作者：JK
之前一期系列文章为大家带来了车辆网以及自动驾驶的硬核知识，那么我们今天接着继续讲自动驾驶中依赖的导航系统，我们熟知的北斗导航系统。北斗今天的发展离不开科研人员夜以继日的钻研和奋斗，但北斗背后的故事以及其发展历程可谓跌宕起伏、历史上可能再晚4个小时，我们就与今天的北斗无缘了，只能依赖GPS了。究竟背后隐藏着什么鲜为人知的故事呢？
北斗一号的诞生
早在20世纪70年代起，我国科学家未雨绸缪，根据我国国情，启动了卫星导航定位系统的论证研究工作。1983年，陈芳允院士提出了利用两颗地球同步轨道卫星进行定位导航的设想，后来被归纳为“双星定位”理论，为日后我国北斗系统工程建设奠定了基础。
据了解，为了验证“双星通信导航一体化”的设计，相关研究人员联合了13家测控系统和通信系统单位，在全国几个卫星测控站之间往返试验，而且需要经常在半夜进行方案测试，像极了IT运维人员大半夜的维护操作。1989年的一天夜里，正在做试验的研究小组第一次凭借双星快速定位通信系统实现了精度30米的定位。虽然理论验证了，但因为种种原因定位导航的事情一直进展缓慢。
1991年对于中国卫星导航建设来说是一个重大转折点。在海湾战争中，美国在作战中应用GPS非常成功。这也将国人敲醒，之前因为经费问题被搁置的双星定位方案于是又启动了。
海湾战争GPS精准制导
1994年，党中央、国务院和中央军委启动北斗一号工程，进行试验探索。将我国自主建造的卫星导航系统命名为“北斗”，饱含着中国航天人的企盼：中国重器必须自己打造。
2000年，我们相继发射了2颗北斗导航实验卫星（地球静止轨道卫星），初步建成了北斗卫星导航实验系统，成为世界上继美国的GPS，俄罗斯的GLONASS第三个拥有自主卫星导航系统的国家。
北斗一号采用有源定位体制，为中国用户提供定位、授时、广域差分和短报文通信服务（目前卫星导航系统中独有的功能）；2003 年，发射第 3 颗地球静止轨道卫星，进一步增强了系统性能。
北斗卫星导航试验系统由空间星座、地面控制和用户终端三大部分组成。空间星座包括了3颗地球静止轨道（GEO）卫星，分别位于东经80度、110．5度和140度赤道上空。
北斗一号三颗GEO卫星
北斗二号－－离失败还有4小时
我们都知道资源都是有限的，卫星空间轨道位置和无线电的频率一样是有限资源。那时候，太空中就已经有了美国的GPS和俄罗斯的GLONASS，都各拥有20多颗卫星，已经完成了全球组网。最适合卫星导航的黄金频段美俄也已全部占用。
经过周密准备、主动出击、积极斡旋、艰苦谈判，我国科研团队创造性提出卫星导航信号兼容性评估准则，证明了北斗与其他卫星导航系统频率重叠时互不影响，赢得频率共用的“世界共识”，为国家争取了宝贵的频率资源。终于中国的北斗全球卫星导航系统在2000年进入了国际电联的频率总表，正式取得合法地位，只等卫星发射，成功启用。
根据国际规则，如果不在国际电联内合法登记，或在登记后的七年里没有使用该频率，你的卫星就无法合法地使用该频率资源。
但要构建全球卫星导航系统，就需要北斗二号的立项，但这个立项却在2004年才完成，距离7年的有效期还剩3年多时间，这么短的时间，中国的北斗人能够完成如此艰巨的任务呢？
虽然任务重、时间紧、责任大，但北斗人还是客服重重困难，终于2007年4月初北斗二号卫星随着运载火箭来到了发射中心，但发射前的第三次检查却意外发现了问题，卫星应答机出现了异常，信号不稳定据北斗卫星导航系统工程总设计师杨长风先生回忆说。
