北斗导航定位系统使用的卫星
从古至今，人类对大自然导航定位有着天然的需求，无论是日常生活还是行军战争，均离不开导航定位。西汉著名将领李广就是因为在战场上两次迷失方向，最终导致与主力部队失散，作战不利，终生与封侯无缘。落得个"冯唐易老，李广难封"的千年遗憾。由此可见导航定位的重要性。但是由于地球曲率的影响，人类看的始终不够远，所以人类一直希望拥有一双站得高，看得远的"千里眼"。但是受限于古代科学技术，人们始终无法拥有真正的"千里眼"。
人类第一颗卫星的发射为卫星导航提供了基础
直到1957年，苏联发射了人类第一颗人造卫星，人类才觉得拥有"千里眼"的机会来了。当时美国霍普金斯大学的两位教授在接收苏联卫星信号时，意外发现了卫星与接收设备之间可以形成多普勒频移效应，而这种奇妙的效应是可以用来导航定位的。在他们的建议下，美国在1964年组建了全球第一个卫星导航系统，也就是GPS导航系统的雏形，子午仪导航系统。这套系统由6颗卫星组成，主要提供给美国海军使用。
美国子午仪卫星导航系统
在美国海军的使用过程中，逐渐发现了卫星导航定位具有无可比拟的优越性，同时也发现子午仪导航定位系统存在巨大的技术缺陷和不足，为此美国军队急需一款更加完善，更加先进的卫星导航定位系统。为此，美国海军实验室提出了全球定位网的宏大计划。按照当时的设想，该计划由12-18颗人造卫星构成，轨道高度在1万千米。与此同时，美国空军也出台了一套方案。最终美国国防部为了节省科研费用，提高科研效率，将海军与空军的两种方案合二为一，1973年美国的GPS计划正式出炉。
最初的GPS导航系统由24颗人造卫星组成，所有的卫星被划分在三个轨道上，每个轨道上部署8颗。这样做的目的是确保地球上的每一个目标都能观测到6-9颗人造卫星，从而提高整套导航系统的稳定性与精确度。美国的GPS导航系统建设工作分为三个阶段。1978年，美国国防部在加利福尼亚州的范登堡空军基地将GPS导航系统的首批4颗试验卫星发射升空，随后科研人员对地面信号接收站等一系列设施进行了测试，取得了预期的效果。从1979年到1984年，美国国防部又陆续发射了7颗试验人造卫星，并对导航系统的精确度进行了测试，结果发现其精确度超过了当初的预期，科研人员非常满意。随后在1989年到1993之间，美国又发射了剩余的13颗人造卫星，GPS导航系统最初设定的24颗卫星全部升空，标志着GPS导航系统的初步建成。
美国GPS导航定位系统
由于当初GPS导航系统是由美国国防部主导研发的，其初衷也是为美国军队提供导航定位服务。不过随着冷战结束，苏联对美国的威胁消失之后，美国军方开始将许多军工技术解密，提供给民用，GPS导航定位服务便是其中之一。2000年美国宣布GPS军用和民用分开发展，取消GPS定位精度的限制，同时提高了民用导航定位的精确度，使得GPS导航系统的信号强度和精确度得到了极大的改善。凭借全天候、高精度和自动测量的技术优点，GPS民用导航服务迅速杀入了各个应用市场。由于GPS导航系统起步早，技术领先，功能相对齐全，几乎垄断了全球民用导航定位市场，每年可以为美国带去上千亿美元的收入。
鉴于巨大的国防需求和广阔的民用市场前景，同时也为了避免导航定位技术受制于人，中国也决定自主研发构建属于自己的全球导航定位系统。1994年,中国启动了北斗导航定位系统的建设。2000年10月31，中国第一颗用于导航定位的卫星北斗-1A在西昌航天中心发射成功，同年12月21日，第二颗导航定位卫星北斗-1B发射升空。这2颗地球静止轨道卫星组成了最初的北斗一号导航定位系统。卫星采用的是有源定位体制,可以为中国用户提供定位、授时、广域差分和短报文通信服务。
中国北斗一号导航系统
在第一阶段建设工作完成后，科研人员对北斗一号导航系统进行了诸多技术测试，证明其是一个可靠的导航系统。2003年，北斗二号导航定位系统建设工作开始，卫星发射的频率也随之加快。2007年4月11日，北斗二号导航系统的第一颗卫星北斗导航卫星（M1）在西昌航天中心发射成功。北斗二号导航系统的建设一共持续了11年，从2007年4月11日开始，到2018年7月10日结束，北斗二号导航系统一共发射了21颗卫星。在北斗二号导航系统所有卫星发射完成后，其覆盖范围和导航定位精度比北斗一号有了大幅度提升。定位精度从20米提升至10米，时间精度达到10纳秒，覆盖范围扩大至亚太地区的大部分区域，初步拥有了全球导航定位系统的雏形。
北斗二号卫星轨道示意图
在北斗二号取得成功后，中国航天人马不停蹄地开始了北斗三号导航系统的建设。当初的规划是在2009年开始，同期发射19颗组网卫星，到2018年基本完成，达到向全球用户提供导航定位服务的目标。2020年6月23日，是一个伟大的时刻。中国在西昌航天中心用长征三号乙运载火箭，发射了北斗三号导航系统中的最后一颗全球组网卫星，至此北斗三号全球卫星导航系统全球组网正式完成。中国航天人的全球导航系统梦想也正式完成。一路走来，充满了坎坷和困难，但是在成功的那一刻，所有的付出都是值得的。
2020年6月23日，北斗三号最后一颗全球组网卫星发射升空
在最后一刻组网卫星发射成功后，标志着北斗全球导航定位系统的正式建成，中国也拥有了和美国GPS齐名的导航系统。相比美国的GPS全球导航系统，中国的北斗具有明显的后发技术优势，美国GPS导航卫星使用的双频信号，而中国的北斗系统使用的是三频信号。相比双频信号，三频信号的导航卫星可靠性更高，抗干扰能力能力更强，可以更加适应太空复杂的光电磁环境。而且三频导航信号更稳定更好，精度也更高。此外北斗导航系统还有非常有特色的短文播报功能，这项功能对于远洋捕捞的渔民、海上勘探人员、户外工作者等群体，是非常有价值的。
北斗全球导航定位系统运行图
我国北斗导航系统的正式建成，堪称中国实施改革开放40余年来，和建国70多年来，取得的最伟大的科技成果之一。未来北斗导航系统将在交通运输、网络通信、水文监测、气象预报、救急救灾、国防科技等领域发挥重要作用。同时基于北斗导航系统的电子便携设备将走进千家万户，为消费者带去众多生活便利。此外北斗导航系统的建成，将打破美国在全球导航定位领域一家独大的垄断局面，从此全球用户可供选择的产品与服务将会更丰富。同时在导航定位万亿美元的市场上，将会出现一个全新的竞争者和领导者。难怪就连美国前中情局副局长、代理局长约翰·麦克劳克林访华也承认，中国诸多新科技成果中，最头疼的其实是中国的北斗。你了解中国的黑科技吗？大家有什么看法，欢迎给我留言！
