2020年6月23日

中國西昌衛(wèi)星發(fā)射中心

長征火箭搭載著最后一顆北斗組網(wǎng)衛(wèi)星

劃破長空

（9時43分，北斗三號最后一顆全球組網(wǎng)衛(wèi)星發(fā)射升空，攝影師@南勇）

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隨后

衛(wèi)星將到達距離地表約36000千米的軌道

它的穩(wěn)定運行

標志著

中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)全面建成

這是一個龐大的工程

太空中46顆導(dǎo)航衛(wèi)星

晝夜不停地環(huán)繞在地球周圍

地面上2700多個基準站

分布于大江南北

一張“天羅地網(wǎng)”鋪展開來

（北斗“完全體”，包括北斗二號衛(wèi)星16顆，北斗三號衛(wèi)星30顆，制圖@鄭伯容/星球研究所）

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這也是一個艱難的工程

8萬多名工作人員

300多家研發(fā)單位

前前后后奮戰(zhàn)20多年

終于夢想成真

（20年間，長征火箭作為北斗衛(wèi)星的唯一運載工具，發(fā)射次數(shù)多達44次，下圖為裝載第39和第40顆北斗衛(wèi)星的長三乙火箭靜待發(fā)射的場景，攝影師@史悅）

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這更是一個必需的工程

如今北斗已經(jīng)廣泛應(yīng)用于

電力、金融、通信、交通

農(nóng)業(yè)、測繪、減災(zāi)救災(zāi)等

生產(chǎn)和生活的方方面面

中國將徹底擺脫

對美國全球定位系統(tǒng)（GPS）的依賴

（以350公里時速行駛的京張高鐵，可以實現(xiàn)從駕駛一次制動到停車的停準誤差不到10厘米，下圖為自動駕駛的京張高鐵，攝影師@趙斌）

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而且借助北斗

中國導(dǎo)彈擁有了超高精度的制導(dǎo)能力

國防利器愈加鋒利

（2019年10月1日，慶祝中華人民共和國成立70周年大會閱兵式中的巨浪-2導(dǎo)彈方隊，圖片來源@人民視覺）

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如今

北斗系統(tǒng)（BDS）已經(jīng)覆蓋全球

與美國的全球定位系統(tǒng)（GPS）

俄羅斯的格洛納斯系統(tǒng)（GLONASS）

歐盟的伽利略系統(tǒng)（Galileo）

并稱全球四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS）

20年磨一劍

中國是如何做到的？

要想獲取我們的位置

太空中需要布置

至少3顆導(dǎo)航衛(wèi)星

它們不斷地發(fā)射電磁波信號

我們利用導(dǎo)航設(shè)備接收信號

信號在一發(fā)一收之間產(chǎn)生的時間差

再乘以電磁波的傳播速率（光速）

便可以計算出我們與衛(wèi)星的距離

只有1顆導(dǎo)航衛(wèi)星時

以衛(wèi)星為中心

我們與衛(wèi)星的距離為半徑

便得到一個球面

球面上的任何一點

都可能是我們的位置

（光速約等于3×108m/s，一顆導(dǎo)航衛(wèi)星確定的位置——球面，制圖@鄭伯容/星球研究所）

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若有2顆導(dǎo)航衛(wèi)星

兩個球面相交得到一個圓周

圓周上任何一點

都可能是我們的位置

（兩顆導(dǎo)航衛(wèi)星確定的位置——圓周，制圖@鄭伯容/星球研究所）

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若有3顆導(dǎo)航衛(wèi)星

三個球面相交得到A、B兩個點

兩點中任何一點

也都可能是我們的位置

（三顆導(dǎo)航衛(wèi)星確定的位置——兩個點，制圖@鄭伯容/星球研究所）

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而兩點之中

僅有B點位于地表附近

于是便鎖定了我們唯一的位置

（與地表的交點有且只有一個，制圖@鄭伯容/星球研究所）

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這就是導(dǎo)航衛(wèi)星的秘密

即三球交會定位原理

實際上

在測量時間的時候

會產(chǎn)生各種誤差

為了消除誤差

往往還需要第4顆衛(wèi)星的輔助

同時為了保證我們隨時隨地

都能接收到4顆以上的導(dǎo)航衛(wèi)星信號

環(huán)繞地球的衛(wèi)星總數(shù)往往遠遠高于4顆

例如美國GPS和俄羅斯GLONASS系統(tǒng)