“这个应答机相当于我们的手机，是天上和地下进行联系的传输工具。”杨长风解释道，“当时可谓进退两难，把问题彻底地解决，时间可能来不及；但如果不解决，卫星上去后，可能拿不到信号。最终决定还是要彻底解决问题，把应答机从卫星上拿下来处理。但拿下来又面临着两大难点，一是要在50米高的发射塔架上面给卫星΄开肠破肚΄，万一有一点闪失，就会造成整个任务的失败；第二个难点是取出应答机后我们要归零，要把出现的问题找出来。整个过程要进行大量的试验，但研制应答机的单位在上海，我们在西昌。当时归零只给了三天时间，三天往返上海和西昌是不可能的。专家们研究后决定，找附近具有这种试验能力的单位。通过协调，我们在成都找了一个研究所。”
“当时我们负责归零工作的同志，抱着应答机沿盘山公路颠簸了五个多小时赶到成都。整整三天，通过各种各样的试验，最终把问题解决了。回来的路上，我们的同志像抱初生的婴儿一样一路把应答机抱在手上，回到发射中心。”
2007年4月14日，我国第一颗北斗二号卫星成功地发射了。经过三天的在轨测试，在2007年4月17日晚上8点，在最后只有四个小时的期限下，我们的接收机收到了卫星发射的信号，并得到了国际电联的官方认定，我国正式合法拥有了所申报空间位置和频率资源。
截止2012 年年底，完成 14 颗卫星（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）发射组网。北斗二号系统在兼容北斗一号系统技术体制基础上，增加无源定位体制，为亚太地区用户提供定位、测速、授时和短报文通信服务。
北斗二号5GEO＋5IGSO＋4MEO
星载原子钟－－导航系统核心技术
星载原子钟是卫星导航定位授时体系中的重要星上载荷，也是卫星导航信号和授时信号生成的起点，星载原子钟的性能决定着导航定位及授时的精度、自主运行能力甚至导航卫星的寿命。由于铷钟具有频率稳定度指标优良、可靠性高、寿命长等特点，目前，世界范围内多数卫星导航系统采用星载铷钟，此外，被动型星载氢钟也应用到新的导航卫星中。
北斗研制初期，原子钟主要从国外进口。2004年，北斗二号项目被批准后，一开始考虑继续采取国际合作，从国外引进原子钟。但在和国外公司谈判的整个过程中一切都很顺利，但万万没想到的是，到最后签协议的时候，国外公司突然变了脸，不给中国提供铷原子钟，北斗人决心自己干，将核心部件自主化、国产化。2005年，北斗人组织了三支队伍你追我赶进行攻关，仅仅用了2年时间就实现了从无到有，从有到精，性能指标不断提高的铷原子钟，填补了国内空白。
星载原子钟性能对比＋原子钟部分技术革新
北斗三号－－新纪录、新超越
2009年北斗全球卫星导航系统的迎来了”三步走“战略的第三步，北斗三号工程正式启动建设。2020年，我国已经全面建成了北斗三号系统。北斗三号系统是由3GEO＋3IGSO＋24MEO构成的混合导航星座，系统继承了有源服务和无源服务两种技术体制，能够为全球用户提供基本导航（定位、测速、授时）、全球短报文通信和国际搜救服务，同时可为中国及周边用户提供区域短报文通信、星基增强和精密单点定位等服务。
值得一提的是2018年，北斗三号系统一年内完成10箭19星的发射，且100％成功，创下了世界卫星导航系统建设和我国同一型号航天发射的新纪录。
北斗导航”三步走“战略
根据计划，北斗在2035年前还将建设完善更加泛在、更加融合、更加智能的综合时空体系。
好了，今天带大家系统梳理了我国的大国重器－－北斗全球卫星导航系统，让我们一起期待2035年的综合时空体系的北斗！
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