1998年卫星导航（1998年发射的卫星）
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gps卫星导航原理
GPS的英文全名叫：Global Posting System，中文名字叫全球卫星导航系统，简称GPS。
GPS的上一代产品是美国海军1964年研制的“子午仪”导航卫星，属于低轨道卫星。主要用途是为核潜艇和水面舰艇的导航之用，兼做大地测量功能。它最重要的功能是为北极星核导弹提供精确的定位，以便迅速发动核打击。从1960年4月到80年代初共发射30多颗 。第一颗是子午仪1B号，用来对导航卫星方案及其关键技术进行试验鉴定，并验证双频多普勒测速定位导航原理，结果证明卫星导航可行。 “子午仪”的主要用户——北极星核导弹
“子午仪”卫星主体是八棱柱体，高 25.4厘米，宽45.7厘米，有一根长22.86米的稳定杆，从柱体的顶部伸出，杆子未端带有一个重约1.36公斤的质量块。四块短形太阳电池帆板从棱柱体侧面伸出，形成十字形，帆板长167.6厘米，宽25.4厘米。
1963 年12月发射第一颗实用导航卫星子午仪 5B-2号；1964 年 6 月发 射第一颗定型导航卫星子午仪 5C - 1号，并交付海军使用；1967 年7月子午仪号导航卫星组网实用并允许民用。1972年开始执行子午仪改进计划（TIP ），共发射3颗卫星，主要试验扰动补偿系统 ，对大气阻力和太阳辐射压力等引起的轨道摄动作实时补偿，大大提高了轨道预报精度，故称无阻力卫星。1981 年5月发射经过改进的实用型子午仪号卫星，改名为新星号（NOVA）。 卫星导航的开山之作：“子午仪”卫星
“子午仪”卫星运行在高度约1100公里的近圆极轨道，目的是为了避免多普勒效应减弱。它们在轨道面上均匀分布组成围绕地球的空间导航网，六颗卫星在轨道上的配置似鸟笼形状。它可为全球任何地方的水下潜艇、水面船只、地面车辆和空中飞机等用户服务，用户每隔1.5小时左右就可以接收每颗卫星以150兆赫与400兆赫频率连续播送的无线电信号。地球上的用户根据发送的信号，便可以确切地知道卫星在太空轨道上的位置。人们根据多普勒效应，用计算机就能确定出地球上运动体（如潜艇等）所在的位置。这样，即使潜艇在浩瀚的海洋水下航行，时时刻刻都能知道自己在何处，在大海深处航行数月也不会迷失方向。
地球上的用户，利用“子午仪”导航卫星发送的无线电信号来确定自己所在的位置，一颗卫星的定位精度在20~ 50米。如果在一天内把数颗卫星飞越30多次的数据都收集起来，然后进行平均计算，可以把定位误差减小到最小，这样就可以把定位精度提高到几米。
总体性能方面，“子午仪”系统用于军事导航的定位精度为6米左右，通过多次定位可达2米以内。整体系统可工作到1996年。子午仪导航系统可以全天候导航，导航信号覆盖全球；导航精度优于以前任何系统。但不能定高度、速度，不能连续实施导航。
不能连续导航对于用户来说实在麻烦，固定地点采用卫星多次飞越的数据来提高定位精度，显然是一个很好的办法。但是对于航行在水中的潜艇、水面的船舶，它们的导航接收机安在活动的艇、船上，还必须精确地知道它们航行的速度，否则，定位精度将会大大降低。对于翱翔在空中的飞机，由于在两次导航定位的时间间隔内，飞行距离可达1000公里以上，显然，不能用“子午仪”导航卫星来进行导航，而需要研制更先进的导航卫星系统。
“子午仪”的诞生在当时具有重大的科学意义，它是人类首次建立的卫星导航系统，它为后来的GPS以及伽利略系统奠定了基础。另外，“子午仪”也让军方充分认识到导航系统的重要性，接下来的时间内，世界主要强国均在卫星导航系统上投下巨资。
GPS的诞生和组成
GPS的诞生
为了解决“子午仪”存在的众多问题，美国国防部70年代投资100亿美元开发新的卫星导航系统，即我们熟悉的GPS，从当时到1993年GPS建成投入使用，共耗资300亿美元以上。GPS在当时隶属于“星球大战”的组成部分受到了相当高的重视，80年代美国放弃星球大战计划后，GPS仍然得以存活发展。 GPS系统示意图
和早期的“子午仪”相比，GPS提高了卫星的数量，同时应用了最新的计时工具，让定位精度大为提高。另外GPS可提供实时导航，大大方便了飞行器和舰船的应用。同时GPS解决了“子午仪”不能提供高度数据的缺陷，当GPS接收器能锁定4颗卫星信号的时候，便可提供实时的高度数据。另外，GPS还提供较高的容错性，当接收机能接收到5颗卫星的数据时，其中一颗便可提供错误信息供参考。除了传统的导航用途外，GPS还可以提供较为精确的移动信息和时间校正功能。