導(dǎo)航衛(wèi)星的數(shù)量都在24顆以上

（GPS系統(tǒng)定位示意，同一點上空的衛(wèi)星多在4顆以上，原圖來源@維基百科，重制@鄭伯容/星球研究所）

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 可是

在上世紀90年代

想要短期內(nèi)發(fā)射同等數(shù)量的導(dǎo)航衛(wèi)星

對于航天及導(dǎo)航技術(shù)相對落后的中國來講

幾乎是一個不可能實現(xiàn)的夢想

能否用最少的衛(wèi)星

實現(xiàn)定位的目標？

一個大膽的方案

橫空出世

陳芳允

“兩彈一星”功勛、著名電子學(xué)家

首次提出了由兩顆衛(wèi)星組成的雙星定位系統(tǒng)

其巧妙之處在于

在地面設(shè)置了一個“大腦”

即地面控制中心

利用地面控制中心

人們可在地球周圍“虛擬”出一個球體

并通過控制中心、衛(wèi)星、用戶三者之間的交互

計算得到用戶的位置

（地面控制中心可以提供用戶的高程等已知數(shù)據(jù)，且擁有超強的解算能力。雙星定位原理示意，制圖@鄭伯容/星球研究所）

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與此同時

兩顆衛(wèi)星均位于地球靜止軌道

其軌道高度在35786千米

運行周期與地球自轉(zhuǎn)周期保持一致

可始終朝向地球的同一面

保證了全時段的信號覆蓋

（地球靜止軌道示意，制圖@鄭伯容/星球研究所）

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從1994年方案獲得正式立項

到2000年兩顆北斗衛(wèi)星成功入軌

歷時6年多的研發(fā)

北斗雙星的設(shè)想

終于變成了現(xiàn)實

這便是北斗一號

它的信號

可以覆蓋中國全境

（北斗一號的覆蓋范圍為東經(jīng)70°-145°，北緯5°-55°，制圖@王朝陽&鄭伯容/星球研究所）

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用戶不僅能接收位置信息

還能像“發(fā)短信”一樣主動發(fā)送文字消息

這在求救和援助時尤為關(guān)鍵

而對于如同“收音機”般

單向接收數(shù)據(jù)的GPS等系統(tǒng)

這是無法做到的

（“發(fā)短信”的優(yōu)勢在于，既能知道自身的位置，也可以告訴他人，這在地震、遠洋等一些險境中意義重大，下圖是2008年汶川地震中救援的場景，攝影師@賈君洋）

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這項功能屬于國際首創(chuàng)

美國GPS之父帕金森教授

后來對此功能贊譽有加

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既能夠知道你在哪里，也能夠知道我在哪里

這是多么美妙的體驗

不過

北斗一號的缺陷

同樣顯而易見

它的定位精度為20-100米

時間精度為20-100納秒

與同期GPS的10米和20納秒差距明顯

而且僅支持150個用戶同時在線

與全球覆蓋的目標也相差甚遠

還有

“發(fā)短信”式的交互模式

過程較為繁瑣、信號易被攔截

不僅導(dǎo)致定位中存在1秒左右的時延

還容易暴露自身位置

而對于高速運動的飛機、導(dǎo)彈來說

每1秒都生死攸關(guān)

軍事行動中保密性更是至關(guān)重要

（北斗一號和GPS系統(tǒng)定位操作對比，制圖@鄭伯容/星球研究所）

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北斗一號

盡管性能有些簡易

但基本解決了我們導(dǎo)航系統(tǒng)從無到有的問題

北斗的夢想已經(jīng)在蹣跚中起步

接下來會一帆風順嗎？

自2010年起

西昌衛(wèi)星發(fā)射中心變得非常熱鬧

在不到3年的時間里

將有14顆導(dǎo)航衛(wèi)星從這里陸續(xù)發(fā)射升空

2010年發(fā)射5顆

2011年發(fā)射3顆

2012年發(fā)射6顆

（2007年和2009年各有一顆北斗二號實驗星已經(jīng)發(fā)射升空，下圖是西昌衛(wèi)星發(fā)射中心的兩個發(fā)射塔架與火箭運輸機車的同框，攝影師@余明）

