對導航的需求要追溯到古代，當人類文明誕生起就對導航產生了需求。但那時的導航需求很簡單，外出狩獵需要辨別方向；採摘野果也需要識別方向不至於迷路。

當時人們找到了一種參照物，就是太陽。經過長期的觀察發現，太陽的方向始終懸在太空的南側，雖然隨著時間的推移會產生緩慢的移動，但用於辨別方向已經足夠，這就是早期的簡易導航。

白天用太陽識別方向，晚上怎麼辦呢？特別是古代打仗搞突襲需要夜晚行軍，有月亮的時候還能看得見，沒月亮的時候伸手不見五指，又是如何識別方向，保證行軍方向的準確性？

這個也難不倒祖宗的智慧，經過長年累月的觀察星空，人們發現夜空中有七顆星星的指向始終不變，就是後人俗稱的北斗七星，北斗七星的勺口所指方向的五倍星間距即為北極星。而且夜空中的北斗七星更容易辨認，七星相連呈勺狀結構，每顆星都很明亮。

夜空中的北斗星

歷史的車輪不斷向前，人類文明也在按部就班的發展。到戰國時期，在磁山附近工作的人們偶然發現磁石除了可以吸附鐵器，而且還具有指向性。經過多方面的實驗和研究，終於發明了實用的司南（即指南針）。

有了司南，無論是白天還是夜晚，無論颳風還是下雨，無論是星空萬里還是烏雲密佈。人們行夜路，軍隊夜行軍，都可以依靠司南準確判斷方向，給生產生活帶來便利。

司南

斗轉星移，時間流逝，時間從古代拉回到現代。

1949年10月1日，新中國成立，經歷百年風雨的中國又站了起來。

1950年，抗美援朝，跟美國在朝鮮打了一場陣地戰，久經戰場的中國輕步兵，在裝備條件極差的情況下把以美國為首的聯合國軍趕到了三八線以南。即使裝備比美國差了不是一點點，我們也沒有驚慌和恐懼。

1965年，中國應北越請求，向越南派出地面部隊，共同抗擊美國。在越南的熱帶雨林裡，美軍付出了慘重的傷亡代價。儘管美國裝備先進，派出大量的轟炸機進行地毯式的轟炸，但最終未能取得最後的勝利。1973年，美國政府和北越政府簽訂了停戰協議，美軍從南越撤出。

我們發現一個有趣的現象，南朝鮮、北朝鮮，南越南、北越南，只要有美國的地方，這個國家基本就是分裂的。要麼就是被美國顛覆政權親美了，完整獨立的主權就不要想了。

1991年，由於伊拉克對科威特的入侵導致海灣戰爭爆發。以美國為首的多國部隊，在還未完全成型的GPS加持下，對伊拉克發動了代號為沙漠盾牌行動、沙漠風暴行動和海上攔截行動3個主要軍事行動。

美國海軍陸戰隊在GPS的導航下，從荒無人煙的沙漠地區發起進攻，打了伊拉克一個措手不及。伊拉克無論如何也想不到，美軍會從被視為生命禁區的沙漠成功發動進攻，茫茫沙漠不要說打仗，就連正常行軍都非常困難。

然而美國依靠GPS導航系統，只用了43天就將伊拉克，這個號稱世界第三的軍事強國打的潰不成軍，要知道伊拉克可是在一天之內就搞定了科威特。

GPS的恐怖戰力大大超出了美國的預期，也重新整理了各國軍界的認知。

到戰爭結束，美軍只有146人陣亡、467人受傷，而伊拉克卻傷亡10萬人。

這一戰令人震撼的是，美國的導彈跟長了眼睛似的。以前需上百顆炸彈才能搞定的目標，只需2顆導彈就夠了！一顆炸開豁口，另一顆精準跟進。而這一切靠的就是GPS定位導航。

美軍的海灣一戰，震驚全球，包括中國，軍隊的資訊化、現代化已刻不容緩。

下面我們以時間為線，以世界現有的導航系統為珠，串起導航系統的發展歷程。

1.全球定位系統（GPS）

全球定位系統，簡稱GPS，因其廣泛的民用而被全世界的人所熟知。

GPS，由美國政府1970年代開始進行研製，並於1994年全面建成。

在此之前，美國海陸空三軍及民用部門都感到迫切需要一種新的衛星導航系統。為此，美國海軍研究實驗室提出了名為Tinmation的用12到18顆衛星組成10000公里高度的全球定位網計劃，並於67年、69年和74年各發射了一顆試驗衛星，在這些衛星上初步試驗了原子鐘計時系統，這是GPS系統精確定位的基礎。

