中国“北斗”路上

那些令人余味悠长，励志奋进的往事

在中国，“知耻而后勇”这个词儿，常被视作激励科技、经济、军事等诸多领域砥砺奋进、勇克难关的精神动力。这个“知耻”也是对“落后就要挨打”屈辱经历的认知。据说，中国的“北斗”就是“知耻而后勇”的典范之作，且其“耻”有二。一是银河号事件。1993年，中国“银河号”货轮航行至印度洋时，无端被指控运送化学武器原料。美方强行要求登船检查，并关闭了该船所在海域的GPS信号，导致货轮无法航行、迷失方向，滞留海上达3周之久。二是“台海GPS干扰事件”。1996年，解放军在台湾海峡进行的军事演习期间，因美军蓄意干扰了向该区域提供的GPS信号，导致中国发射的导弹出现偏离目标等异常情况。

1996年解放军在台湾海峡军事演习

其实，中国“北斗”的起步远早于这两起事件。1983年，由中科院陈芳允院士领衔的专家学者就提出了“双星定位”理论，其被视为中国北斗一代系统奠定了理论基础。80年代末到90年代初，中国开始进行“北斗”的系统的论证和初步技术试验，且全称被命名为北斗卫星导航系统（BeiDou Navigation Satellite System）简称BDS或北斗系统。由此可见，“银河号”事件和“台海GPS干扰事件”并非北斗项目启动的原因，但绝对是激励和加速该项目推进的强烈催化剂。

陈芳允-两弹一星元勋之一

陈芳允记事小本上留下的“双星定位”理论的痕迹（1996年）

时，世界上已有了美国的GPS和苏联的GLONASS卫星导航系统，中国在该领域的起步比美国晚了10～15年，比俄罗斯（前苏联）晚了10年。有意思的是，中国自己的卫星导航系统未使用均纯技术性的名称来命名，如美国使用的GPS为全球定位系统（Global Positioning System），前苏联使用的GLONASS为全球导航卫星系统（Globalnaya Navigatsionnaya Sputnikovaya Sistema）中文简称格洛纳斯，则选用了富有深意的“北斗”这一名称，它集文化传承、功能寓意与战略意图于一身。此名称寓意着对中华文明数千年来仰望星空传统的赓续，彰显了中国掌握时空基准、服务现代世界的宏伟抱负。当获悉中国北斗项目启动的消息后，美国人的第一反应是嗤之以鼻。在他们看来，中国人可以搞卫星，但搞不出导航卫星。即使是搞出来了，也只能在中国用。美国人的说法绝非空穴来风，信口开河，而着实挑明了当时中国人所面临的难题。

美国人之所以笃定中国人搞不出导航卫星，就是中国人没有导航卫星的心脏-星载原子钟。因为导航定位的基本原理就是通过时间差来计算距离，从而确定位置的，故时间测量的精度直接决定了导航定位的精度。时间准，距离才能准，定位才能准。若卫星信号时间精度差一秒，测算的距离将差30万公里。这个时间正是由星载原子钟来提供的。可用作星载原子钟的有氢原子钟、铯原子钟和铷原子钟。三者相比，铷原子钟体积小、重量轻、功耗低、可靠性高和寿命长，制造和使用成本也最低，因此为各国导航系统普遍采用。

欧洲的伽利略计划使用的氢原子钟（左上角）和铷原子钟（左下角）

然，“北斗”起步时，星载原子钟在国内v技术空白，且世界上仅有少数国家掌握这项技术。1997年，中国向美国求购铷原子钟遭拒后，中国便开启了星载原子钟的自主研制之路。所幸彼时的瑞士作为非欧盟成员国，可向中国出售原子钟，故在中国尚未研发出原子钟的那段期间，使用从瑞士购买的原子钟，完成了北斗一号导航卫星系统的发射（2000年10月31日01星、2000年12月21日02星、2003年5月25日03星）。2003年，中国曾投巨资2.3亿欧元，参与欧洲的伽利略导航计划，试图通过此渠道获取包括原子钟在内的核心技术。然，2005年，中国被排除出伽利略计划的核心研发领域，关键技术的引进也未能实现。尽管此前欧洲曾表示可以卖给中国原子钟，但在临近交货时，此项交易也被迫中止。

