了设计指标，工程是非常成功的，毕竟就只有两颗星，不能和几十颗的海事通信卫星和GPS卫星相比。所以，在相当长的一段时间里，北斗一代并没有激起多少浪花。

2、北斗导航二代

北斗一代的使用体验不如人意，于是专家们思索着该如何办?

经历了和欧洲伽利略的不圆满的合作，中国下定决心退出自己单干，开始发展北斗二代。

北斗二代计划在2020年前发射35颗卫星，形成全球性的定位导航系统，比GPS还多5颗。多出的这5颗是在赤道上空的静止高轨道卫星，主要是完成短信任务的，其它30颗跟美国GPS的30颗一样，都是中轨道的运动卫星。

北斗二代的规模与GPS相当，申请的轨道和频率与欧洲伽利略比较一致，这就不可避免地遇到了卫星轨道和频率争夺的问题。

卫星轨道和空间频率是人类共有的资源，那该如何分配呢?国际规则是既不按国家来分，也不按人口来分，而是谁先占了算谁的。

2005年伽利略计划的第一颗卫星上天了，但并没有开通，只是占了轨道但没占频率。原因则开通需要花钱，欧洲手头有点紧。中国北斗二代的第一颗星也随后上天了，并且当即开通了，将轨道和频率都占上了。

GPS和北斗的中轨道运动卫星都是30颗，它们各在太空上织就了一张网，GPS网眼最密处是在美国上空，北斗二代网眼最密处在中国上空，为本土提供服务是第一要务，这个道理当然很好理解。加拿大和墨西哥当然会选择GPS，而对于亚太国家来说，北斗却比GPS更有优势。

亚太国家也都认识到了北斗的覆盖优势，中国政府也积极推动北斗二代在亚太地区的应用，于是泰国、马来西亚、文莱、印度尼西亚、柬埔寨、老挝等国家派出了19名专家，于2014年7月来到中国考察北斗二代，研究讨论合作的事项。

三、北斗导航的设计思路

北斗卫星导航系统由空间段、地面段和用户段三部分组成，可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠定位、导航、授时服务，并具短报文通信能力，已经初步具备区域导航、定位和授时能力，定位精度10米，测速精度0.2米/秒，授时精度10纳秒。

中国北斗卫星导航系统是继美国全球定位系统、俄罗斯格洛纳斯卫星导航系统之后第三个成熟的卫星导航系统。北斗卫星导航系统和美国GPS、俄罗斯GLONASS、欧盟GALILEO，是联合国卫星导航委员会已认定的供应商。

在我国长期航天技术积累和导航系统技术发展的后发优势下，我国采取了一套与其他任一导航系统都截然不同的思路。

▲GPS星座（左）和北斗星座（右）的对比（左图来源：Wikipedia）

1、三种轨道

目前另外三个全球卫星定位系统都采用距离地面20000千米左右的中圆卫星轨道，而北斗是唯一采用三种轨道搭配的星座：27颗卫星处在距离地面21500千米的中圆轨道，分布在三个轨道面上，保持55度倾角；5颗卫星采取赤道上空35800千米高的地球静止轨道；3颗卫星处在地球同步轨道（也接近35800千米高）、保持约55度倾角。

这样带来一定好处：卫星定位需要接收机收到至少4颗卫星信号。27颗中圆轨道卫星为主力，围绕地球一圈的轨道周期约为12小时，可以保持对全球范围内任一点的稳定覆盖，在任意时间、任意地点观测到6颗星以上，符合常规卫星定位系统需求。55度倾角的设计，也增加了对人口稠密的地球中低纬度区域覆盖。

北斗的地球静止轨道和倾斜同步轨道则是为中国乃至亚太地区特殊定制而来，在设计之初就有亚太专属服务。相比之下，GPS却没有这种优势，日本为了提高GPS在日本的应用精度，发射了四颗倾斜同步轨道的准天顶系统。

（编辑：52刷机网）

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