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同時

運算和控制等地面配套系統(tǒng)也鋪展開來

衛(wèi)星與地面的調(diào)整測試也在同步進行

2012年底

新系統(tǒng)組網(wǎng)成功

這就是北斗二號

（北斗二號系統(tǒng)運行示意，制圖@鄭伯容/星球研究所）

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與北斗一號相比

其覆蓋范圍明顯擴大

擴大至亞太地區(qū)的大部分區(qū)域

定位精度也從20米提升至10米

時間精度達到10納秒

（北斗二號的覆蓋范圍為東經(jīng)70°-150°，南緯55°-北緯55°，制圖@王朝陽&鄭伯容/星球研究所）

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北斗一號獨特的通信功能

也被完整繼承了下來

可在應(yīng)急通訊中幫助更多的人

（2015年4月25日尼泊爾發(fā)生8.1級地震，救援人員曾借助北斗實施搜救，下圖為尼泊爾新圖巴尓恰克地區(qū)的震后場景，圖片來源@人民視覺）

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然而這樣的升級

并非一帆風順

擋在科學(xué)家面前的是

重重難關(guān) 

難關(guān)之一在于

衛(wèi)星如何布局

最適宜導(dǎo)航衛(wèi)星的軌道

是高度約20000千米的

中圓軌道

是實現(xiàn)全球覆蓋的最優(yōu)選擇

GPS等系統(tǒng)的衛(wèi)星便分布于此

（不同軌道類型及衛(wèi)星示意，制圖@陳思琦&陳隨/星球研究所）

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可是

中圓軌道衛(wèi)星

飛越目標區(qū)域的時間較短

這意味著

想要實現(xiàn)此區(qū)域的穩(wěn)定覆蓋

必須發(fā)射足夠多的衛(wèi)星

然而彼時

發(fā)射此類衛(wèi)星的技術(shù)

在我國還尚未成熟

倘若全部使用中圓軌道

無疑是充滿風險

為了短期內(nèi)實現(xiàn)目標

中國科學(xué)家另辟蹊徑

首次開創(chuàng)了“混搭”的衛(wèi)星布局方式

通過排兵布陣

14顆衛(wèi)星分布于三種軌道

除了4顆中圓軌道衛(wèi)星外

還有5顆傾斜同步軌道衛(wèi)星

保證信號對亞太地區(qū)的長時間覆蓋

5顆地球靜止軌道衛(wèi)星

實現(xiàn)此區(qū)域的全時段穩(wěn)定覆蓋

（傾斜同步軌道衛(wèi)星的運行周期和軌道高度與地球靜止衛(wèi)星相同。把傾斜同步軌道衛(wèi)星用于定位，屬于中國首創(chuàng)。下圖是北斗二號系統(tǒng)三種軌道的示意，制圖@鄭伯容/星球研究所）

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難關(guān)之二在于

精度如何提高 

電磁波以光速傳播

哪怕存在1納秒的時間誤差

產(chǎn)生的距離誤差也會有0.3米

所以衛(wèi)星導(dǎo)航定位的精確度

主要取決于衛(wèi)星上的原子鐘精度

以及衛(wèi)星、地面站、用戶之間的

時間同步

國際上通用的星載原子鐘

精度需要達到10-13

相當于每過10萬年才會產(chǎn)生1秒的誤差

而當時擁有此項技術(shù)的國家

僅有美國、俄羅斯和瑞士

（下圖為美國GPS衛(wèi)星的藝術(shù)想象圖，圖片來源@NASA）

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北斗一號所用的原子鐘

便是從瑞士進口

但到了北斗二號時

引進原子鐘的合作卻被迫中斷

所以

北斗二號要想順利完成

中國人必須爭分奪秒地

實現(xiàn)原子鐘的自主研制

（北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的衛(wèi)星與運載火箭，分別由中國航天科技集團有限公司所屬的中國空間技術(shù)研究院和中國運載火箭技術(shù)研究院研制生產(chǎn)，下圖為中國空間技術(shù)研究院的工作人員正在調(diào)試設(shè)備，攝影師@茍秉宸）

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時間的緊迫性遠不止于此

難度之三

便是衛(wèi)星

如何按時發(fā)射

根據(jù)國際電信聯(lián)盟的規(guī)則

衛(wèi)星運行的軌道和信號頻率

在使用前必須提前申請

且必須在申請通過后的7年內(nèi)

