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一、美国GPS开创了卫星导航先河

二、建国后中国的屈辱

三、奋起的北斗导航系统

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前言

自古以来，给自己定位都是很专业的事情！

中国最早在记录中有一种叫做“指南车”的机械，利用齿轮的差动原理，来让车上指标始终指向一个方向，能够为军队指明方向。而这种闻名于世的装置，一直以来只存在于书籍之中，和诸葛亮的“木牛流马”一样始终没复制成功。

北京汽车博物馆中的指南车

待到指南针或罗盘发明之后，大航海时代才成为可能。那时欧洲的商船（多数时候干的是抢掠）上都要高价聘请一位数学家，让他们观测光线的角度计算出航船的位置。当时这种计算工作是非常专业和计算量非常大的，所以船东得请数学家来做这事。后来，对数发明之后，才逐渐把这个高端岗位腾给只会加减的小学毕业生了。（关于如何定位的问题，请参考本人之前的文章《昨晚珠三角被这些东西正面“空袭”，却是因为它们数学没学好！》）

一、美国GPS开创了卫星导航先河

1957年，苏联发射了全世界第一颗人造地球卫星。美国对此密切关注，并对卫星进行跟踪研究，数学家威廉盖伊和物理学家乔治威芬巴赫在霍普金斯大学的应用物理实验里发现了一个现象：苏联的这颗卫星的频率会出现一定程度的偏移。经过研究分析，他们最终发现这是因为卫星和地球之间相对运行引起的多普勒频移效应。随后他们发现如果在地面上架设多部接收机，就可以根据接收到的不同频差信号来推算出这个卫星的具体位置。他们把这个研究成果告诉了实验室主任弗兰克麦·克卢尔，报告了他们已经实现了对于苏联卫星的多普勒定位跟踪。

弗兰克当时正在做海军的一项研究，其研究内容就是如何在茫茫大海中定位军舰的具体位置。听到这个消息时，他眼前一亮：既然你们能够发现卫星在哪里，那么反过来，不就是卫星可以发现你们在哪里？

随后美国军方就开始了卫星定位的研究，后面发展出了三种定位的原理：伪距单点定位、载波相位定位和实时差分定位。这三种方式实际都是让卫星发射信号，地面上的接收机处理信号之后计算出自己的位置的，因此，美国的卫星导航系统是被动式的导航系统。

GPS的工作原理

美国在1978年到1985年间先后发射了11颗试验卫星来进行实验，其中7颗没有进入预定轨道而失败。

经过几年的验证，1989年~1990年间，美国又发射了9颗重约1.5吨的工作卫星BlockⅡ。这些卫星每颗当时的价格高达4800万美元，可存储14天的导航电文，并具有实施SA和AS的能力。其后发射的BlockⅡA卫星（A是Advanced，意为改进型）重达17吨之巨，卫星设计寿命为7.5年，卫星具备互相通信的能力。

到1993年，美国的定位卫星已经多达24颗，并且覆盖了全球。虽然它的精度还有待提高，并且这一阶段还只是应用于位置的定位，还不能定位高程，但是第一次海湾战争中，美国的卫星制导导弹就已经显示出了GPS的威力。

这时全球也只有美国一家有全球定位的能力与服务，因而GPS这一通用的“全球定位系统”的冠名权被美国顺理成章的占有。一直到北斗开始大规模推广时，我们在手机上还能看到用GPS来表示定位服务，而让很多人错认为手机只能使用美国的“GPS”，北斗只是在虚假宣传。

1993年后，美国GPS服务开始民用化，这一阶段GPS的精度和可靠性得到了极大提升，民用市场开始涌现大量的应用，如汽车导航、探险、户外运动等，当然还有国际海运上航船的定位。

二、建国后中国的屈辱

1993年7月23日，美国忽然称中国的“银河号”货船上载有制造化学武器的前体化学品，并要求我国政府立即禁止“银河号”驶往伊朗阿巴斯港，如果中国不照办，美国将依照本国法律对中国进行制裁。

