1705359180
1705359181
1705359182
三球交会定位原理图解
1705359183
1705359184
贰 蹒跚起步
1705359185
1705359186
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。
1705359187
1705359188
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。
1705359189
1705359190
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”。
1705359191
1705359192
“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。”
1705359193
1705359194
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。
1705359195
1705359196
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？
1705359197
1705359198
1705359199
1705359200
1705359201
双星定位原理图解
1705359202
1705359203
注：双星定位的实际工作原理较为复杂，这里仅做简要示意。
1705359204
1705359205
1705359206
1705359207
1705359208
北斗一号、GPS用户交互对比示意
1705359209
1705359210
1705359211
1705359212
1705359213
搭载北斗导航卫星的“长征三号乙”运载火箭/摄影 史悦
1705359214
1705359215
2018年10月15日，西昌卫星发射中心的发射塔架上，蓄势待发的“长征三号乙”运载火箭，整流罩上印有“北斗卫星导航系统”标志，此次发射的是第39、40颗北斗导航卫星。
1705359216
1705359217
叁 攻坚克难
1705359218
1705359219
2010年起，西昌卫星发射中心变得非常热闹。在不到3年的时间里，有14颗导航卫星从这里陆续发射升空。与此同时，运算、控制等地面配套系统也一步步建设开来，卫星与地面的调整测试同步进行。2012年年底，新系统组网成功，这就是“北斗二号”。
1705359220
1705359221
与“北斗一号”相比，“北斗二号”的覆盖范围明显扩大，扩大至亚太地区的大部分区域，定位精度获得大幅度提升，平面精度和高程精度达到10米，单向授时精度从100纳秒提升至50纳秒。“北斗一号”独特的通信功能被完整继承，可在应急通信中发挥重要作用。然而，这样的升级并非一帆风顺，一道道难关横在工程师们面前。
1705359222
1705359223
难关之一是卫星如何布局。
1705359224
1705359225
实现导航卫星全球覆盖的最优选择，是高度约20000千米的中圆轨道，GPS等卫星导航系统的卫星便分布于此。不过，中圆轨道卫星飞越目标区域的时间较短，想要实现对此区域的稳定覆盖，必须发射足够多的卫星。然而在当时，我国发射此类卫星的技术尚未成熟，倘若全部使用中圆轨道，无疑充满风险。
1705359226
1705359227
为了在短期内实现目标，我国科学家另辟蹊径，通过排兵布阵，将14颗卫星分布在三种轨道上：5颗倾斜同步轨道卫星保证信号对亚太地区的长时间覆盖，5颗地球静止轨道卫星实现此区域的全时段稳定覆盖。还有4颗导航卫星布置在中圆轨道上，这样既能验证多轨道运行的可行性，也能应对卫星失效的特殊状况，还能为未来全球系统的部署提供经验。由此，我国的科学家们首创了“混搭”的卫星布局方式。
1705359228
1705359229
