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#1 北斗导航卫星[ZT]
一、中国第一代导航卫星--北斗导航卫星
北京时间2003年5月25日零时34分，我国在西昌卫星发射中心用"长征三号甲"运载火箭，成功地将第三颗"北斗一号"导航定位卫星送入太空。
20分钟后，星箭分离。根据西安卫星测控中心实时传来的测控数据，卫星准确进入预定轨道。这标志着我国已自主建立了完善的卫星导航系统.这次发射的是第三颗"北斗一号"导航定位卫星。前两颗"北斗一号"卫星分别于2000年10月31日和12月21日发射升空，运行至今导航定位系统工作稳定，状态良好，产生了显著效益。这次发射的是导航定位系统的备份星。它与前两颗"北斗一号"工作星组成了完整的卫星导航定位系统，确保全天候、全天时提供卫星导航信息。
"北斗一号"卫星导航定位系统，是区域性有源三维卫星定位与通信系统，英文缩写CNSS。它是继美国的GPS、俄罗斯的CLONASS之后的第三个成熟的卫星导航系统。
目前，世界上只有少数几个国家能够自主研制生产卫星导航系统。我国自行研制生产的北斗卫星导航定位系统，不仅具备了上述能力，而且在定位性能上有所创新。
二、世界导航卫星发展简介
1958年美国海军开始研制名叫"子午仪"的多普勒卫星导航系统，它又称海军卫星导航系统。1980年4月13日发射成功世界第１颗卫星导航卫星子午仪－１B，开创了人类导航技术的新纪元。
其实，人类是在一次偶然事件中发现可以利用卫星进行导航的。1957年，美国两位科学家在跟踪苏联的第一颗卫星时无意中发现，他们收到的无线电信号有多普勒频移效应，即卫星在飞近地面接收机时收到的无线电频率逐渐增高，飞远时则逐渐降低。科学家对这种现象认真研究后产生灵感，卫星的轨道可由地面站测得的多普勒频移曲线确定，若知道卫星的精确轨道，不就能确定地面接收机的位置了吗？从此，一种先进的导航技术--卫星导航悄然兴起。
"子午仪"导航卫星星座由轨道面均匀分开的4～5颗"子午仪"卫星组成，可使全球任何地方的导航用户在平均每隔1.5小时左右利用卫星定位一次。其主要功用是：为核潜艇和各类海面舰船等提供高精度断续的二维定位，用于海上石油勘探和海洋调查定位、陆地用户定位和大地测量等。从1960年4月到 20世纪80年代初，美国共发射30多颗"子午仪"。
"子午仪"卫星也存在一些先天不足，例如，不能连续实时导航；只能提供二维坐标（经度和纬度）；无法给出飞机的高度和速度信息；用户须等卫星飞经头顶时才能定位，且每次定位需十几分钟，因而对高速移动物体测量误差较大等。
自"子午仪"后，美国又开始研制采用时间测距卫星导航方式的第2代导航卫星--"全球定位系统"，即GPS。俄罗斯自行开发了与GPS系统原理、功能十分类似的GLONASS系统。欧洲空间局也正在研制名为"伽利略"的系统。此外，日本也打算建立区域性的卫星导航定位系统。
1.卫星导航老大：GPS
GPS是美国国防部开发的星基全球无线电导航系统，它可为全球范围内的飞机、舰船、地面部队、车辆、低轨道航天器，提供全天候、连续、实时、高精度的三维位置、三维速度以及时间数据。
第1颗GPS卫星于1978年10月6日发射，1993年12月完成24颗卫星组网，1995年4月27日达到完全运行能力。GPS卫星现发展了两代3种型号，现在轨道运行的为第2代的两种型号--GPS-2Ａ和2Ｒ，卫星寿命约7.5年。
GPS被誉为是继"阿波罗"登月和航天飞机之后的又一重大航天科技成就。该系统为军民两用系统，供民用用户使用的标准定位服务精度前些年为 100米，而军用定位精度为10米。为了加强其在全球导航市场的竞争力，美国政府已于2000年5月1日午夜撤销对GPS的SA干扰技术，使军、民用定位精度一样，都为10米。
GPS系统本质上是军用系统，优先为军方服务。从1991年的海湾战争开始到现在，美国的一切军事行动几乎都与卫星定位系统有关：GPS接收机装备至每一个参战单位甚至个人；被击落的F-117A隐身飞机的飞行员利用GPS迅速把自己的准确位置信息发送出去，从而被迅速营救；地空导弹、巡航导弹采用GPS精确制导后，精确打击能力大大提高，由过去摧毁一个目标需要几架次的打击，提高到现在一架次就能摧毁几个目标。