8月初，美国派遣海军舰艇，还有飞机对“银河号”近距离跟踪、低空侦查。8月3日，美国又提出要中国召回“银河号”，并同意让美国登船检查的要求。

当时货轮行驶到印度洋上，银河号突然停止了。原因是导航没有信号，船员辨不了方向，无法继续前行。随行船员还以为是信号设备出了故障，结果怎么维修都无济于事。后来才得知，原来是美国怀疑中国向伊朗输送武器，故意停掉了该船所在海域的导航信号。

负责处理这件事是时任中国外交部国际司副司长的沙祖康，2007年，他接受央视的采访时回顾这个事件，对那时中国的无奈之举不住叹息。

中国为了自证清白，被迫同意让美国与第三方一起检查船上的24只集装箱。

“银河号事件”被列入新中国“三大屈辱事件”之一。（另两件就是台海危机和南斯拉夫大使馆事件）

1996年台海危机的时候，据说当年美国4艘航母敢大摇大摆的横在台湾海峡，那也是因为美国早已做了手脚，使得我们的东风根本威胁不到它们。

三、奋起的北斗导航系统

早在上世纪70年代，从事“两弹一星”的科学家们就已经认识到卫星导航定位系统的重要性，他们曾在卫星导航领域进行探索，并在理论探索和研制实践方面开展了卓有成效的工作。立项于20世纪60年代末的“灯塔计划”可以说是北斗工程的前身，尽管这个计划最终因技术方向转型、财力有限等原因而终止，却为后来上马的北斗工程积累了宝贵的经验。

海湾战争之后，1994年，在国家经济实力、技术基础仍然非常薄弱的情况下，党中央、国务院和中央军委毅然决策启动北斗一号工程，进行试验探索。

当时，苏联刚解体时我国还处于西方严密封锁的期间，国内没有导航系统的经验和技术积累，在经济与技术缺乏的情况下，我国在“863”计划倡导者、中科院院士陈允芳在中国科学院和解放军原总参谋部测绘局联合召开的会议上提出了在“双星定位”的构想下发展自主的导航系统 。这个大胆的构想是：用两颗地球静止轨道卫星，就可以覆盖中国区域，并对地面目标和海上移动物体进行定位导航，还能兼具通信功能。

但是一旦想认真搞导航，中国马上看到了困境和差距：

彼时，美国已在GPS工程上投入了超过200亿美元，且每年维护费用高达5亿美元；美国GPS、俄罗斯格洛纳斯各发射了20多颗卫星，已完成了全球组网。但当时中国的经济基础仍十分薄弱，包括航天在内7大领域技术的“863”计划的研发预算也才只有100亿人民币。

当时北斗工程的办公室十分紧张，北斗系统副总设计师谭述森与4个人共处一个办公室，而这间办公室不足20平米，只能勉强容下几个人的办公桌。

就这样立项6年之后，2000年，北斗一号的首批两颗地球静止轨道卫星成功发射，北斗一号实验系统正式建成并开始投入使用。中国仅仅凭借这两颗卫星，就成为继美国、俄罗斯之后世界上第三个拥有自主卫星导航系统的国家。

2003年，第三颗地球静止轨道卫星发射，北斗实验系统的性能进一步增强，但与GPS还是差距明显。北斗一号的定位精度为20米，授时精度为单向100纳秒，短报文通信能力为120个汉字/次。相比之下，此时GPS不仅已覆盖全球，且民用定位精度和授时精度分别达到10米和10纳秒级别，军用定位甚至已经精确到1米。

仅有三颗卫星的北斗一号星座

早在1994年，北斗一号启动的同时，中国就开始在ITU的框架下启动北斗导航卫星系统的频率申请工作。由于国际电信联盟（ITU）分配给卫星导航系统的频率资源是有限的，这是世界上想要发展自己的卫星导航系统的国家必争的宝贵资源。而取得合法的轨位，需要先向ITU申报，并与相关系统进行协调。