可以说，GPS相对于“子午仪”有了重大的飞跃，让卫星导航真正进入大规模应用领域。
GPS的发展阶段
GPS系统的组成
GPS主要包括3部分的设备：地面控制中心；导航卫星和GPS接收装置。GPS主控制站在美国科罗拉多，负责全权控制，另外的三个地面天线，五个监测站，分布在全球。主要是收集数据、计算导航信息、诊断系统状态、调度卫星这些杂事。太空中共有27颗GPS卫星，距离地面20200公里。27颗卫星有24颗运行、3颗备用。这些卫星已经更新了三代五种型号。卫星发射两种信号：L1和L2。L1:1575.42MHZ-p.htm" target="_blank" title="1575.42MHZ货源和PDF资料"1575.42MHZ L2:1227.60MHZ。卫星上的时钟采用铯原子钟或铷原子钟，计划未来用氢原子钟。至于接收机就很简单了，就是我们手头的GPS设备，包括大米同学的手机。常见的民用手持机接收L1信号，还有双频的接收机，做精密定位用的。军用的要复杂一些，主要更为可靠。 美国的德尔塔火箭发射最新型的GPS卫星
GPS的精度
性能方面，GPS虽然是军民合用的系统，但它针对军用和民用提供了不同的定位精度。军用为3米，民用信号增加了干扰机制，使精度下降到100米。鉴于GPS在民用中发挥越来越重要的作用，美国政府2005年取消了GPS的干扰机制，使民用信号的精度提高到了5米，大大方便了民用用户的使用，也为现在GPS的普及奠定了基础。不过据称经过改进的GPS军用信号已经达到了1米的精度，但尚未对民用开放。
下面我们来了解GPS的主要工作原理。
GPS的主要原理比较简单，只涉及基本的地理和数学知识，但由于种种因素的干扰，完全搞明白GPS的原理就比较复杂了。我们这里只讲述最基本的知识，以便大多数读者能够理解。
首先我们假定GPS卫星的位置为已知，而我们又能准确测定所在地点A至卫星之间的距离，那么A点一定是位于以卫星为中心、所测得距离为半径的圆球上。进一步，我们又测得点A至另一卫星的距离，则A点一定处在前后两个圆球相交的圆环上。我们还可测得与第三个卫星的距离，就可以确定A点只能是在三个圆球相交的两个点上。根据一些地理知识，可以很容易排除其中一个不合理的位置，因为这两点相差很远，可能在地球之外和地心某处，所以通过GPS内置的逻辑系统可以很容易的排除掉。
为了担保不会有意外发生，GPS通常会测量第4颗卫星的位置，这样4个虚拟的圆形相交的点就是我们的精确位置了。
综合所述，想GPS定位需要具备两个重要条件：
1、其一是要确知卫星的准确位置
2、其二是要准确测定卫星至地球上我们所在地点的距离
具体来讲，实现第一点的方法是通过精确的控制。首先要优化设计卫星运行轨道，而且，要由监测站通过各种手段，连续不断监测卫星的运行状态，适时发送控制指令，使卫星保持在正确的运行轨道。将正确的运行轨迹编成星历（相当于火车时刻表），注入卫星，且经由卫星发送给GPS接收机。正确接收每个卫星的星历，就可确知卫星的准确位置。 导航卫星的飞行轨迹有严格的限制，每颗都必须按照时刻表运行
第二点解决原理，只要知道卫星发射的信号到地面的距离就能准确知道卫星的距离，其中原理是最简单的物理公式：距离=速度*时间。GPS接收机计算卫星信号之间的间隔时间，乘上电磁波的速度就是准确的距离乐。但是这其中涉重要问题：卫星时间和GPS时间要同步，GPS系统在每颗卫星上装置有十分精密的原子钟，并由监测站经常进行校准。卫星发送导航信息，同时也发送精确时间信息。GPS接收机接收此信息，使与自身的时钟同步，就可获得准确的时间（GPS自身的时钟采用廉价的石英钟）。所以，GPS接收机除了能准确定位之外，还可产生精确的时间信息。 GPS的核心装配——原子钟（非GPS用）
知道了距离和卫星的位置后GPS就可以开始工作了。当然这其中还涉及相当复杂的知识，包括大气的干扰；时间的校对；卫星的控制；容错功能；提高精度的差分技术等等，足可以让你学上好几年。当然，作为普通用户，我们只知道简单原理就成了。
最后，我们来模拟一次卫星导航，就说大米同学吧。此人在外HAPPY后夜间迷路，怎么也会不了家，突然一掏兜想起自己还有GPS。慌乱中，大米启动GPS导航，系统开始自动寻找可用的GPS卫星，大米运气不错，有4颗卫星能用，信号清晰。GPS开始接收卫星传输的无线电波，首先计算出4颗卫星的距离，然后通过“卫星运行时刻表”，知道了4颗卫星的位置。条件具备后，GPS开始对比内置地图，根据经纬度坐标确定目前的方位，最后根据大米的指示开始导航，甜美的语音告诉使用者出前方5米掏开门的提示——敢情大米在家门口转悠了一个晚上！