2.大同小异的GLONASS
1995年俄罗斯耗资30多亿美元，完成24颗中高度圆轨道卫星加1颗备用卫星组网。它也由24颗卫星组成，原理和方案都与GPS类似，但 GLONASS未达到GPS的导航精度。其应用普及情况远不及GPS。另外，GLONASS卫星平均在轨道上的寿命较短，且由于经济困难无力补网，原来在轨卫星陆续退役，目前在轨道上只有6颗星可用，不能独立组网，只能与GPS联合使用。
2003年的伊拉克战争对俄罗斯产生了相当大的震动，迫使俄罗斯领导层再次对太空的军事用途重视起来。近日，俄罗斯空间系统科学研究所所长孟什可夫对记者说，3年前GLONASS经历了最糟糕的时期，当时只有8到10颗卫星在工作，而要该系统发挥完全的作用，需要有24颗卫星。现在只有12颗卫星处于工作状态，但是要使该系统具有军用价值，在轨道上至少要有18颗星。俄罗斯航天的老大难问题就是经费不足。为此，俄罗斯航宇局正试图吸引外资。按航宇局局长科普捷夫的说法，俄罗斯正在和包括中国在内的国家和组织进行商谈来共同恢复GLONASS，希望到2011年该系统将完全恢复。
3.中国"北斗"别开生面
虽然美国GPS系统已经在全世界广泛应用，但该系统绝非完美无缺。例如，其规模太大、造价太高，其他国家很难效仿，俄罗斯和欧洲空间局就是典型的例子；GPS只能导航，无法通信，因而不能满足日益增长的用户需求；作为一个国家来讲，如果完全依赖GPS，则容易受美国控制。那么，有没有解决这些问题的新方法呢？中国的"北斗"开辟了一条新途径。
上世纪80年代初，我国卫星导航的先驱、863计划倡导者之一陈芳允院士提出了利用两颗卫星定位的构想。经过多年论证，证明这一构想可行。 1994年国家批准建设第一代卫星导航定位系统。2000年，我国成功发射"北斗一号"两颗工作卫星，今年又发射第三颗"北斗一号"卫星作为备用星。由此我国成为世界上继美国、俄罗斯之后，第三个拥有卫星导航系统的国家。而欧洲的伽利略系统计划在2008年投入运行。
"北斗"导航卫星系统是1种全天候、全天时提供卫星导航信息的区域性导航系统。它是通过双星定位方式来工作的。该系统由2颗经度上相距60度的地球静止卫星对用户双向测距，由1个配有电子高程图的地面中心站定位，另有几十个分布于全国的参考标校站和大量用户机。它的定位原理是：以2颗卫星的已知坐标为圆心，各以测定的本星至用户机距离为半径，形成2个球面，用户机必然位于这2个球面交线的圆弧上。电子高程地图提供的是一个以地心为球心、以球心至地球表面高度为半径的非均匀球面。求解圆弧线与地球表面交点即可获得用户位置。
虽然这个原理是美国吉奥星公司发明的，但美国和欧洲的公司在这方面的研制工作均失败和破产了，而中国首先实现了这项卫星导航定位的创新工程。
目前，世界上只有美国、俄罗斯和我国3个国家能够自主研制生产卫星导航系统。我国自行研制生产的"北斗"卫星导航定位系统主要用于国家经济建设，为我国的交通运输、气象、石油、海洋、森林防火、灾害预报、通信、公安以及其他特殊行业提供高效的导航定位服务，应用前景十分广阔。
三、中国北斗导航卫星的意义、优势及前景
1.导航卫星定位系统是一个国家主权实力的象征
导航卫星定位系统在军事和民用两方面都是用于确保一个国家国际地位的重要宇宙设施。如若从对整个社会的影响来看，其意义即便是说"超过了核武器"都毫不为过。
美国国防部自上世纪70年代以来就开始开发的GPS目前已经在全球范围内得到了广泛应用。GPS本来是美国为军事目的而开发的全球定位系统，用于民用时，在所提供的定位信号中故意加入了噪音以降低精度。但在克林顿执政期间，决定施行无偿向民用领域提供高精度定位信号的方针，目前也向民用领域提供与军用相同的精度仅为几米的定位信号。但美国并非出于善意向全世界无偿提供投入了巨额开发费用的GPS。其真正目的在于利用GPS垄断全球定位业务，进而谋求世界霸权。欧洲反对美国的这种企图，并在加紧为开发欧洲自己的"伽利略"导航卫星定位系统作准备。
俄罗斯目前则拥有原苏联时代建立的"格洛纳斯"导航卫星定位系统。尽管由于财政困难而无法发射新卫星以取代已到寿命的卫星，以至卫星数量减少，事实上陷入功能不完善的状态，但俄罗斯决不会放弃格洛纳斯。因为俄罗斯非常清楚导航定位卫星对于整个国家的价值。
2.多功能的北斗导航卫星
