北斗导航系统发展始末：排除万难，终见光明！
近日，中国航天报发表题为《北斗导航：星光闪耀 志向全球》文章，记录中国自主研制北斗卫星导航系统艰难历程。
2015年3月30日，西昌卫星发射中心灯火通明，在庆祝第17颗北斗导航卫星发射成功的人群中，有一位老人的身影。东方红一号卫星、探月工程、北斗导航，这些“中国奇迹”的背后都有他艰辛的付出，他就是中国航天科技集团公司高级技术顾问、中科院院士孙家栋。
虽然当时他已经是86岁高龄，但依然活跃在航天发射第一线。他说：“北斗卫星导航系统是我一直惦记的，自己亲眼看一看，心里踏实些。”
一年后，由凤凰卫视等主办的“世界因你而美丽——影响世界华人盛典”在清华大学揭幕，中国航天科技集团公司北斗卫星导航系统研制团队获得年度“影响世界华人大奖”。
颁奖嘉宾、科学技术部原部长、中科院院士徐冠华对北斗团队给予高度评价，称他们“始终用更精、更稳、更准的高难度指标要求自己，攻克了一道又一道的科技难关，用汗水和智慧向全世界展示了中国制造、中国创造和中国模式”。
北斗卫星导航系统应用示意图
北斗一号差点没迈出第一步
从古至今，人类都在思考一个问题：我们在哪儿?
古人用北斗星等天体进行导航。1957年10月，人类第一颗人造卫星上天。这颗名为“斯普特尼克1号”的苏联人造地球卫星正式拉开了人类进军太空的序幕，也开启了人类依靠卫星进行导航的时代。
在这颗卫星的过程中，美国霍普斯金应用物理实验室的科学家发现了卫星运动引起的多普勒频移效应，并断言可以用来实现卫星导航。于是，美国实施了“子午仪”卫星导航系统，并取得了成功。
提到中国卫星导航系统，不少人首先想到的是上世纪90年代开始建设的北斗卫星导航系统，其实中国人关于利用人造卫星进行导航定位的设想在上世纪60年代就已经萌生，并付诸实践。中国的这一设想是与世界同步的。
北斗卫星导航系统工程副总设计师李祖洪介绍说：“美国提出子午仪系统之后，他们的相关单位开始跟踪研究卫星导航技术。而我国第一颗人造卫星东方红一号发射成功以后，通信卫星、气象卫星、定位导航卫星等也都进入决策层的视野。当时，卫星导航系统命名为‘灯塔一号’，但由于种种原因，该计划在上世纪80年代下马。”
“灯塔一号”是我国对卫星导航的早期探索，“灯塔”与“北斗”有异曲同工之妙，都象征高挂天宇、永远不落的指路明灯。今天的北斗，给中国人提了不少气，但很多人不知道的是，北斗卫星导航系统建设“三步走”的第一步——北斗一号系统差点因经费问题无法迈步。
1994年，我国正制定国民经济和社会发展的“九五”计划，有关部门向国务院汇报了北斗立项计划。
李祖洪回忆说：“当时，包括北斗系统在内，我国有三个卫星项目需立项，另外两个卫星项目已经获批。由于卫星研制经费紧张，有人建议北斗项目考虑先搞预研，国家划拨少量款项进行尝试性预研工作。缺钱是当时北斗一号系统遇到的最大问题，国家少量的拨款不能保证项目完成。”
看着北斗一号系统项目很可能因经费问题搁浅，参与的研究人员都非常焦急，多次开会讨论如何保住北斗一号项目。“在当时的国情下，再向国家单独申请立项经费的可能性非常小，只能内部想办法。刚好，另外两颗卫星项目分别有一颗备份星的指标经费。经过反复协商，大家决定将另外两颗备份星资金拿出来分给北斗一号项目，这才解决了制约北斗一号项目继续开展的经费难题。”李祖洪说。
装入整流罩的北斗导航卫星
经过多年研制，2000年，随着两颗导航试验卫星发射成功，北斗一号系统建成并投入使用，使我国成为继美国GPS和俄罗斯格洛纳斯系统之后，全球第三个建成卫星导航系统并投入使用的国家。其采用有源定位体制，可为中国用户提供定位、授时和短报文通信服务。
2003年，第三颗北斗导航试验卫星发射成功，进一步增强了系统的性能。北斗导航卫星总设计师杨慧介绍说：“虽然北斗一号系统是一个比较初级的卫星导航系统，但通过这个系统我们探索了卫星导航系统的原理，满足了国防和民用的基本需求，为未来北斗系统的进一步发展奠定了一些基础。比如，2003年发射的第三颗卫星不仅仅是一颗在轨备份星，而且还是一颗技术试验星，因为这颗卫星搭载了一些新载荷，开始探索无源导航技术。”
在2008年的汶川地震抗震救灾中，北斗一号系统发挥了重要作用。据悉，地震发生后，管理中心为救援部队紧急配备了1000多台北斗终端机，实现了各点位之间、点位与北京之间的直线联络。在灾区通信没有完全修复、信息传送不畅的情况下，救援部队利用北斗终端机及时准确地将各种信息发回，为指挥抗震救灾提供了重要的信息支援。