如何，相信您对GPS的整个系统和运作方法有了大概的了解。
系统构成与工作原理 北斗卫星导航定位系统的系统构成有：两颗地球静止轨道卫星、地面中心站、用户终端。 北斗卫星导航定位系统的基本工作原理是“双星定位”：以2颗在轨卫星的已知坐标为圆心，各以测定的卫星至用户终端的距离为半径，形成2个球面，用户终端将位于这2个球面交线的圆弧上。地面中心站配有电子高程地图，提供一个以地心为球心、以球心至地球表面高度为半径的非均匀球面。用数学方法求解圆弧与地球表面的交点即可获得用户的位置。
由于在定位时需要用户终端向定位卫星发送定位信号，由信号到达定位卫星时间的差值计算用户位置，所以被称为“有源定位”而其他几种定位系统都是接收机被动接受信号，成为无源系统。北斗星除了能作导航用途外，还可以进行简单的通讯功能，这是其他系统所不具备的。
北斗星显然是应急的产物，系统只有3颗卫星，造价和同类系统相比非常便宜，它的主要作用是确保战争时期和特殊用途时不受GPS的限制，有很强的战备目的。从性能上看，北斗星定位等功能和GPS相比也稍微不及，并且“有源定位”的工作方法很容易暴露用户的位置，保密性差，在军用方面是个不小的缺点。
总体来看，北斗星是我国在卫星导航的试水产品，很多地方还不完善，还有很长的路要走。出于战备目的，市面很少有北斗星的接收机出售，且价格昂贵，使用者基本是军队等国家用户。虽有少数零售产品，但都是应付事的面子工程，基本没有商业价值。 GPS和摩托罗拉“铱”系统的区别
在小编完成此文的时候，大米同学突出说出“铱”系统这个名词，并且将“铱”和GPS弄混了。为了解释这个问题，我们最后再介绍一下摩托罗拉的“铱”系统，看看它和GPS有和区别。
“铱”系统简单介绍
“铱”星系统是由美国摩托罗拉公司卫星通信部设计、筹建的通过低地球轨道运行的卫星组成的通信系统，与现有通信网结合，可实现全球数字化个人通信。于“铱”星系统包括66颗卫星，有部分是由中国长城工业公司的长征2C/SD火箭承担发射任务的。
这个系统最初设计中是模拟化学元素铱的原子结构，铱的原子核外有77个电子绕核旋转，所以设计的“铱”星系统也由77颗卫星在太空中的7条太阳同步轨道上绕地球运行，可以覆盖地球表面的任一点，构成“天衣无缝”的通信覆盖区，后来，这一系统改为66颗卫星围绕6个极度地圆轨道运行，但仍用原来注册的名称。
“铱”星系统于1994年开始发射了7颗卫星。1998年11月1日，“铱”星系统正式投入运行，开创了人类电信史上的新篇章。美国的副总统戈尔成为“铱”星的第一位用户，他将第一个电话打给了美国地理学会主席(此人是电话的发明人亚历山大·贝尔的曾孙)并告知他这个振奋人心的好消息。
“铱”星系统是一个非常庞大的低轨道卫星网络，共计72颗通信卫星(66颗组网卫星和6颗在轨的备用卫星)，运行在距离地面780公里高的轨道上，构成了6个倾角为86.4度的轨道面，卫星在轨道上绕地球运行的周期是100分钟又28秒。每颗卫星的质量约700千克。在每颗卫星上有48个发射点用来传送通讯信号。整个“铱”星系统和“铱”星本身都是由Motorola公司负责设计的，“铱”星系统的用户端的手持设备(“铱”星手机)是由Motorola公司和日本的专业手持电话制造商京瓷(Kyocera)提供，“铱”星手机分为只用于Iridium系统通信单功能机和GSM移动网/Iridium复合模式两种。后者既能用作卫星电话，又能用作蜂窝无线电话使用。当一个“铱”星用户呼叫另一个“铱”星用户时，“铱”星系统将会通过整个“铱”星网络定位被呼叫的“铱”星用户。如果被呼叫用户位于一个地面GSM系统的呼叫范围内的话，则信号将通过该地面GSM网络接通该用户的GSM信道(如果该用户使用兼容GSM的“铱”星电话)，就如同上面的情形。而如果无法在地面电话网内定位，则信号将直接在卫星与卫星之间传送，直到传送到被呼叫的“铱”星系统用户的“铱”星电话上。所以，只要通话双方都使用“铱”星电话，则无论用户在南极还是北极，该次通话肯定能够建立，体现出了“铱”星在个人通信方面的强大能力。 卫星爱好者拍摄的“铱”星掠过的照片