而美國空軍則提出了621-B的以每星群4到5顆衛星組成3至4個星群的計劃，這些衛星中除1顆採用同步軌道外其餘的都使用週期為24h的傾斜軌道。該計劃以偽隨機碼（PRN）為基礎傳播衛星測距訊號，其強大的功能，當訊號密度低於環境噪聲的１％時也能將其檢測出來。偽隨機碼的成功運用是GPS系統得以取得成功的一個重要基礎。

美國GPS導航系統

1973年美國國防部將海軍，空軍需求合二為一，並由國防部牽頭的衛星導航定位聯合計劃局（JPO）領導，還將辦事機構設立在洛杉磯的空軍航天處。該機構包含了美國陸軍、海軍、海軍陸戰隊、交通部、國防制圖局、北約和澳大利亞。

該計劃的最初方案是將24個衛星放置在互成120度的六個軌道上。由於預算不足，改為將18個衛星分佈在互成60度的6個軌道上。1988年又進行了最後一次修改：在互成30度的6條軌道上有21個運作衛星和3個備份衛星。

GPS計劃的實施分為三個階段：

第一階段為方案論證和初步設計階段。

從1978年到1979年，由位於加利福尼亞的范登堡空軍基地採用雙子座火箭發射4顆試驗衛星，衛星執行軌道長半軸為26560km，傾角64度。軌道高度20000km。這一階段主要研製了地面接收機及建立地面跟蹤網。

第二階段為全面研製和試驗階段。

從1979年到1984年，又陸續發射了7顆稱為BLOCK I的試驗衛星，研製了各種用途的接收機。實驗表明，GPS定位精度遠遠超過設計標準，利用粗碼定位，其精度就可達14米。

第三階段為實用組網階段。

1989年2月4日第一顆GPS工作衛星發射成功，這一階段的衛星稱為BLOCK II 和 BLOCK IIA。此階段宣告GPS系統進入工程建設狀態。1993年底使用的GPS使用的（21+3顆）導航衛星全部就位，今後將根據計劃更換失效的衛星。

整個專案前後共耗時17年，共花費資金300億美元，在此時除了蘇聯之外，很少有國家能夠拿出如此鉅額的資金髮展自己的衛星導航系統。

此時的中國還很窮，軍事為經濟發展讓路，兩者只能選其一。

2.格洛納斯衛星導航系統（GLONASS）

1960年，蘇聯軍方確認需要一個衛星無線電導航系統，用於新一代彈道導彈的精確導引。1968-1969年，蘇聯國防部、科學院和海軍的一些研究所聯合起來要為海、陸、空、天武裝力量建立一個單一的解決方案。

1970年這個系統的需求檔案編制完成。進一步研究之後，在1976年，蘇聯決定建立格洛納斯導航系統。

格洛納斯系統將使用24顆衛星實現全球定位服務，可提供高精度的三維空間和速度資訊，也提供授時服務。按照設計，格洛納斯衛星由中軌道的24顆衛星組成，包括21顆工作星和3顆備份星，分佈於3個圓形軌道面上，軌道高度19100千米，傾角64。8°。

和GPS系統不同，格洛納斯系統使用分頻多重進接（FDMA）的方式，每顆格洛納斯衛星廣播兩種訊號，L1和L2訊號。然而，GLONASS衛星一直處於低效率執行狀態，只有8顆衛星是全功能工作的。