北斗一号系统的优秀表现更坚定了我国发展更先进卫星导航系统的决心。
北斗卫星导航系统
抢出来和熬出来的北斗二号
采用有源定位原理的北斗一号系统组建成功之后，北斗团队开始将目光转向无源定位的卫星导航系统。与北斗一号系统立项之初遭遇经费困难的境遇相比，北斗二号系统在经费方面则相对比较顺利。
“那是2005年8月份，项目组去中南海汇报，一同去汇报的有探月工程二期等大家关注度很高的航天项目。因为当时北斗系统名气并不大，我们在众多待批复项目中是排最后的。让人意想不到的是，北斗竟然是第一个被批复的。”杨慧说出这些话时，语气仍然带着点惊讶。“这也说明越来越多的人意识到我们国家急需自己的卫星导航系统。”
经费没有成为北斗二号的拦路虎，但这条路走得并不平坦。首先是频率问题。国际电联将S频段给了导航卫星，“僧多粥少”的局面让美俄抢占了不少宝贵的频点资源。
国际电联规定：关于导航的频点，国家或组织都可以申请，第一个申请的有优选使用的权利，其他国家或组织也可以申请，遵循先到先得的规定。换言之，大家都可以申请，但谁先发射卫星并使用了这个频点，为了防止出现相互干扰的现象，其他国家或组织就无法使用这个频点。杨慧感叹说，他们必须与时间赛跑。
第16颗北斗导航卫星发射成功
经过大家的不懈努力，2007年4月14日，长三甲火箭将第一颗北斗导航卫星送入预定轨道。这颗卫星的发射成功，标志着我国自行研制的北斗卫星导航系统进入新的发展建设阶段。通过这颗试验卫星，团队发现了卫星设计的一些不足之处，这对后续转正样研制工作有极大的促进作用。
当时的研制工作面临很多难题：首先，这是一个多星组网系统，必须通过批量生产和密集发射保证其效应的发挥，但生产能力和长寿命问题是巨大考验;其次，导航系统要提供连续稳定的服务，任何一个小部件的质量问题都会对整个北斗导航星座产生影响，造成服务中断，因此必须保证零缺陷;再次，卫星系统采用许多新技术、新器件、新工艺，攻关难度巨大;最后，研制队伍非常年轻，缺乏完整的系统知识和工程经验。
在这些难题中，研制国产星载铷钟又是最大的困难。因为星载铷钟的研发进度会直接影响北斗系统的研发进度。
作为北斗导航卫星首席总设计师的谢军比谁都清楚：星载铷钟做不出来，工程任务确定的定位精度和研发进程就无法保证。
星载铷钟研制工作启动后，经过研制团队的全力攻关，自主研发的星载铷钟终于诞生了，填补了国内空白，指标甚至优于国外产品。在谢军看来，攻克这一难关，靠的就是持之以恒。
在北斗导航卫星的研制历程中还经历过一些挫折
在杨慧的记忆中，研发过程中最难熬的日子是有一次遇到了故障，由于故障数据只有几秒，通过这几秒找出故障的位置和原因，难度可想而知。
北斗团队成员白天向专家和同行汇报查找问题的进展，晚上通宵查找问题，连续干了一周，困了就在桌子上趴一会，终于在地面复现了问题。
杨慧接着回忆说：“当时压力很大，整个团队陷入了低谷，因为我们暗暗和伽利略系统赛跑，卫星出现问题的结果就是进程推迟。那段时间真可以用‘苦’来形容，这种苦不只是工作强度大、经常加班，主要是要顶住方方面面的压力，把国家交给的重要任务保质按时完成。那时只有时刻告诫自己决不能放弃，更不可能打退堂鼓、撂挑子，这是国家的任务，我们只能咬牙坚持。”
从2009年北斗系统踏上新的征程——启动北斗全球卫星导航系统建设以来，研制团队开始开展全球系统的相关技术攻关。
2010年1月17日，第一颗正式组网的北斗导航卫星发射成功。2012年10月25日，第16颗导航卫星发射，这颗卫星与先期发射的15颗北斗导航卫星组网运行，形成区域服务能力。短短几年内就发射了十几颗导航卫星，此举不仅创造了我国单一型号的密集交付、发射纪录，在国际上也不多见。
“北斗”已经在国民经济建设和百姓生活中发挥了重要作用
从2015年到2016年，先后有5颗新一代北斗导航卫星发射成功，并将在2018年面向“一带一路”沿线及周边国家提供基本服务。
按照“三步走”发展战略，到2020年，北斗卫星导航系统将拥有35颗卫星，提供覆盖全球的高精度、高可靠的定位、导航和授时服务。
从有源定位到无源定位，从蹒跚起步到步伐稳健，北斗群星愈加熠熠闪光。
(文/《中国航天报》，谢瑞强)
原题：北斗导航：星光闪耀 志向全球
编辑：陈柳林
审核：高冲
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