1998年11月“铱”星公司的全球卫星通讯系统全面建成并正式投入商业运营后，“铱”星公司在世界各地广设分公司，并拨出庞大的财务预算在全球范围内进行大规模的广告宣传活动，以纪念这一重大的技术创举，可谓声势浩大。不过，随着时间的推移，“铱”星公司在项目论证上存在的严重问题就逐渐暴露出来了。“铱”星公司所吸收的卫星电话用户的数量远远低于原来的预期，甚至达不到当初预计数字的一个零头。
同时，由于“铱”星公司的有息负债额高达44亿美元，占投资总额的80%，严重的入不敷出导致资金迅速枯竭，财务上陷入困境，该公司不得不在1999年8月向法院申请破产保护，在2000年3月17日，“铱”星公司被宣布破产，耗资57亿美元的“铱”系统最终走向失败。据最新消息，“铱”卫星公司(Iridium Satellite LLC，不是“铱”星公司)只花了2500万美元就完成了对“铱”星公司(Iridium LLC)及其子公司所属资产的收购，并刚从美国国防部获得了一份为期两年，价值7200万美元的合同，给大约20000名官员提供不限时间的无线通信服务。目前几十颗“铱”星委托波音公司管理和维护。 “铱”星电话，和普通GSM手机差不多
虽然走向大众的“铱”星系统失败了，但卫星移动通信系统仍存在广阔市场。因为目前，陆地蜂窝移动通信系统只能覆盖地球2%的面积，而且受用户和通信量制约，在一些地广人稀的区域长期运营蜂窝网得不偿失，加之海事卫星系统几十年来的成功运营，均表明卫星移动通信市场前景广阔。目前卫星通信系统仍在发展，除已投入使用的全球星系统外，还有ICO系统、奥德赛系统、日本的NTT系统、欧洲的RACE系统，都有着广阔的发展前景。
“铱”星系统通信装置在国内有出售价格与通话费用惊人也只有少数政府部门采购的起，普通老百姓是无缘享受了。
“铱”星系统和GPS的区别显而易见，“铱”星系统功能是通信，打电话用的；GPS是负责导航的，看地图用的。二者不能混淆。 卫星导航展望
讲了半天卫星导航，大家肯定有点累了，咱们最后说点实际的。
卫星导航在我国还出于尚在发展的产物，产品主要是以美国的GPS为主，价格说实话还比较昂贵，一般的产品的售价在2000元左右，而且还需要缴纳每年的使用费用，以更新地理数据等，否则设备会作废或过期。从实际使用上来看，小编觉得还有不少问题需要解决，首先是地图精度实在不足，信息少的可怜，只能给你大概的走法，并且精度不能保证。
其次，GPS的使用稍有复杂，尤其是行车期间绝不能使用，否则复杂的操作很可能令你出交通事故。因此GPS在易用性方面还需要进行较大的改进。
目前可用的导航系统只有GPS一家，没有其他替代品。不过随着2008年欧洲“伽利略”的投入使用，相信导航系统竞争加剧，价格会进一步下调。预计今后的导航系统很可能内置GPS和伽利略两套系统，互为备份并且还能提高使用精度。至于俄罗斯的GLONASS和我国的北斗星，由于种种原因，很可能不足以进入市场。
总之，小小的GPS别看样子简单，但其中蕴含的科技却是普通人难以想象的，从早期的罗盘指南针路到现在的卫星导航，其中经历了数千年的发展历程，背后经过了无数人的艰辛劳动，所以别小看您的GPS! 转载附录：卫星导航的核心设备—原子钟
GPS系统操作原理其实是很简单的:每一颗卫星不断发射包含其位置和精确到十亿分之一秒的时间的数字无线电信号。GPS的接收装置接收到来自于四颗卫星的信号，然后计算出在地球上的位置，误差仅为几百英尺。接收装置将接收时间与卫星发射的时间进行比较，通过二者之差计算出远离卫星的距离(光线的速度为每秒186000英里，假如卫星发射时间比接收时间晚千分之一秒，那么接受装置离卫星的距离就为186英里)。通过比较这个时间与其他三个已知位置的卫星的时间，接收装置便能够确定经纬度及海拔高度。
从以上论述可以看出精确计时及其计时工具在整个GPS系统中的重要地位。
说到原子钟，它最初本是由物理学家创造出来用于探索宇宙本质的;他们从来没有想过这项技术有朝一日竟能应用于全球的导航系统上。
根据量子物理学的基本原理，原子是按照不同电子排列顺序的能量差，也就是围绕在原子核周围不同电子层的能量差，来吸收或释放电磁能量的。这里电磁能量是不连续的。当原子从一个“能量态”跃迁至低的“能量态”时，它便会释放电磁波。这种电磁波特征频率是不连续的，这也就是人们所说的共振频率。同一种原子的共振频率是一定的—例如铯133的共振频率为每秒9192631770周。因此铯原子便用作一种节拍器来保持高度精确的时间。
