“不管你在與不在，北斗都在那里為你指明方向”，今天筆者就從技術角度聊聊我國國產導航系統的前世今生，以及導航接收器的高可用設計，
國產導航系統-中國科學家們的不朽傳奇
如果說失去芯片，那將失去很多，而失去導航，則會失去所有，如果沒有北斗那我們的殲20、東風導彈等等高新武器完全無從談起，甚至在2008年汶川地震，救援隊也無從打開生命通道，而且日常生活中上至高鐵、飛機；下到外賣滴滴、共享單車都離不開全球定位系統的支持，
在北斗之前全球定位系統是一直被歐美所壟斷，雖然北斗已經突破了封鎖，但是對于40年前的中國來說，導航是一個比芯片還要更加艱難的方向，每一次嘗試開端于1985年，當時陳芳允院士提出了基于兩顆地球同步軌道衛星的雙星定位的構想，奈何當時條件所限，始終沒有辦法驗證陳院士的方案，
直到4年后的1989年，雙星系統模式才得到驗證，理論上可以實作精度30米的定位，隨著1994年北斗一號正式立項，2000年，北斗一號兩顆衛星先后發射成功，主要在中國境內提供導航服務，校準精度雖然很低，但是也算是打破了美國GPS全球定位的壟斷，后來為了提高精度，北斗二號正式于2004年才立項，不過根據國際電聯的批復，北斗二號必須在2007年前就完成衛星發射，也就是，北斗二號的研發時間只有3年，
衛星所使用的頻率段，是需要國際電聯通信會議予以審核分配的，而且衛星頻段其實也和衛星軌道一樣是一種有限資源，我們看到最近馬斯克大搞星鏈計劃，運用的就是對于有限資源的快速搶占策略，由于在電聯成立之初人類發射衛星的能力還十分有限，基本沒考慮過日益增多的近地軌道衛星星座（NGSO）所帶來的“搶頻段”等資源分配問題，可以說我國一開始申請頻段時還算順利，不過后來頻段日趨緊張，因此北斗必須在國際電聯給出的最后期限之前上天，否則之前的申請就作廢，
不過在2004年到2007年北斗二號最為關鍵三年中，我們也遇到了高精度原子鐘這種更卡脖子的技術，按照原計劃原子鐘本應由歐洲提供給我們，但最終由于各種原因并未成行，
原子鐘-最關鍵的領域被卡脖子
我們知道全球衛星定位技術是利用人造地球衛星進行點位測量的技術，早期，人造地球衛星僅僅作為一種空間的觀測目標，這種對衛星的幾何觀測能夠解決用常規大地測量難以實作的遠距離陸地海島聯測定位的問題，但是這種方法費時費力，定位精度還低，因此應用得不多，
而在原子鐘也就是精確授時系統成形以后，現代的全球定位基本原理根據已知位置的衛星、與衛星到用戶接識訓之間的距離，然后利用三點決定平面的原理，通過決議幾何的方式解出用戶的位置，其中衛星的位置可以根據星載時鐘所記錄的時間在衛星星歷中查出，而用戶到衛星的距離則要通過測量衛星信號傳播到用戶所經歷的時間，再將其乘以光速得到，當然理相情況下只需要三顆衛星的信號就可以解決定位的問題，但用戶使時鐘與衛星星載時鐘不可能總是同步，所以還要引進一個Δt變數，記錄衛星與接識訓之間的時間差，然后用4個方程聯立求解，所以如果想知道用戶位置，至少要能接收到4個衛星的信號，用戶設備部分按照定位解算方法進行定位計算，計算出用戶所在地理位置的經緯度、高度、速度、時間等資訊，完成精確定位，可以看出用戶的接識訓只需要接收衛星信號，并計算距離求解方程就可以完成作業，可以說導航的接收器相對來說技術含量不是太好，
不過這一切的關鍵都在于衛星信號傳播到用戶所經歷的時間的精確度，因此制造一個精確的原子中是全球定位系統的核心技術所在，不過正如前文所講，這項技術歐美沒有向我們開放，我們只能在三年內自行研制出來一臺原子鐘，這個難度可想而知，不過從最終的結果來看，我們還是做到了，
國產原子鐘-一飛沖天