1982年至1985年間，發射了3顆模擬星和18顆測試衛星。由於蘇聯的衛星和電子設計水平和美國有很大差距，蘇聯這些測試衛星設計壽命只有一年，真實的平均在軌壽命也只有14個月。

這是蘇聯產品一貫的作風，能用就行，壽命低一點無所謂，質量不行拼數量。

格洛納斯系統1985年正式建設，1985年—1986年，6顆真正的格洛納斯衛星被髮射升空，這些衛星對比原型衛星改進了授時和頻率標準，增強了頻率的穩定性，不過它們的壽命仍然不佳，只有大約16個月的平均壽命。此後又發射了繼續改進的12顆衛星，不過一半的衛星由於發射事故損失了，這些新衛星設計壽命2年，實際平均壽命是22個月。

俄羅斯格洛納斯導航系統

1987年，格洛納斯系統共計發射了包括早期原型衛星在內的30顆衛星，在軌可用衛星9顆。1988年開始發射的衛星是進一步改進的版本。這些衛星採用三軸穩定技術和精密銫原子鐘，設計壽命進一步提高到3年，在1988年到2000年間此版本的格洛納斯衛星發射了54顆之多。

如此高的損耗、消耗率導致格洛納斯一直不能有效聯網，在軌的可正常使用的衛星數量過少，不能有效提供準確的定位導航訊號。

蘇聯解體後，俄羅斯繼承衣缽。1995年俄羅斯耗資30多億美元，完成了GLONASS導航衛星星座的組網工作。它也由24顆衛星組成，原理和方案都與GPS類似，不過，其24顆衛星分佈在3個軌道平面上，這3個軌道平面兩兩相隔120°，同平面內的衛星之間相隔45°。每顆衛星都在19100千米高、64。8°傾角的軌道上執行，軌道週期為11小時15分鐘。由於俄羅斯國土的巨大跨度，因此地面控制部分全部都在俄羅斯領土境內。

格洛納斯民碼的開放使用，打破了美國GPS衛星導航在民用領域一家獨大的局面。但格洛納斯衛星平均在軌道上的壽命較短，且由於經濟困難無力補網，在軌可用衛星少，不能獨立組網，導致民用領域的普及遠不及GPS。

在衛星通訊頻段上，國際社會認可的是先到先得原則，誰先發射誰就搶佔了先機。美國拔得頭籌佔領了最好的頻段，蘇聯緊隨其後佔用了第二好的頻段。

頻道是稀有資源。佔得先機的美國和俄羅斯分別擁有最好的使用頻段，中國所看中的頻段被認為是美國和俄羅斯之後的“次優”頻段。

3. 伽利略衛星導航系統（Galileo）

為什麼把伽利略放在第3位？ 因為中國在北斗研發遇到技術瓶頸時曾加入到伽利略衛星導航系統。

1999年2月由歐洲委員會公佈，由歐洲委員會和歐空局共同負責歐洲的伽利略衛星導航系統。

歐盟推出伽利略衛星導航系統計劃，是為了擺脫歐洲對美國全球定位系統的依賴，打破其壟斷。該專案總投入達34億歐元。

歐洲伽利略導航系統

1999年歐洲委員會的報告對伽利略系統提出了兩種方案：

一是21+6方案，採用21顆中高軌道衛星加6顆地球同步軌道衛星。這種方案唯一缺點是要與美國的GPS系統和本地的差分增強系統相結合。

二是36+9方案，採用36顆中高軌道衛星和9顆地球同步軌道衛星或只採用36顆中高軌道衛星。這一方案可在不依賴GPS系統的條件下滿足歐洲的全部需求。

由於經費原因，最終上述兩個方案都被棄用。其最終方案是：系統由軌道高度為23616km的30顆衛星組成，其中27顆工作星，3顆備份星。

但該計劃加盟國眾多，不同加盟國有不同的訴求，使得計劃的推進產生較大阻力，計劃幾經推遲。

2011年10月21日，俄羅斯“聯盟”運載火箭攜帶歐洲伽利略全球衛星導航系統首批兩顆衛星，從法屬蓋亞那庫魯航天發射中心發射升空。比中國北斗二號整整晚了5年，5年時間足以改變很多，5年時間從領先變為追趕。