30年代，拉比和他的学生们在哥伦比亚大学的实验室里研究原子和原子核的基本特性。也就是在这里，他们在依靠这种原子计时器来制造时钟方面迈出了有价值的第一步。在其研究过程中，拉比发明了一种被称为磁共振的技术。依靠这项技术，他便能够测量出原子的自然共振频率。为此他还获得了1944年诺贝尔奖。同年，他还首先提出“要讨论讨论这样一个想法”(他的学生这样说道)，也就是这些共振频率的准确性如此之高，完全可以用来制作高精度的时钟。他还特别提出要利用所谓原子的“超精细跃迁”的频率。这种超精细跃迁指的是随原子核和电子之间不同的磁作用变化而引起的两种具有细微能量差别的状态之间的跃迁。
在这种时钟里，一束处于某一特定“超精细状态”的原子束穿过一个振荡电磁场。当原子的超精细跃迁频率越接近磁场的振荡频率，原子从磁场中吸收的能量就越多，从而产生从原始超精细状态到令一状态的跃迁。通过一个反馈回路，人们能够调整振荡场的频率直到所有的原子完成了跃迁。原子钟就是利用振荡场的频率即保持与原子的共振频率完全相同的频率作为产生时间脉冲的节拍器。
两位科学家先驱的工作为全球定位系统的发展奠定了基础:左图:拉比对原子和原子核的基本性质所做的研究引导他发明了磁共振的技术，为第一台原子钟的出现奠定基础。右图:拉比以前的学生诺曼·兰姆赛为铯原子束“喷泉”钟的发展奠定了基础。他还发明了氢微波激射仪器，从而为时间记录的概念重新下了定义。
拉比本人并没有深入到制造这种时钟的工作，但其他的研究者继续工作改进这个想法和技术。1949年，拉比的学生诺曼?兰姆赛所做的研究表明如果让原子束通过振荡场两次的话便能得到更精确的时钟。为此，兰姆赛于1989年获得了诺贝尔奖。 几十年来，铯束钟、氢微波激射钟和铷钟这三种时钟在空间领域发挥着重要作用，要么是被安装在卫星上，要么是安装在地面控制系统里。GPS系统的卫星最终必须依赖这些和拉比六十年前所构想出的时钟相似的铯钟。
1993年也就是五角大楼构思GPS系统的20年后，随着第二十四颗卫星的升空，GPS系统终于成为一个实用的系统了。美国空军操纵着这些卫星，并从遍布全世界的五个地面站监视着它们。收集到的数据将送到位于科罗拉多的空军联合空间行动中心进行分析，该中心每天将这些最新数据传送回每颗卫星上，校正时钟及轨道数据。
27岁攻克世界难题，让中国拥有北斗导航系统的王飞雪究竟多牛？
王飞雪是国防科技大学的教授，他是一个非常厉害的人。
我们知道，早在1989年的时候，我国科学家就已经证明北斗导航卫星的可行性，到1994年，我国正式启动北斗卫星导航试验系统建设。不过，北斗工程的核心技术问题，即信号“快捕精跟”一直都没有无法解决。当时还在攻读博士研究生的王飞雪决定组建团队，解决这个问题。1998年，王飞雪的团队成功研制出北斗一号全数字快捕和信号接收系统，经过测试得到的第一批“快捕精跟”数据，效果远远超出了大家的期望值。北斗“快捕精跟”技术设备，更是先后获全军科技进步一等奖、国家科技进步二等奖。值得一提的是，这一年王飞雪只有27岁，可以说是年少有为。
2006年，国家准备对北斗一号导航系统体制进行升级。当时北斗一号已成功运行多年，系统运行稳定正常，大家一致主张继续沿用原来的技术指标和基本参数。不过，王飞雪却持有不同的意见，他认为如果仅仅是单纯的硬件更新，系统性能效果提升不会有质的飞跃，于是他又大胆提出了一套最新的编码理论改造应用方案。
在这之后，王飞雪仅用了70天完成了抗干扰卫星载荷（是指航天器上装载的为直接实现航天器在轨运行要完成的特定任务的仪器、设备、人员、试验生物及试件等）。经测试，他们研制的抗干扰卫星载荷，性能指标比原来大幅提高，在某区域卫星信号有效接收率从不足50%，跃升为接收率100%，抗干扰能力整整提高了1000倍。时间来到2015年3月，当时我国北斗全球系统首颗试验卫星成功发射。在轨测试表明，王飞雪和团队承担研制的星载设备，在高精度、抗干扰、抗辐照等技术性能上再次获得重大突破。
此后，王飞雪提出的编码理论改造应用方案也应用到北斗二号上，带动了整个北斗短消息服务系统效能的跃升。值得一提的是，因为王飞雪的理论，所有的终端设备功耗降低一半，抗干扰性能提升一倍，各项参数达到最优值。王飞雪和他的团队先后破解了体制、编码等一系列核心难题，还先后攻克了卫星导航领域的数十项关键技术，不仅研制出第一台手持式北斗用户机，攻克了北斗导航定位系统核心信号，承担了北斗系统某核心模块95%的研制任务，研制出60套关键卫星载荷。
从这里就看得出来，王飞雪对我国的北斗导航系统的建设，做出了不可磨灭的贡献。
自1998年中国的航天突破
1999年11月21日凌晨3时，神舟一号发射。第一艘宇宙飞船
2003年10月15日09时，神舟五号发射。第一次载人飞行。