完成衛(wèi)星發(fā)射入軌和信號接收

否則相關(guān)資源會被回收

2000年4月18日

中國的申請獲得通過

這意味著在接下來的7年里

衛(wèi)星以及火箭必須做到萬無一失

（衛(wèi)星與火箭對接后的整流罩，因廣角拍攝，畫面的邊緣有拉伸變形，攝影師@南勇）

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科學(xué)家們夜以繼日地

反復(fù)實驗和測試

7年內(nèi)掌握相關(guān)衛(wèi)星技術(shù)

2年內(nèi)攻克原子鐘的難關(guān)

甚至僅用10多天

完成衛(wèi)星取出、測試、再到裝回等

一系列復(fù)雜操作

修復(fù)了臨發(fā)射前的突發(fā)故障

（衛(wèi)星的發(fā)動機出現(xiàn)故障，專家們在仔細檢查設(shè)備，其中從右邊起第二個人是北斗一號和二號系統(tǒng)的總設(shè)計師孫家棟院士，攝影師@南勇）

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2007年4月17日晚八點

當人們成功接收到信號時

距離軌道失效的截止時間

僅僅只剩下4個小時

至此

歷盡磨練、突破技術(shù)封鎖

一個覆蓋亞太地區(qū)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)就此建成

而距離實現(xiàn)全球?qū)Ш?/span>

只差最后一步

最后一步

將是一次全方位的升級

北斗三號衛(wèi)星

使用壽命從8年增至10年以上

其組成部件

全部實現(xiàn)中國造

其中原子鐘性能持續(xù)升級

精度已經(jīng)達到1000萬年差1秒

此時火箭技術(shù)

也已不再成為掣肘

一箭雙星的發(fā)射已經(jīng)“爐火純青”

2017年底發(fā)射1箭2星

2018年發(fā)射9箭17星

2019年發(fā)射6箭8星

2020年發(fā)射3箭3星

不到3年時間

30顆衛(wèi)星

以前所未有的速率

發(fā)射升空，完成組網(wǎng)

（2020年6月23日，北斗三號最后一顆全球組網(wǎng)衛(wèi)星發(fā)射升空，攝影師@史悅）

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于是

太空之中

3顆地球靜止軌道衛(wèi)星

分布在赤道正上空

3顆傾斜同步軌道衛(wèi)星

穩(wěn)定覆蓋亞太地區(qū)

24顆中圓軌道衛(wèi)星

則晝夜不停地圍繞地球奔跑

它們共同組成

一個龐大的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)

懸掛于太空

堪稱一張浩大的天網(wǎng)

從此

無論白天還是黑夜

無論身處地球的任何角落

人們抬頭便可以看見5-6顆北斗衛(wèi)星

全球覆蓋的目標

終于實現(xiàn)

（北斗三號系統(tǒng)運行示意，制圖@鄭伯容/星球研究所）

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這樣還不夠

當衛(wèi)星飛越中國境外時

在缺少地面控制指令的的情況下

衛(wèi)星無法保證在正常軌道運行

為此

人們在衛(wèi)星之間搭建起橋梁

彼此間能進行通信和測距

互相監(jiān)督、自動保持隊形

組成錯綜復(fù)雜的

星間鏈路

這大大減少了

系統(tǒng)對地面站的依賴

即使地面站點全部失效

北斗系統(tǒng)依然可以通過星間鏈路

保持自主運行長達60天之久

（星間鏈路示意，制圖@鄭伯容/星球研究所）

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同時

中國境內(nèi)的

地面之上

2700多個地面參考站點

和數(shù)個數(shù)據(jù)處理中心

也在中國大地上鋪展開來

組成一張地面數(shù)據(jù)加工網(wǎng)絡(luò)

即便衛(wèi)星信號受到

各種地形、建筑物遮擋和反射

也能提供額外的地面信息補充

人稱地基增強系統(tǒng)

（北斗地基增強系統(tǒng)包括框架網(wǎng)和區(qū)域加強密度網(wǎng)兩部分，其中框架網(wǎng)基準站共155個，區(qū)域加強密度網(wǎng)基準站超過2700個，下圖為框架網(wǎng)站點分布示意，制圖@王朝陽&鄭伯容/星球研究所）

