北斗研发过程中的难题

2008年5月12日，四川汶川发生8级地震。一时间通讯中断，震中映秀镇杳无音信。

20小时后，救援力量突入死亡线，借助北斗系统发出了一条100字的短信。这是中国北斗系统第一次进入普通人的视线。

现在在中国东南沿海，出海捕鱼的渔民不再简单的使用G PS定位，因为在危险的海域，只知道经纬度意义不大，而使用北斗系统，可以在有危险的时候互相沟通预警。

武汉疫情期间北斗出图火神山，加快了建设进程。

在上海，北斗为公交车和地铁提供实时到站预报。

在青海，北斗守护藏羚羊迁徙路线，保护野生动物。

当然，北斗还有很多民用。北斗团队80后博士生导师徐颖曾说，“北斗的应用只是受到想象的限制。”

从2000年到2020年，从北斗一号第一颗星发射到北斗三号最后一颗星入轨，已经过去了20年。

20年磨一剑，速度远超欧洲伽利略，中国“剑客”太嚣张了！

这把剑很难磨吗？

说实话，不容易！

既然GPS导航系统可以应用，为什么中国还要发展北斗系统？虽然美国的GPS系统我也能用，但是发生了几件事，让我们国家下定决心发展自己的卫星导航系统。

第一件事:1990年夏天，美国第8颗GPS卫星发射的当天，海湾战争打响，多国部队通过GPS定位穿越沙漠，伊拉克毫不知情。

仅四个月后，伊拉克接受了停火协议，但被美国击败。究其原因，除了美军强大的武器装备外，美国的GPS系统也发挥了至关重要的作用。

美国的精确制导导弹，就像眼睛一样，能准确钻到每一个缝隙里。这次海湾战争，伊拉克伤亡10万，美军阵亡仅146人。

事后有军事专家表示，海湾战争的胜利也可以说是“GPS”的胜利，这也说明在军事领域拥有自己的卫星导航系统是多么重要！

第二件事:1993年中国货船“银河”号事件。当时，一艘中国货船正载着24个集装箱前往伊朗。途中，美国切断了货船的GPS信号。

造成这一切的原因是美国单方面认为“银河”号运载的是硫二甘醇、氯化亚砜等违禁品。

最终在海上失去GPS导航系统的“银河”号只能在印度洋漂流33天。

可见，卫星定位导航系统无论是在军事领域还是在民生领域都发挥着至关重要的作用。

如果一个国家完全依赖美国的GPS系统，就相当于被人抓住了把柄。如果有人降低精度，关闭区域或者给你改通信码，你就得被别人控制！

因此，有了这种卫星定位导航系统的新知识，俄国建造了GLONASS系统，欧盟开始建造伽利略系统。

中国也已经下定决心开发自己的北斗导航系统。

我们的北斗系统在研发过程中经历了哪些考验？第一个考验:短时间内发射多颗导航卫星，构建卫星定位导航系统，难度太大。我该怎么办？

要得到我们在地球上的位置，至少要在Tai 空布置几颗导航卫星？

一个怎么样？

当Tai 空只有一颗导航卫星时，以卫星为中心，以与卫星的距离为半径，卫星旋转一周，得到一个球面。球面上的任何一点都可能是我们的位置。

显然，卫星无法确定我们的位置。

两个怎么样？

当Tai 空有两颗导航卫星时，两个球体的交点会给我们一个圆，圆上的任意一点都可能是我们的位置。

显然，这两颗卫星还不能确定我们的位置。

那三个可以吗？

当Tai 空有三颗导航卫星时，三个球体相交会产生两个点，这两个点中的任何一个都可能是我们的位置。

这两点中，只有一点位于地球表面，从而锁定了我们的独特位置。

所以为了获得我们在地球上的位置，至少要在Tai 空布置三颗导航卫星。这就是卫星定位导航的秘密。

其实在测量时间的时候，会出现各种各样的误差。为了消除误差，往往需要第四颗卫星的协助。

同时，为了保证我们能随时随地接收到4颗以上的导航卫星信号，绕地球运行的卫星总数往往远高于4颗。

美国的GPS和俄国的GLONASS系统拥有超过24颗导航卫星。

但是在90年代，我们的航天和导航技术还比较落后，短时间内发射多颗导航卫星太难了！

我该怎么办？

这个时候，我们“两弹一星”功勋奖章获得者陈芳允提出了双星定位系统，也就是在地面设置一个控制中心。通过使用地面控制中心，我们可以“虚拟地”创建一个围绕地球的球体，并通过控制中心、卫星和用户之间的交互来计算用户的位置。

