美國(guó)的GPS，全稱全球定位系統(tǒng)，是全球?qū)Ш筋I(lǐng)域的領(lǐng)頭羊，早在1970年代便開(kāi)始研發(fā)，并在1990年代全面投入使用。其核心設(shè)計(jì)包括24顆衛(wèi)星，這些衛(wèi)星在中地球軌道上運(yùn)行，軌道高度大約為20,200公里。為了確保覆蓋全球，這些衛(wèi)星被平均分布在6個(gè)不同的軌道平面上，每個(gè)平面上部署4顆衛(wèi)星，軌道的傾斜角度為55度。

GPS的設(shè)計(jì)目標(biāo)非常明確：無(wú)論身處地球的哪個(gè)角落，在任何時(shí)間內(nèi)，都至少能夠接收到4顆衛(wèi)星的信號(hào)。為什么必須是4顆衛(wèi)星呢？原因在于定位需要經(jīng)度、緯度和高度三個(gè)信息，而這三者就像是在三維空間里定位一個(gè)點(diǎn)。衛(wèi)星定位就如同一場(chǎng)復(fù)雜的數(shù)學(xué)謎題。

假設(shè)我們已知衛(wèi)星的位置，而GPS接收器則是需要確定位置的未知點(diǎn)。通過(guò)測(cè)量GPS接收器到各顆衛(wèi)星的距離，可以利用幾何原理來(lái)計(jì)算出當(dāng)前位置。理論上，3顆衛(wèi)星就能建立三個(gè)方程式，進(jìn)而求解出經(jīng)度、緯度和高度三個(gè)未知數(shù)。但實(shí)際情況遠(yuǎn)比想象的復(fù)雜。衛(wèi)星上的原子鐘雖然極為精確，但與地面GPS接收器時(shí)鐘之間仍會(huì)產(chǎn)生微小的時(shí)間偏差。這看似不大的時(shí)間差，由于衛(wèi)星信號(hào)以光速傳播，會(huì)導(dǎo)致信號(hào)在傳輸過(guò)程中的距離誤差，從而影響定位的精度。

這時(shí)，第4顆衛(wèi)星的作用便變得至關(guān)重要了。它提供額外的信息，用來(lái)修正時(shí)鐘偏差。這相當(dāng)于多了一個(gè)方程式，四個(gè)方程聯(lián)立求解后，就能準(zhǔn)確地算出經(jīng)度、緯度、高度以及時(shí)間誤差，確保精確的定位。而GPS系統(tǒng)的設(shè)計(jì)還考慮到了一些特殊的環(huán)境因素。例如，在高樓密集的城市峽谷中，衛(wèi)星信號(hào)可能被遮擋，或者在山區(qū)，信號(hào)可能因山體阻擋而減弱。但由于系統(tǒng)保障至少能接收到4顆衛(wèi)星信號(hào)，即使個(gè)別信號(hào)受影響，其他衛(wèi)星信號(hào)仍能保障定位的功能，盡管精度可能有所下降。

在大多數(shù)情況下，地球上的用戶通常能夠接收到超過(guò)4顆衛(wèi)星的信號(hào)，這使得GPS能夠利用這些冗余信號(hào)進(jìn)一步優(yōu)化定位算法，提高定位精度和穩(wěn)定性。除此之外，系統(tǒng)還設(shè)置了幾顆備用衛(wèi)星，類似于“替補(bǔ)隊(duì)員”，隨時(shí)準(zhǔn)備頂替出現(xiàn)故障的衛(wèi)星，確保整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。可以說(shuō)，在20世紀(jì)80、90年代，全球的導(dǎo)航領(lǐng)域幾乎完全被美國(guó)的GPS主導(dǎo)，甚至當(dāng)時(shí)中國(guó)也依賴美國(guó)的GPS，直到1996年的“導(dǎo)航羞辱”事件，才讓中國(guó)認(rèn)識(shí)到自主導(dǎo)航技術(shù)的重要性。