2008年9月27日16:35，神舟七号，翟志刚，第一次太空行走。
2000年10月31日第一颗“北斗一号”导航卫星发射。北斗实验导航系统开始发射
2007年4月14日，中国第一颗“北斗二号”导航卫星发射。北斗导航系统正式发射。
2008年4月25日23时，中国首颗数据中继卫星“天链一号01星”
2007年10月24日，嫦娥一号发射。第一次探月
在2008年5月27日11时，风云三号发射。新一代气象卫星。
2003年09月16日，开拓者一号火箭首次发射。快速卫星发射技术。
卜庆君的贡献——中国北斗导航卫星诞生记
揭秘“北斗”是如何酝酿出来的
北斗前传：
从北京北三环一个普通招待所三楼那个简陋狭小的“游击队”办公室，到今日浩瀚宇宙中七颗北斗导航卫星，北斗计划见证了中国航天事业的理想与挫折，艰辛与荣耀。
71岁的卜庆君有一个半旧的本子。他小心翼翼地翻开，拿出夹着的一页报纸，“你看看这是不是美国和中国谈判的那一篇？”如果不戴眼镜，年逾古稀的卜庆君没办法看清报纸上的文字，但是凭借着剪报的形状，他依旧记得上面的内容。
这些剪报都是关于北斗导航卫星的报道，从新卫星发射成功到中美谈判，他都一一剪下，珍藏起来。
四分之一个世纪之前，中国的科学家开始研制中国自己的卫星导航系统。后来，这个由中国自主研发的导航系统被命名为“北斗”。这一计划从最初的“最高机密”，直到如今逐步推广为民用，已经走过了20多年。曾经的主力科学家已经成为白发苍苍的院士，北斗系统的理论创始人也已经故去。
在这20多年中，卜庆君从中国人民解放军一位参谋成长为总参谋部测绘局局长、总参谋部作战部副部长，再成为现在的退休老人。作为项目创始人之一，他对于20多年前的事情记忆犹新。
一。
1985年，卜庆君受邀参加了在华盛顿举办的“GPS全球定位系统国际运用研讨会”
“那个会议是在1985年的4月15日到18日。”尽管已经过去二十多年，卜庆君依然清楚记得具体日期。出发之前，学天文大地专业的卜庆君已经了解GPS的功用和发展情况。但是，外国专家在会议上的发言却让卜庆君提高了警惕。
美国的GPS系统诞生于1973年， 由美国国防部组织研发。在那次研讨会上，除了介绍GPS的前景和用途，美国军方告诉与会者，GPS的编码分为军用和民用两种。在特殊情况下，为了保证国家安全，军方会采取三种措施应对紧急状况：第一，降低对方的导航精度；第二，随时变换编码；第三，进行区域性管理。也就是说，通过以上三种方式，美国军方可以限制国内外用户对GPS的使用。
“这些都是在会议上公开说的。我了解这些之后，就觉得如果我们依靠这个，那我们不是要受制于人吗。”卜庆君对《中国新闻周刊》记者回忆。
根据掌握的情况，卜庆君撰写了一份报告，其中写道，“对于GPS的发展和应用要跟踪研究，与此同时要发展中国自己的卫星导航系统。”
但这只是一个梦想，具体怎样开展研究，毫无头绪。
就在同一个月，卜庆君受邀参加了另外一个学术研讨会。中国科学家陈芳允在会议上作了一个在当时听来十分新颖的演讲——“利用两颗卫星就可以解决地面定位问题”，后来被归纳为“双星定位”。卜庆君在会场里坐着，突然意识到这似乎可以用来开展中国导航系统的研究。他找到时任国防科工委副主任沈荣骏，讲述了自己的想法。两人一拍即合。
得到鼓励的卜庆君直接去往陈芳允家里。在说明自己的来意之后，陈芳允告诉他，“其实我们自己已经研究了两年。”作为著名的电子学专家，陈芳允和其他同事两年来的研究成为了日后“北斗计划”的奠基理论。
在初次沟通之后，陈芳允开始为卜庆君介绍对此理论有所研究的科学家。他们在北京黄寺附近的一家宾馆组织了一次理论说明会。“大家都觉得可以，我们就决定开始筹备可行性论证。”卜庆君说。
第二年3月，卜庆君起草报告请求国家启动双星定位系统的研究。一个月后，由国家主管部门召开了可行性论证会。“参加会议的人还真不少。铁道部、电信局、交通部、林业局都去了。”卜庆君语气一转，“但是，支持的很少，还是泼冷水的多。”
人们提出了三个质疑：第一，既然有GPS，为什么我们还要搞这个双星定位？第二，我们的技术水平能否达到？第三，我们有没有这个经济实力？
“大家说的确实都是现实问题。从这开始到后来的很多次讨论，都有不同意见。现在回头想想，我很感谢这些意见，让我们必须很谨慎。”卜庆君说。
与会者的质疑并非没有道理。美国GPS系统自1973年开始研发，已经耗费上百亿美金，并且承诺向全球提供服务。而此时的中国，走出文革尚不足十年，国民经济仍在困顿之中，人力物力奇缺。