2012年10月，第三顆和第四顆“伽利略”在軌驗證衛星搭乘“聯盟”火箭發射升空。

截止2016年12月，伽利略導航系統在軌衛達到18顆星。

預計到2020年，伽利略衛星導航系統在軌衛星將達到30顆，屆時將向全球提供定位精度在1～2米的免費服務和1米以內的付費服務。

歐洲伽利略導航系統

與美國的GPS系統相比，伽利略系統更先進，也更可靠。美國GPS向別國提供的衛星訊號，只能發現地面大約10米長的物體，而伽利略的衛星則能發現1米長的目標。

然而天有不測風雲，2019年7月14日，受與地面基礎設施相關的技術問題影響，伽利略系統的初始導航和計時服務暫時中斷。 2019年8月18日，“伽利略”衛星定位系統修復完畢，定位和導航服務恢復正常。

4.北斗衛星導航系統（BDS）

前期探索：

北斗”衛星導航試驗系統（也稱“雙星定位導航系統”）為我國“九五”列項，其工程代號取名為“北斗一號”，其方案於1983年提出。

我國結合國情，科學、合理地提出並制訂自主研製實施“北斗”衛星導航系統建設的“三步走”規劃：

第一步是試驗階段，即用少量衛星利用地球同步靜止軌道來完成試驗任務，為“北斗”衛星導航系統建設積累技術經驗、培養人才，研製一些地面應用基礎設施裝置等；第二步是到2012年，計劃發射10多顆衛星，建成覆蓋亞太區域的“北斗”衛星導航定位系統（即“北斗二號”區域系統）；第三步是到2020年，建成由5顆地球靜止軌道和30顆地球非靜止軌道衛星組網而成的全球衛星導航系統。

訊號的“快捕精跟”問題：

1995年，北斗導航工程立項啟動不久，就遇到了一個迫切需要解決的問題——訊號“快捕精跟”。就是在最短的時間裡能捕捉到衛星訊號，以此實現定位導航，這可以說是整個導航系統的基礎。能否實現對訊號的“快捕精跟”將成為決定北斗一號整體效能甚至左右整個工程進展的關鍵。

我們年輕的工程師從北京抱回一臺比較先進的計算機，拿了4萬元的嘗試經費，開始了艱難的攻關歷程。沒有實驗室，隨便找個倉庫湊合。沒有儀器裝置，就找人借，在極為艱難的條件下，他們的模擬試驗取得了理想效果。

整整三年，在日復一日的加班研發中度過，三年時間恨不得當作六年來用。

1998年5月，終於迎來苦盡甘來的日子，測試得到的第一批“快捕精跟”資料，取得了非常好的效果。

解決了核心技術問題，2000年，兩顆北斗導航試驗衛星被送上太空。

2003年，由於歐盟的伽利略計劃缺乏資金，且中國的北斗計劃遭遇了沒有原子鐘的困難，於是中國加入了伽利略計劃。

然而由於美國的打壓，在中國付出2。3億歐元的加盟費後，歐盟將中國排除在核心團隊之外，資料不讓瀏覽、技術細節保密、決議不讓表態。更令人氣憤的是一分錢沒花的日本和印度擁有的話語權竟然比中國還大。

不能進入研發核心等於2。3億歐元變相的打了水漂，隨後中國退出了伽利略衛星導航系統。

歐洲人對中國不屑一顧，他們認為僅憑中國的實力不可能造出自己的衛星導航系統。但中國人不信這個邪，越是遇到困難，越要迎難而上。

克服原子鐘難題：

北斗二號系統的開發比北斗一號更難。2005年，當時正在建設的北斗二號系統遇到了“原子鐘”問題。原子鐘是導航衛星的心臟，差之毫釐謬以千里。沒有原子鐘不行，精度差了更不行。