1996年，臺(tái)海局勢(shì)緊張，解放軍進(jìn)行大規(guī)模軍事演習(xí)，并向臺(tái)灣附近海域發(fā)射導(dǎo)彈進(jìn)行威懾。沒(méi)想到，除了第一枚導(dǎo)彈命中目標(biāo)外，后續(xù)的導(dǎo)彈都偏離軌道，失去蹤跡。調(diào)查結(jié)果顯示，美國(guó)悄然關(guān)閉了該區(qū)域的GPS信號(hào)，導(dǎo)致我國(guó)導(dǎo)彈定位失準(zhǔn)。這一事件深刻提醒了中國(guó)，導(dǎo)航技術(shù)不僅關(guān)乎軍事安全，更關(guān)系到國(guó)家的整體安全。依賴他國(guó)技術(shù)，意味著將國(guó)家的命運(yùn)掌握在別人手中，于是自那以后，中國(guó)決定獨(dú)立自主，開(kāi)發(fā)屬于自己的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。

因此，1994年，中國(guó)啟動(dòng)了北斗一號(hào)系統(tǒng)的建設(shè)，盡管當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)的科研條件相當(dāng)艱苦，技術(shù)儲(chǔ)備薄弱，但科研人員充滿熱情，克服重重困難。2000年，北斗一號(hào)系統(tǒng)中的兩顆地球靜止軌道衛(wèi)星成功發(fā)射并投入使用，中國(guó)由此成為全球第三個(gè)擁有衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的國(guó)家。

至于北斗為何需要39顆衛(wèi)星，不是因?yàn)榧夹g(shù)上不如美國(guó)，而是有著獨(dú)特的歷史背景和資源限制。在美國(guó)“星鏈計(jì)劃”中，我們可以看到這一點(diǎn)。該計(jì)劃由美國(guó)的SpaceX公司提出，計(jì)劃向太空發(fā)射多達(dá)4.2萬(wàn)顆衛(wèi)星，瞬間引發(fā)了全球的關(guān)注。雖然太空軌道資源看似無(wú)限，但實(shí)際上有限。大量衛(wèi)星集中在近地軌道上，占據(jù)了關(guān)鍵的“好位置”，使得其他國(guó)家的衛(wèi)星很難進(jìn)入這一軌道。

這就像是在一個(gè)有限的停車場(chǎng)里，一些人將所有優(yōu)質(zhì)車位占滿了，其他車根本沒(méi)地方停。而在北斗系統(tǒng)建設(shè)時(shí)，已經(jīng)有美國(guó)和俄羅斯等國(guó)家的衛(wèi)星占據(jù)了低軌道的位置，中國(guó)不得不選擇更高的軌道進(jìn)行部署。高軌道有其自身的挑戰(zhàn)：信號(hào)傳播距離更遠(yuǎn)，衰減更大。因此，為了達(dá)到與低軌道衛(wèi)星類似的覆蓋效果，必須增加衛(wèi)星數(shù)量。于是，北斗系統(tǒng)的衛(wèi)星數(shù)量才達(dá)到了39顆。

北斗系統(tǒng)并非在數(shù)量上超過(guò)GPS，而是在有限的歷史背景和軌道資源下作出的最優(yōu)選擇。通過(guò)地球靜止軌道、傾斜地球同步軌道和中圓地球軌道三種軌道的混合布局，北斗不僅確保了信號(hào)覆蓋，還大幅提高了定位精度。例如，北斗信號(hào)在亞太地區(qū)的強(qiáng)度比GPS高出30%，定位精度可以達(dá)到2-3米，甚至通過(guò)星基增強(qiáng)，精度可達(dá)厘米級(jí)。并且，北斗系統(tǒng)具備60天無(wú)地面站支持的自主運(yùn)行能力，具備更強(qiáng)的可靠性和抗干擾能力。

因此，盡管北斗的衛(wèi)星數(shù)量多于GPS，這一差異并不意味著技術(shù)遜色，而是依據(jù)特定歷史背景和資源限制所做出的最佳選擇。憑借獨(dú)特的軌道配置和強(qiáng)大的系統(tǒng)功能，北斗為全球用戶提供了更加精準(zhǔn)和穩(wěn)定的導(dǎo)航服務(wù)。