北斗导航卫星系统通过伪码测距的方式，测出用户到每颗卫星的距离，并利用用户自身提供的测高数据或中心控制站的高程数据库，计算得到用户的定位数据。可以对我国领土、领海及周边地区的用户在任何时间、任何地点提供其所在的地理经纬度和海拔高度。如果与我国的第三代侦察卫星及C4I系统相交联，将极大地提高我军联合作战能力和综合打击能力。
"北斗"导航定位卫星不但工程投资少，并将导航定位，双向数据通信和精密授时结合在一起，因而有独特的优越性。
（１）北斗导航卫星的三大功能
快速定位，为服务区域内的用户提供全天候、实时定位服务，定位精度与GPS相当；短报文通信，一次可传送多达120个汉字的信息；精密授时，精度达20纳秒。
①快速定位：北斗导航系统可为服务区域内用户提供全天候、高精度、快速实时定位服务。北斗导航系统定位精度20米，定位可以在1秒之内完成。
②简短通信：北斗系统用户终端具有双向数字报文通信能力，注册用户利用连续传送方式可以传送多达120个汉字的信息。
③精密授时：北斗导航系统具有单向和双向两种授时功能。根据不同的精度要求，利用授时终端，完成与北斗导航系统之间的时间和频率同步，提供100ns（单向授时）和20ns（双向授时）的时间同步精度。
（２）北斗导航卫星的五大优势
①它同时具备定位授时与通讯功能，不需要其他通讯系统支持。而GPS只能定位。
②覆盖范围大，没有通讯盲区。北斗系统覆盖了中国及周边国家和地区，不仅可为中国、也可为周边国家服务。
③特别适合于集团用户大范围监控管理和数据采集用户数据传输应用。
④融合北斗导航定位系统和卫星增强系统两大资源，因此也可利用GPS使之应用更加丰富。
⑤自主系统，安全、可靠、稳定，保密性强，适合关键部门应用。
（３）北斗导航卫星的军事用途
在军事上，由于"北斗一号"导航定位系统采用差分定位法和扩频定位技术，测距精度达10米左右。也就是说，它能为我军作战人员提供精确的定位服务，特别是在地形复杂且不熟悉的地区。2001秋季的某天深夜，神州腹地大别山区的夜空传出微弱的轰鸣声，没等"敌人"闹清是怎么回事，我特种作战分队便神出鬼没般出现在"敌人"面前，只几个筒单回合，"敌人"便死的死，伤的伤。我特种分队千里袭"敌"，靠的就是"北斗一号"。
三颗"北斗"分布在赤道面东经八十度、一百四十度和一百一十点五度，涵盖整个中国大陆和其周边地区，尤其"北斗一号"覆盖范围的最宽处在北纬三十五度左右，即日本、黄海、东海一带，也是美军驰援台海的关键海域。
"北斗一号"导航定位系统能与各种光、声、电侦听设备（如激光测距仪、战场侦察雷达、无人作战／侦察飞机等）和计算机火力控制系统相配合，提高武器射击系统的反应能力和命中率。在空中，"北斗一号"与电子地图相结合，组成一个既有定位导航功能，又有地形分析显示功能的综合系统，通过电子地图上的软件分析，直接在电子地图上标示出通过敌防空系统时的相对安全航线，为飞行员驾机执行任务提供可靠保障。美英伊拉克战争中，大量使用精确打击武器，其中很多采用了GPS制导，提升了导弹的精确度和抗干扰能力。
3.北斗导航卫星的进一步发展
北斗双星定位系统是一种有源定位方式，除了具有授时、简短数字报文等功能，只能提供底动态和静态定位服务。北斗系统主要是为军方服务，但是由于它是有源定位方式，容易暴露接收目标，使得在军方的运用有所限制。
我国目前正在研究第二代无源卫星定位系统，估计其论证工作计划在2005年完成。
四、"北斗"导航卫星系统总设计师和通信系列卫星首席专家---范本尧
2003年5月25日，我国成功发射了第三颗"北斗一号"导航定位卫星。当人们快乐地享受着卫星所带来的现代文明生活时，作为卫星总设计师的范本尧，有的却是太多的牵挂。正是为了太空中一颗颗让他梦绕魂牵的中国卫星，他付出了自己几十年的时光，还有他的全部心智。
年轻时喜欢船舶业，两次改行，踏上了攀登空间技术的征程
年轻时喜欢船舶业的范本尧，做梦也想不到自己竟会和航天打上交道，而且还成了一名卫星专家。
1957年的那个夏天，范本尧正在上海交通大学做毕业设计，却突然接到去清华大学报到的通知。原来，为改变当时我国在工程力学方面与国外的差距，由钱学森、钱伟长等著名科学家倡导，在清华大学开办了一个工程力学研究生班。范本尧是全班40名同学中惟一被选中的，从此踏上了攀登空间技术的征程。