虽说叫申请，实际上就是谁先抢到谁用。导航卫星的“黄金导航频段”L频段已经被先发的GPS、格洛纳斯系统占领，中国只能申请次优频率。2000年4月17日中国向ITU申请频率资，不到两个月后的6月5日，欧盟也向ITU提出了频率申请。

根据ITU的规则，频率资源要“先用先得”和“逾期作废”，有效期以申请日期开始计算，只有7年。中国必须在2007年4月18日零点之前成功发射导航卫星并成功播发信号。

在频率申请下来后，中国北斗卫星导航系统管理办公室立即开始组织立项和安排计划。结果排下来一看，最早也要到2007年底才能发射首颗卫星，这比2007年4月18日零点的失效日期多了整半年。要保住频率，只能把发射日程提前半年，这在中国航天史上也是从来没有过的事。

而此时的伽利略系统，无论在技术上还是工程进展上都领先于北斗，北斗胜出机会渺茫。就在中国为此焦头烂额之时，转机出现了。

当时欧盟还是一群大老爷们，不像现在都是一群被人干的女人掌权时，欧盟还有点有为青年的样子。但是欧盟那时也缺研发基金，而中国也遇到技术瓶颈，双方于是决定联手开发。中欧两方在ITU框架下拓展了1164MHz~1215MHz、1260MHz~1300MHz的导航卫星频段。

中欧伽利略计划合作签约仪式

2004年中欧正式签署技术合作协议，中方承诺投入2.3亿欧元的巨额资金，第一笔7000万欧元的款项很快就到位了。

然而蜜月苦短，2005年，欧洲各国的亲美政治人物纷纷上台，欧洲政治开始转向，再次回到美国阵营中。中欧伽利略计划合作项目中，中国被排除在项目外，决议不让表态，资料不让浏览，技术不被告知。

由于欧盟诚意严重不足，当年共同申请的频率眼看将被抢走。

2005年12月28日，伽利略计划的首颗实验卫星“GIOVE-A”被顺利送入太空轨道。但让人意外的是，这颗伽利略实验卫星并未开通频率，只占了轨道没占频率。为何卫星都上天了却没开通频率呢？原因是没钱。开通频率需要花钱，那时他们正是没钱才找中国合作的。而且，因为缺钱，原定2006年发射的伽利略系统第二颗卫星GIOVE-B也推迟了。

好在当时中国与欧盟合作时就已经留了一手。

2004年，北斗导航系统的第二步——北斗二号启动。2007年4月14日，第一颗北斗导航应用卫星发射成功，上去之后，立马就开通了频率，一下子就把轨道和频率都给占了。随后中国北斗一个接一个不停的发卫星，甚至还一箭双星。到2012年10月25日，北斗二号系统完成5颗地球静止轨道卫星、5颗倾斜地球同步轨道卫星和4颗中圆地球轨道卫星组网。

几年就发射了14颗卫星上天。

这个期间，欧盟还想通过卡中国原子钟的脖子来阻止中国的北斗上天。北斗组建了中科院、航天科技、航天科工三支队伍，同时攻关，并在基础理论、材料、工程等领域同步进行推进。最终两年之后，赶在2007年发射卫星前，国产星载原子钟被成功研制出来。

完成组网的北斗导航卫星星座

四，写在最后

到现在，还有人在争论到底是北斗技术先进，还是GPS更优秀。

实际上这已经毫无意义。

北斗的意义就好比你手上的砖头，有没有就决定了你会不会被路上飞奔的车溅一身水。

有了自己的北斗，就再也不怕“东风”会飞偏了。

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下一篇，将介绍让印美都蒙羞的中国重型机械，敬请关注！

本文主要参考了：

中国工程院院刊《美国GPS的前生今世》

wiki《北斗卫星导航系统》

“北斗卫星导航系统”官网

以下为本人的《薅明珠系列》，供大家参考：