2000年，两颗北斗卫星被成功送入轨道。经过6年多的研发，北斗双星的设想终于成为现实。这是北斗一号。

北斗一号基本解决了我们导航系统从无到有的问题，实现了北斗导航系统的雏形。

然而，北斗一号的缺点也很明显。其定位精度为20-100米，时间精度为20-100纳秒。与同期GPS相比，精度差距明显，仅支持150个用户同时在线，与全球覆盖的目标相差甚远。

第二个测试:精度不准怎么解决？

解决卫星导航精度问题的关键是原子钟技术。当时星载原子钟的技术只有欧美少数科技强国掌握，在中国是“技术空白”。

北斗一号使用的原子钟是从瑞士引进的，但是北斗二号到了之后，引进原子钟的合作就中断了。

2002年，欧盟提出了伽利略卫星计划。这时候中国遇到了技术瓶颈，而欧盟又缺少研发资金。因此，双方决定共同研发，共享技术。

但是，为了先获得频率资源，欧盟把我们排除在项目之外。

所以北斗二号要想顺利完成，必须争分夺秒实现原子钟的自主研制。

1997年，这个担子落在了中国科学院精密测量科技创新研究所研究员梅身上。

梅华刚告诉记者，“我们当时没有什么设计理念，比如铷原子钟的寿命、可靠性、对卫星环境的适应能力，几乎白到空。”

从那时起，梅带领团队投入到船上铷原子钟技术的研究工作中，抱着北斗系统要用最好的原子钟的信念。经过多年的反复设计、试验和改进，梅团队先后突破了星载铷原子钟的精度、小型化、长寿命化、可靠性和适应卫星环境等五大关键技术，研制出三代星载铷原子钟，使中国

今天，每颗北斗三号卫星的精度可以达到每天100亿分之一秒。

第三个考验:占用卫星轨道有时间限制。如何才能按时发射并完成这么多卫星？

根据国际电信联盟的规则，卫星的轨道和信号频率在使用前必须提前申请，申请通过后7年内必须完成卫星发射入轨和信号接收，否则相关资源将被收回。

2000年4月18日，中国的申请获得批准，这意味着在接下来的7年里，卫星和火箭必须做到万无一失。科学家们夜以继日地反复实验测试，7年内掌握了相关卫星技术，2年内攻克了原子钟的难关，甚至仅用10多天就完成了卫星的取出、测试、放回等一系列复杂操作，从而修复了发射前的突发故障。

2007年4月17日晚8点，当人们成功接收到信号时，距离轨道故障的最后期限只剩下4个小时。

从2010年开始，西昌卫星发射中心变得非常热闹。不到三年，14颗导航卫星将从这里发射L 空。2010年发射了5枚，2011年发射了3枚，2012年发射了6枚...

同时，计算、控制等地面配套系统也在铺开，卫星与地面的调整试验也在同步进行。2012年底，新系统组网成功，这就是北斗二号。

与北斗一号相比，北斗一号的覆盖范围明显扩大到亚太大部分地区，定位精度也从20米提高到10米，时间精度达到10纳秒。北斗一号独特的通信功能也得到完整的继承。

而距离实现全球导航只是最后一步。

最后一步将是全方位升级。北斗三号卫星使用寿命从8年提高到10年以上，部件全部国产。其中，原子钟的性能不断升级，精度达到了1秒差1000万年。此时，火箭技术已不再是掣肘，一箭双星的发射已经“完美”了。

2017年底发射1箭2星，2018年发射9箭17星，2019年发射6箭8星，2020年发射3箭3星...

随着2020年6月北斗三号最后一颗卫星“吉星”发射成功，历时26年、投资超120亿美元、30万科研人员日夜奋战的北斗系统正式宣告成立。中国终于有了自己的卫星导航系统。

从此，无论白天黑夜，无论我们在地球的哪个角落，人们抬头都能看到5-6颗北斗卫星。全球覆盖的目标终于实现了，我们摆脱了GPS的影响。

总结:

北斗系统是中国的重型武器。能这么厉害，当然是因为30万科研人员的日夜奋斗。这些“沉默”的知识分子用他们的知识、信念和坚持，为我们的国家建造了自己的卫星导航系统。他们值得我们最崇高的敬意！！！

时代在变，变化的故事太多，但在天空下，那些低头造星的人，值得我们永远铭记！