会议进行了热烈甚至是激烈的讨论、争辩，最终，众人从国家战略和特殊时期国家安全的角度，认识到自主研发导航系统的重要性，以及卫星测量手段对国防建设、科研建设的重要意义。很快，参与研发的团队列出了17项重大原始试验专项。
在这之后，从1986年直至1994年的八年时间里，这些科学家一直埋头于理论的推演和专项实验。
二。
卫星对于大多数普通人来说充满神秘。
“其实卫星就相当于以前打仗时候的消息树。在一个高地上种棵树，有日本鬼子来了，人们就把那棵树拽倒，另外一边的人就都能看见了。”北斗导航系统工程总师、被誉为中国“卫星之父”的科学家孙家栋对《中国新闻周刊》记者说，“这就是信息传递。卫星另外还有两个功能，即信息获取和导航。”
卫星导航是这些用途中最为复杂的问题。根据科学家的计算，如果围绕着地球发射24颗卫星，形成三个不同的轨道面，编织成一个网络，那么无论何时何地，人们都能同时看到四颗星。美国GPS系统的研发就是依据这个原理。
而与此不同，中国科学家陈芳允所提出的双星定位，是只用两颗卫星即可完成最基本的定位功能。“这是根据中国自己的需求和经济实力设定的，”孙家栋说，“当时的中国刚刚改革开放，经济实力不够。而且，当时也不需要设计出针对全球的系统。”
于是，科学家们开始致力于研究只用于中国本土的卫星导航系统。自从1986年的会议上人们达成一致之后，导航项目的研究就开始各自向不同部门申请科研经费。然而，北斗计划的正式立项，一直等到1994年。
1994年，所有的前期论证工作基本完成，专家团开始撰写立项申请。因为测量就是定位方向，这个中国的导航计划被命名为“北斗”。
立项工作并非一帆风顺。
遇到的第一个阻力，是从研发之初就困扰着科学家们的经费问题。1995年，有关部门向国务院汇报北斗计划。国务院当时对此计划作出了批示。“批示说，这个计划很重要，但也说钱可能没那么多，是不是可以考虑先搞预研。”卜庆君对《中国新闻周刊》记者回忆。
所谓预研，是指国家划拨少量款项进行尝试性预先研究工作，而并不能提供充裕资金保证项目的完成。
得知这一指示后，卜庆君坐不住了。当天晚上，他给国家主管部门领导打了一个电话。在电话里，他恳切地说，“咱们可不能再搞预研，这个项目已经走到这一步了，如果搞预研就等于把这个项目毁了。”
王统业这位领导在电话里劝他不要着急。两天之后的领导例会上，他将卜庆君在电话里的想法说给大家，大家商议之后觉得还是应该尽力申请正式立项。
彼时，中国另外两个卫星计划已经确定，两个计划分别有一颗备份星指标。经过商议，大家决定将前两个计划的备份星指标分给北斗计划使用。“我们和两个卫星计划团队多次商议，如果你们打(卫星)成功了，备份星就不需要了。打不成，你们还得继续找问题呀。所以，就先给我们用好了。”中国卫星导航的开拓者和奠基人之一、北斗计划工程副总师谭述森笑着对《中国新闻周刊》记者回忆说。
这样的腾挪就使得北斗计划的最初立项不再需要单独划拨资金，这个新生的卫星导航计划终于得以正式立项。此时，美国的GPS系统已经走过快二十年，整体系统已经完成布网，正式开始向全球提供服务。而俄罗斯自己研制的格洛纳斯导航系统已在建设当中。
三。
问题接踵而至。
从1985年进行论证开始，中国航天科技集团五院就一直担任着北斗计划中卫星方面的设计工作。而当北斗计划正式立项之后，正巧赶上航天飞船“神舟”计划开始上马。这样一来，任务一下子加重。在此背景下，相关部门希望将北斗计划的工作迁往上海。
而如果迁往上海，研究工作基本需要重头再来。
“这也是1995年下半年的事。这一年啊……”回忆起那一段往事，很多当事者都不免叹口气。当时，这个调整并未与总参测绘局商议。卜庆君知道之后，直接给时任解放军副总参谋长曹刚川的秘书打了一个电话，“你跟曹副总长汇报一下，不能答应这个调整，要不就把计划毁了。”之后，卜庆君又直接找到曹刚川，陈述迁址之弊，争取首长的理解支持。
迁往上海的计划最终没有实施。此时，相关专家已经陆续被调往北京。但是，这些研究浩瀚宇宙的科学家甚至没有一间合适的办公室。“当时房子很紧，来了人都是打游击。”北斗系统副总设计师谭述森说。北斗计划最初的办公室，就设立在总参测绘局招待所的三楼。
“连我现在这办公室的一半大小都没有。”谭述森指着自己40平米的房间说。他到任的时候，办公室一共五个人，狭小的空间内只能将就容下办公桌。
匮乏的不只是办公设施，还有人才。卜庆君曾经与哈尔滨工业大学的校长商量，希望对方能为北斗计划提供几个博士生。对方十分爽快，“你去挑人，他们愿意去，我就放人。”卜庆君赶紧派人到哈工大，每个前来应聘的博士生都会问两个问题，“待遇多少？能解决住房吗？”