此前，瑞士一家公司承諾出口原子鐘，但被要求必須比伽利略所用的，低一個數量級精度。 北斗轉為獨立研發後，瑞士公司忽然終止合作，求人不得，只能靠自己。

為加快原子鐘的研製進度，北斗系統成立了三支隊伍同時開展研發，為了分散風險加快進度。

多少個日日夜夜，年輕的團隊，透過大量的分析和計算，無數的試驗分析和驗證，終於在2007年4月，讓這一顆“中國心”原子鐘，伴隨我國首顆北斗二號試驗衛星成功發射上天。

氫原子鐘

僅僅兩年時間，中國的年輕科學家就攻克了這項世界難題，而同時歐洲的伽利略導航系統，卻因原子鐘故障，不得不補發衛星。

現在，用在北斗三號上的原子鐘，其精度已提升到每300萬年1秒的誤差，部分指標已超越GPS和伽利略系統。

按照國際電信聯盟通用的程式，中國已經向該組織通報了準備使用的衛星發射頻段，這一頻段正好是歐洲“伽利略”系統準備用於“公共管理服務”的頻段。

按照“誰先使用誰先得”的國際法原則，中國成功發射三顆“北斗”二代衛星，正式啟用該頻段，而歐盟連預定的三顆實驗衛星都沒有射齊，失去了對該頻段的爭奪資格。

克服地面基站問題，建立星鏈技術：

歐美等西方國家並不希望中國有自己的定位導航系統，中國的地面站，在境外很難建立。沒有境外地面站，很難對中國區域以外的衛星進行定位，這是一個很大的問題。

就在眾人焦頭爛額的時候，北斗年輕的團隊提出了一個大膽的想法：星間鏈路。

星間鏈路就是讓衛星與衛星之間建立起穩定的連結，將遍佈全球的衛星編織成一張網，只要有一顆衛星在中國的領空，所有衛星便能透過它聯絡到國內地面站。

然而，要在茫茫太空實現兩顆衛星建立連結，並實現通訊、測距，且精度達到釐米級，這個難度可想而知。

星間鏈路示意圖

整個科研團隊，歷時五年攻關，同時做了一顆模擬衛星進行技術驗證，北斗衛星全球組網的關鍵技術取得關鍵突破。

最終，星間鏈路技術讓北斗三號“太空兄弟手拉手”，不僅解決了沒有地面站的問題，還將定位精度提升到了7萬公里測距精度達到釐米級。相當於能看清幾十公里外的一根頭髮絲。測量精度遠遠高於GPS。

5.後記

2020年6月23日，北斗導航系統最後一顆組網衛星準確飛入預定軌道。至此北斗已完成全球組網，55顆組網衛星在預定軌道穩定執行，其精度遠超格洛納斯和伽利略，與GPS不相上下。

北斗導航系統

俄羅斯的格洛納斯現有在軌工作衛星9顆，因為資金問題，無力發射衛星進行補充，已失去和北斗、GPS競爭的能力。在目前的情況下只能作為區域性的衛星導航系統。

歐洲的伽利略系統穩定性堪憂，2019年7月14日，發生了長達36天的導航中斷問題，後來在中國的幫助下修復問題。但伽利略的穩定性已經打了一個大大的折扣，後續能否穩定執行引人堪憂。

至此，能提供全球導航的衛星系統只剩下GPS和北斗，北斗建設時間雖然遠遠晚於GPS，但勝在有後發優勢和新技術的加持，在導航的精度上達到0。5米級，高於GPS的1米級。

多少北斗人日夜奮戰，嘔心瀝血，在歐美封鎖的情況下，克服了一個又一個的困難，將中國人自己的北斗導航建設了起來。

當我們每天開啟手機打車、導航或者點外賣的時候，殊不知這正是在我們北斗的支援下實現的。當輪船在遠洋航行，當飛機在天空飛馳，當列車在大地馳騁，背後都是北斗導航在默默提供著定位的支援。

我慶幸生在這樣一個國家，這樣一個勤勞向上的國家；慶幸生在這樣一個民族，一個傳承了千年中華文明的民族；也慶幸我們身上都有一個共同的標記，我們都是龍的傳人。