北斗一号导航卫星（01星）发射（2000年10月31日西昌卫星发射中心）

为了搞出自己的星载原子钟，国内精心组建了一支科研团队，成员皆为原子分子物理与无线电物理学科的顶尖专家。中国科学院武汉物理与数学研究所、中国空间技术研究院西安分院、航天科工集团203所等单位参与了研发。功夫不负有心人，2007年，可满足卫星导航系统1米定位精度应用需求的中国第一代星载铷原子钟问世。当年4月14日，中国发射了北斗二号系统的首颗卫星，其上装载了4台完全由我国自主研发的星载铷原子钟。这批原子钟的研制成功，标志着中国已打破了国外在原子钟领域内的垄断。至此，中国发射的所有导航卫星的原子钟都是“中国心”了。

2020年6月23日，北斗三号最后一颗导航卫星在西昌卫星发射中心成功发射。至此，中国完成北斗全球卫星导航系统星座的部署。

2003年5月25日，当中国完成了北斗一号导航卫星系统发射组网之际，美国人仍对此不屑一顾。因为他们清楚北斗一号导航卫星系统的信号只能覆盖中国及周边地区，且距覆盖全球仍差距甚远。即使中国未来发射的卫星可覆盖全球，也会因无法在建立遍布全球的卫星地面站而功亏一篑，这也是中国导航卫星系统无法医治的“硬伤”。因为导航卫星系统非常依赖地面站的服务，地面站的作用在于：一是要完成对卫星的控制。二是要不断地对卫星轨道进行精确测量，保证卫星运行在正确的轨道上。三是要实现地面与卫星的通信。美国依仗着其遍布海外的军事基地，其GPS系统在全球建有11个指挥和控制天线及16个监测点，这些地面站分布在全球多地，用于跟踪测量GPS卫星、上传导航电文和控制指令，以确保GPS系统的全球服务性能。

仅凭彼时中国在国内建立的地面站所覆盖的范围，北斗卫星的轨道只有约1/3的时间能够被测量到，其余2/3的时间均无法测量到，故美国人的结论是，北斗卫星充其量只能为中国本土提供卫星导航服务。若像当年银河号那样远离本土的船只或人群，还得依靠美国的GPS。美国专家说得倒也直白，在这个行业铁律面前，中国的北斗根本无法成为像GPS那样的全球卫星导航系统。然，令美国的这些专家始料未及的是，中国人愣是踩碎了这个行业铁律，另辟蹊径地走出了一条自己的路，那就是让卫星与卫星之间来解决这个问题。即让两颗北斗卫星相互测距，然后把卫星之间测距的信息，通过星间通信传到地面站，地面站再根据这些信息进行精密的定轨解算，从而实现卫星的精准定位。这个另辟蹊径的路子也同时衍生出了中国独有的星间通信链路技术，且不断发展成为了世界领先的卫星激光通信技术。

2020年6月23日，当北斗三号最后一颗导航卫星成功发射，中国完成北斗全球卫星导航系统星座的部署时，不但美国人预言的那个“硬伤”未见，而且北斗系统通过创新的“星间链路”技术和合理的全球地面站协同布局，成功解决了全球组网和精密定轨的挑战，确保了为全球用户提供稳定、高精度的服务。今日中国北斗卫星导航系统令美国人无法置信的还有：

中国“北斗卫星导航系统”布局

在国内，与北斗配套的覆盖全国、规模庞大的地基增强站网已建成，包括410座国家级基准站和2300余座省级基准站。通过地面基准站提供差分修正信息，可为国内用户提供实时厘米级、事后毫米级的高精度定位服务。在国外，北斗系统还在全球范围内建设了地面站，以进一步提升系统的全球服务精度和稳定性。目前，北斗系统在全球建立的地面站已超过120个。这些地面站用于跟踪北斗卫星、采集观测数据并进行校准，从而帮助提高北斗系统的全球定位精度可达厘米级。

北斗系统地面站

仰望星空，“北斗”已不再是远在天边的星辰，而已悄然织入我们生活的每一寸光阴。外卖骑手依托北斗的精准定位，将温热的早餐准时送达；穿梭于街巷的快递车辆，凭借北斗的智能调度，高效连接着千家万户；远洋的巨轮、驰骋的列车，在北斗的指引下，安全地驶向远方。它无声无息，却已成为我们日常生活中如水如电一般不可或缺的存在。北斗已孕育出千亿级规模的产业链，从精准农业的无人耕作到智慧港口的自动化调度，从地质灾害的毫米级监测到共享单车的精准停放，它赋能千行百业，催生新业态，为中国创造了巨大的经济与社会财富，成为推动时代前进的强劲引擎。

当人们享受着这份“北斗之光”的恩惠时，莫忘了那些老科学家、那些奋斗在航天一线的工作者，莫忘了在中国“北斗”路上那些令人余味悠长，励志奋进的往事......

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