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“北斗三号”最后一颗全球组网卫星发射升空/摄影 南勇
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2020年6月23日，“北斗三号”最后一颗全球组网卫星发射升空，标志着北斗卫星导航系统全球组网完成。一个多月后，2020年7月31日上午，“北斗三号”全球卫星导航系统正式宣布开通。
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这里是中国2：百年重塑山河 壹 导航卫星的秘密
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要想获取我们的位置，就需要在太空中布置至少3颗导航卫星。卫星发射的电磁波信号被地面上的导航设备接收，收发信号之间产生的时间差，乘以电磁波的传播速率（光速），便可得出我们与卫星的距离。最后我们可以根据这些距离数据，来获取我们所在的位置。
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只有1颗导航卫星时，以卫星为中心，我们与卫星的距离为半径，便得到一个球面，球面上的任何一点都可能是我们的位置。若有2颗导航卫星，两个球面相交得到一个圆周，圆周上任何一点都可能是我们的位置。若有3颗导航卫星，三个球面相交得到A、B两个点，其中仅有B点位于地表附近，就此便锁定了我们的位置。这就是卫星导航的秘密，即三球交会定位原理。
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3颗卫星实现定位只是理论上的可能。卫星钟、接收机钟精确与否，电磁波在穿越大气时发生的延迟……这些外在因素会导致测定的距离存在误差。因此，人们还需要第4颗卫星的辅助，以对准时钟。
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为了保证地球上的每一个角落都能接收4颗以上的导航卫星信号，众多导航卫星会分布在不同的轨道平面，最终使得环绕地球的卫星总数远远大于4颗，如美国全球定位系统和俄罗斯格洛纳斯系统的导航卫星都在24颗以上。
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在20世纪90年代，想要短期内发射同等数量的导航卫星，对于航天及导航技术相对落后的中国来讲，几乎是一个不可能实现的梦想。
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人们不禁要问，能否用最少的卫星实现定位的目标？
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三球交会定位原理图解
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贰 蹒跚起步
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1983年，“两弹一星”功勋、著名电子学家陈芳允提出了一个大胆的方案：以两颗卫星组成的双星定位系统实现卫星导航。
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这一方案的巧妙之处在于，它在地面设置了一个“大脑”，即地面控制中心。人们利用地面控制中心在地球周围“虚构”出一个球体，并通过控制中心、卫星、用户三者之间的交互，计算出用户的位置。与此同时，两颗卫星均位于地球静止轨道，其轨道高度在35786千米，运行周期与地球自转周期保持一致，可始终朝向地球的同一面，保证了中国境内全时段的信号覆盖。
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从1994年方案获得正式立项，到2000年两颗北斗导航试验卫星成功入轨，历时6年多研发，北斗双星的设想终于变成了现实，这便是“北斗一号”。
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“北斗一号”的信号基本可以覆盖全中国，用户不仅能接收位置信息，还能像“发短信”一样主动发送文字消息。这一功能在求救和援助时尤为关键，却是如“收音机”般单向接收数据的GPS等导航系统无法做到的，属于国际首创。美国“GPS之父”帕金森教授后来对此赞誉有加：“既能够知道你在哪里，也能够知道我在哪里，这是多么美妙的体验。”
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不过，“北斗一号”的缺陷同样显而易见。它的水平定位精度仅为100米，在有标校的地区能达到20米，单向授时精度为100纳秒，与同期GPS的10米定位精度和20纳秒授时精度相比，差距明显。“北斗一号”也仅支持150个用户同时在线，远远达不到全球覆盖的目标。“发短信”式的交互模式过程较为烦琐，信号易被拦截，不仅导致定位中存在1秒左右的延时，还容易暴露自身位置，这对于高速运动的飞机、导弹及需要保密的军事行动而言，可谓致命缺陷。
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尽管如此，“北斗一号”还是解决了中国卫星导航系统从无到有的问题。蹒跚起步的卫星导航梦想，接下来会一帆风顺吗？
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双星定位原理图解
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注：双星定位的实际工作原理较为复杂，这里仅做简要示意。
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