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經(jīng)此修正和處理之后

整個系統(tǒng)的誤差一再減小

精度持續(xù)增加

可以是米級、分米級

甚至是厘米級、毫米級

可以精確到

建立電子圍欄

保證共享單車停在指定范圍內(nèi)

（湖北省襄陽市的一處共享單車臨時存放點，圖片來源@VCG）

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可以精確到

閱兵方陣中

各型裝備方隊等速行進

各個飛行梯隊米秒不差

距離誤差在正負10厘米以內(nèi)

（2019年9月23日，國慶閱兵預(yù)演時的飛行梯隊，攝影師@拾城 田衛(wèi)濤）

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可以精確到

監(jiān)測大壩、大橋等

工程的外觀變形

（請橫屏觀看，畫面左下方是中國第二大水電站溪洛渡水電站。目前已經(jīng)有超過150個監(jiān)測點安裝于水電站兩側(cè)的邊坡，并且不間斷提供毫米級精度的數(shù)據(jù)，以便及時發(fā)現(xiàn)安全隱患，攝影師@柴俊峰）

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此外

北斗芯片

可以植入手機

截至2019年第三季度

中國市場申請入網(wǎng)的400余款手機中

支持北斗導(dǎo)航的便有近300款

（司機正在使用手機導(dǎo)航，攝影師@任炳旭）

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可以裝備運輸工具

截至2019年12月

超過650萬輛營運車輛

4萬輛郵政和快遞車輛

3200多座內(nèi)河導(dǎo)航設(shè)施

2900余座海上導(dǎo)航設(shè)施

均已裝備北斗系統(tǒng)

成為全球最大的營運車輛動態(tài)監(jiān)管系統(tǒng)

（重慶市牛角沱輕軌站外，一輛公交車行使于高架橋上，攝影師@拾城 崔力）

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至此

天羅加地網(wǎng)組合而成

這便是北斗系統(tǒng)進化的終極形態(tài)

北斗三號

 2000-2020

從北斗一號的首星發(fā)射

到北斗三號的末星入軌

已是整整20年

20年間

面對重重困難

科學(xué)家們不曾退卻

他們步步為營，循序漸進

第一步，為中國

第二步，為亞太

第三步，為世界

今天

中國終于有了

自己的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

未來

它將向全世界開放

也會成為70多億人生活的一部分

（在電力線路中安裝北斗線路故障指示儀，準確發(fā)現(xiàn)事故地點，及時排除故障，減少停電時間。下圖為山谷中此起彼伏的輸電塔，攝影師@邱會寧）

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空氣中

行蹤不定的污染物

被納入環(huán)境監(jiān)測信息系統(tǒng)

從此將逃不過北斗的“慧眼”

（利用北斗系統(tǒng)可以獲取大氣污染物相關(guān)監(jiān)測點的實時位置，并利用北斗的通訊功能將信息發(fā)送至監(jiān)控中心。下圖為正在排放的工廠煙囪，作示意，攝影師@邱會寧）

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田地間

通過北斗系統(tǒng)與農(nóng)業(yè)器械的配合

可實時掌握耕種深度、行距等信息

令作業(yè)效率提高50%

產(chǎn)量提高5%-8%

（下圖為安裝有北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的播種機工作的場景，位于吉林省，攝影師@邱會寧）

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還有國境線上

山高、林密、谷深的惡劣環(huán)境

導(dǎo)致通訊設(shè)施無法全部覆蓋

而邊防官兵們憑借北斗系統(tǒng)

依然可以及時、穩(wěn)定地傳遞信息

（在手機基站等無法覆蓋的地區(qū)，北斗的定位和通信功能變得至關(guān)重要，下圖為邊防官兵在邊境巡邏，攝影師@李含軍）

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但是

這些還遠遠不夠

正如中國衛(wèi)星之父

北斗一號和二號系統(tǒng)的總設(shè)計師

孫家棟所說

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我們建設(shè)北斗關(guān)鍵還是在用，只有用得更加普及，更加深入，這才是贏家。

是的

科學(xué)家們排星布陣20年

終于織就一張“天羅地網(wǎng)”

中國自己的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

也終于從設(shè)想變?yōu)楝F(xiàn)實

而這

僅僅只是故事的開端

未來的每一天

才是中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

責任和使命的真正所在