人們平時所用的鐘表，精度高的大約每年會有1分鐘的誤差，這對日常生活是沒有影響的，但是在完全依靠時間精度來進行距離定位的全球衛星定位領域這個精度就遠遠達不到要求了，從日軌到機械鐘再到更為精確的石英鐘、電子表，人類對于精確時間的追求可以說是貫穿于整個人類歷史的，
上世紀30年代，美國哥倫比亞大學實驗室的拉比，在研究原子及其原子核的基本性質時獲得了一定突破，在拉比設想的時鐘里，處于某一特定的超精細態的一束原子穿過一個振動電磁場，場的振動頻率與原子超精細躍遷頻率越接近，原子從電磁場吸收的能量就會越多，并因此而經歷從原先的超精細態到另一態的躍遷，反饋回路可調節振動場的頻率，直到所有原子均能躍遷，原子鐘就是利用振動場的頻率作為節拍器來產生時間脈沖，為此拉比獲得了1944年的諾貝爾獎，后來拉比的學生拉姆齊還因大幅提高了原子鐘的精度，也斬獲了1989年的諾貝爾獎，不過原子鐘又是一個橫跨量子物理、電子電路、物理光學、幾何光學等多個領域的結合體，比如這個NIST F-1原子鐘，它由170個元器件組成，其中包括透鏡，反射鏡和激光器，位于中部的管子高1.70米，銫原子在其中上下移動，發出極為規則的時間“信號”
想讓我們在三年之內搞出這么一個高精尖的設備來，真的是不容易，雖然在上世紀上世紀六七十年代，我國就開始了對原子鐘的理論研究，但在北斗二號專案之前，還沒有人真正把原子鐘的理論落地到實踐中，而我們在北斗的心臟模塊原子鐘方面被卡了脖子，也讓經79歲的雷文琦和他的團隊立志要自主完成原子鐘的制造，不過時間的緊迫與經驗的欠缺，始終是一個原子鐘研發團隊面前的巨大難題的難題，
不過經歷了無數的996和007的奮戰之后，2006年我國第一臺星載銣原子鐘一飛沖天，時間精度完全達到預期，不過據說整個雷文琦的團隊都沒來得及慶祝一下，就全部投入到了北斗二號首發星的研發任務中了，
又經歷了沒白天沒黑夜的8個月，2007年4月14日，首顆北斗導航衛星終于發射成功，并傳回了時鐘信號，北斗導航工程終于擁有了一顆完完全全的中國“心，同時也宣告我國的全球衛星定位系統，終于沒有被卡脖子的地方了，也正是因為有了北斗，GPS芯片的價格才由之前的數千元，逐漸降低到現在的區幾塊錢，甚至最近蘋果也開始正式支持北斗了，
明明是接收器高可用的問題-莫往衛星信號身上甩鍋
無論是在芯片設計軟體EDA還是在這次出問題的北斗接收器，我國在這種需要時間打磨，需要打氣熬力的領域特別愛掉鏈子，正如前文所說北斗接識訓實際上是由兩部分構成：一是接受衛星信號接收器，二是精確授時及位置計算系統，由于北斗接識訓使用的無線電信號作頻點1561MHz,帶寬2.046MHz，這個頻段的信號遇到建筑物等阻礙往往衰減很快，在民用場景下很有可能會遇到丟失信號的情況，而且北斗接收器也是一個需要時間沉淀才能完全排坑的領域，我們看到像GPS芯片到目前已經發展了三代才算基本穩定下來，而北斗的接收器芯片現在剛剛是初代產品，這就急著要以北斗資料為準，這明顯不符合高可用設計原則，
在民用場景下，還是要考慮實際情況，手機基站定位的資料其實也不能造假，雖然精度有限，但完全可以用來定性分析，而再輔助以GPS資料相互印證，最后在北斗也在線的情況下以北斗為準，通過將可用性依賴分散到不同系統上以提升客戶端的可靠程度，另外在我們銀行使用的場景下，對于可用性有要求的系統往往都會配備一主一備兩個節點進行冗余備份，那么北斗接收器是否也應該考慮在產品尚不成熟的情況下，安裝兩個接收器相互印證，以提高接收系統的可用性，
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