不过，范本尧结缘卫星却是在他差不多搞了10年的火箭研制以后。一开始，他从事的是探空火箭箭体结构和储箱的设计研制工作。在参加我国第一枚探空火箭的研制工作期间，他克服资料缺乏的困难，独立完成了我国第一枚探空火箭的结构设计和计算，首次总结和建立了一套火箭结构载荷分析计算等科学方法。
1969年，范本尧被下放到北大荒军垦农场接受劳动锻炼。1970年4月24日，我国第一颗人造卫星东方红一号成功发射的消息传来，壮志未酬的范本尧望着浩瀚的星空，想了很多很多。两年后，范本尧终于回到了自己心仪的卫星研制岗位。
20世纪70年代，范本尧主持卫星防热工作，研制了新型防热结构，圆满解决了卫星返回防热难题，为保证我国返回式卫星的发射回收成功作出了重大贡献，该成果1978年获全国科技大会重大成果奖。
率先提出要在一年内改进东方红二号卫星的性能，使中国的电视提前两年上星
通信卫星的出现，给人类社会插上了腾飞的翅膀。面对当时苏、美等航天大国通信卫星研制都朝着长寿命、大容量方向的发展，中国必须奋起直追。
1984年，我国成功发射了第一颗试验通信卫星"东方红二号"。就在人们欢呼中国卫星通信新时代到来之时，作为通信卫星总体技术负责人的范本尧，却把目光盯向了更远的天空。他知道，此时，国外的卫星电视传输已十分发达，而我们的"东二"只能用作通信，还不能传输电视节目。
顶着巨大的压力，范本尧率先提出要在一年内改进东方红二号卫星的性能，使中国的电视上星，以满足国内用户的急需。
两年后，经过改进后的又一颗"东方红二号"卫星成功发射，全国一下子建起了上万个地面电视接收站，比国家原计划开通全国卫星电视业务时间提前了两年多。在让普通百姓享受"卫星电视"的同时，范本尧和他的同事们又研制出了我国第一代实用通信卫星"东方红二号甲"。其通信容量比"东方红二号"增加了8倍，寿命也增加了一倍，改变了边远地区及海防收视难、通信难的状况，使我国的通信广播事业跨过了传统的发展阶段。
科研的路并不都一帆风顺，在艰难的跋涉中，范本尧也有过痛心的记忆，1994年11月30日，在经过8年研制后，"东方红三号"新一代通信卫星被送入预定轨道。卫星在成功地实施了第一次远地点发动机点火之后，由于姿控推力器泄漏，卫星姿态失控。虽经一个多月千方百计的挽救，又进行了两次变轨，使卫星进入36000公里的地球同步轨道，但终因燃料耗尽而使卫星无法定点。倾注了10年心血，升空后却不能投入使用，众人的目光都盯向了总设计师范本尧。
两年多的攻关，边查找分析故障原因，边完善优化设计方案，先后解决了10多个技术问题。1997年5月12日，又一颗"东方红三号"通信卫星被稳稳地送上太空。5月20日，卫星成功定点于东经125度赤道上空。
这颗耀眼新星的升起，使我国通信卫星的性能提高了16倍，卫星研制技术达到国际同类卫星的先进水平。美国一家报纸为此发表评论："东方红三号"卫星发射成功，标志着中国卫星研制开始真正进入国际卫星俱乐部。"东方红三号"通信卫星获得了国家科技进步一等奖。
"北斗"导航系统是国际上首次实现的区域导航定位系统，他主持制定的方案，解决了许多技术难关。
以"东方红三号"卫星为基础，范本尧提出了30多项改进措施，使卫星平台更完善更可靠，建立起了我国第一个高轨道卫星公用平台。目前已有4个型号7颗卫星采用了该卫星公用平台。
2000年10月31日、12月21日和2003年5月25日，我国"北斗"导航卫星先后三次发射成功，作为卫星总设计师，范本尧主持制定了北斗导航卫星方案，解决了高增量、多频段、大功率所带来的技术难关，提高了卫星的可靠性，实现了100％成功率。"北斗"导航系统是国际上首次实现的区域导航定位系统，该系统的建立和投入使用，填补了我国导航卫星领域的空白，使我国成为世界上继美俄之后自主建立卫星导航系统的国家。
仰望苍穹，参加过16颗卫星发射的范本尧总爱浮想联翩，他觉得自己好像一位九天"牧"星人。
本文转载自《人民日报》(2003年06月05日第五版)
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天理路上甚宽，稍游心，胸中便觉广大宏朗；
人欲路上甚窄，才寄迹，眼前俱是荆棘泥涂。
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