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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。
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难关之一是卫星如何布局。
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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。
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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。
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四大卫星导航系统的轨道示意
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“北斗二号”第12、13颗卫星与整流罩合体转场/ 摄影 南勇
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2012年4月30日，北斗导航卫星首次采用“一箭双星”方式发射第12、13颗组网卫星。发射前，卫星和火箭整流罩合体进行转场。在火箭飞行穿过大气层的过程中，整流罩可以保护卫星，避免来自大气层的各种干扰。
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搭载北斗导航卫星的“长征三号乙”运载火箭发射升空/摄影 白龙
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2019年12月16日，在西昌卫星发射中心，“长征三号乙”运载火箭（及配套“远征一号上面级”），以“一箭双星”方式成功发射第52、53颗北斗导航卫星。“长征三号乙”运载火箭主要用于发射地球同步转移轨道卫星、北斗导航卫星，可进行“一箭多星”发射。
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难关之二在于精度如何提高。
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电磁波以光速传播，存在1纳秒的时间误差，便会产生0.3米的距离误差。为减小误差，导航卫星上使用的是一种被称为“原子钟”的高精度计时装置。它依靠原子吸收或释放能量所引起的电磁波频率变化来计时，是目前世界上最精确的计时工具。国际上通用的星载原子钟精度需要达到10-13，这相当于每过10万年才会产生1秒的误差，而当时仅美国、俄罗斯和瑞士三个国家拥有此项技术。
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“北斗一号”所用的原子钟便是从瑞士进口的，到“北斗二号”时，引进原子钟的合作被迫中断。要想顺利研发“北斗二号”，中国人必须争分夺秒地实现原子钟的自主研制。
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难关之三便是卫星如何按时发射。
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根据国际电信联盟的规则，卫星运行的轨道和使用信号频率须提前申请，且必须在申请通过后的7年内完成卫星发射入轨和信号接收，否则相关资源就会被回收。
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2000年4月18日，中国的申请得以通过。这意味着在接下来的7年里，卫星及火箭技术必须做到万无一失。科学家们夜以继日地反复实验和测试，用7年时间掌握了相关卫星技术，两年内攻克原子钟难关，甚至面对临发射前的突发故障，仅用十多天，便完成了卫星取出、测试、装回等一系列复杂操作。
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2007年4月14日，“长征三号甲”运载火箭带着第一颗北斗导航卫星顺利升空。所有人在忐忑中等待着卫星返回信号。直到17日晚上8点，距离轨道失效的截止时间仅仅剩下4个小时，信号终于传回，北斗导航卫星最终获得了珍贵的频段资源。
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在接下来的5年里，陆续又有十多颗卫星发射升空。到2012年年底，历尽几番磨炼，突破重重技术封锁，一个我国自主设计、覆盖亚太地区的卫星导航系统就此建成。这距离实现全球导航，只差最后一步。
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最后一步，便是实现全球覆盖的“北斗三号”。
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为实现这一目标，科学家们首先对北斗导航卫星进行了全方位升级：相比于“北斗二号”，“北斗三号”卫星的使用寿命增至10年以上，原子钟的精度达到300万年才会产生1秒误差，卫星的组成部件全部实现中国制造。
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