而就在他们与博士生洽谈的同时，广东一家企业前来招聘，待遇是月薪五千，另提供一套住房。一个月之后，卜庆君的部下一个博士生都没有招到，只有四五个本科生愿意前往北京。
领导觉得必须解决住房问题，不然没有办法吸引人才。于是，一方面开始着手盖宿舍楼，另一方面开始跑到北京市规划局，提出建立北斗计划总站需要用地。规划局很大方地表示，“你们是保密单位。顺义那边要哪块，我们来安排。”主管领导表示太远，不满意。对方又说，“那就沙河以北，哪块都可以。”
“我们要上地。”
“其实我早就都看过了，就选好了上地。”如今，卜庆君对《中国新闻周刊》记者笑呵呵地回忆。但是，上地附近已经完成了规划，无法更改。卜庆君就与位于上地附近的航天城的负责人协调，在共用水电的情况下，划拨出了附近的两块土地作为工作区和生活区。
记得那是1997年1月16日，距离春节还有三天，北斗地面中心的基建经费也最终敲定。
四。
但是一切远比设想的要复杂。
就在决策指挥层为这个项目奔忙的同时，北斗研发团队的科学家也一直在进行着自己的工作。他们为自己定出的目标是“保八争七” ——第一颗卫星的发射时间保证在1998年，争取提前到1997年。
由于北斗系统的奠基理论为双星定位，那么地面上的第三个点就需要有精确的地面高程，即地面高低分布的精确数据。对于科学家来说，这个高程数据是一个极为庞大的数字化工程。“我们有三十年海量的测绘资料，但这些资料都是纸质的，必须全部数字化。”总参测绘局一位资深专家回忆说，“这就需要功能强大的计算机。但那个时候，拥有这样的计算机都很困难。”
在总参测绘局局长袁树友少将的记忆中，这项庞大的数字化工程是从1996年开始的。“那时候咱们的银河计算机也满足不了需求，专家还是建议购买国外的设备。”袁树友对《中国新闻周刊》记者说。最终，巨型计算机引入了北斗计划。
在北斗系统筹备之初，这些早已熟悉GPS的科学家为自己提出要求。“导航精度要高，要有自己的创新。”北斗系统副总设计师谭述森说。他所指的创新，是指北斗系统独有的、GPS不具备的短报文通信功能。
“这120个字的短信功能有时候非常重要，用户之间可以互相联系。比如汶川地震的时候，所有通信都断了，救援队就依靠这个功能。”一位院士专家如实对《中国新闻周刊》说。
除此之外，科学家们还制定了导航反应的标准，在5秒之内必须有所反馈。“其实5秒都会觉得时间长，咱们必须从用户的角度出发。如果过了几分钟没有导航显示，那你肯定认为这机器坏了。所以从一开始，我们这制定了5秒的标准。”谭述森说。
为了达到这些标准，北斗卫星发射时间推迟了两年。直到2000年10月，北斗导航系统的第一颗卫星才正式送入轨道。而在此六个月之前，北斗系统的理论奠基人陈芳允已经因病去世。
“他去世的时候，我去他家了。唉……”卜庆君老人叹了口气。陈芳允最终没能看到自己的理论成为现实。
时隔两月，第二颗卫星成功发射。此刻，从提出理论，到发射卫星上天，北斗计划已经走过15年。
在最初的双星定位理念实现的同时，北斗总师孙家栋开始把自己的担忧摆上桌面。“当时就担心如果两颗星当中有一颗坏了怎么办。我就觉得这个问题很为难，无论如何也得向领导汇报。”孙家栋对《中国新闻周刊》记者回忆。于是，经过申请，又补发了两颗备份星。而在一切都看似顺利推进的时候，麻烦再次降临。北斗一期和二期之间衔接的一颗卫星发射成功之后突然全部断电，完全报废。为此，研究团队紧急制定了一个名为“泰山计划”的方案，这样的工作一直持续到当年年底，以保证北斗计划一期和二期的顺利交接。
2003年12月开始，北斗系统正式开通开始向国内用户提供服务。作为测量技术手段，虽然目前北斗系统的应用还远不如GPS一样完善，但以往一直依赖于GPS授时、导航的用户，开始多了一种选择——而这从长远来说，无论是从国家战略层面，还是在经济利益层面，都具有重要意义。
2007年2月，北斗二代论证会召开，已经退休的很多领导仍到会参加。会议上，专家评估后宣布，当12颗卫星布网完成后，北斗系统的年产值可能达到500亿。
如今，中国军队的导航和授时方式已经逐步由GPS向北斗转换，而金融、电力、渔政和森林防火等民间领域也逐渐尝试使用北斗系统。2010年12月18日，北斗系统成功发射了第七颗卫星。目前，北斗系统进入了卫星发射布网的高峰期。按计划，到2020年，北斗将与GPS一样，成为一个向全球提供服务的卫星导航系统。为人类贡献了“司南”的中华民族，通过北斗计划，进入了定位和授时的宇航时代。
