卫星定位
早在20世纪90年代初，孙家栋就意识到国家发展卫星导航定位系统的重要性，他与时任国防科工委副主任沈荣骏中将探讨这一问题时，两人竟不谋而合都正在思考着这一对国家安危具有重要意义的课题。这两位具有强烈责任感的时任主管部门领导敏锐地分析后认为，一个快速发展的强大国家，拥有自主知识产权、独立自主控制的卫星导航定位系统，对国家安全、对军队保障非常重要。它的价值和利害关系是无法用普通数字衡量的，对民间应用市场的经济价值在当时也是无法准确估算的。为此，沈荣骏与孙家栋就联名致信中央军委委员、总装备部时任部长曹刚川，阐明了他们对国家发展卫星导航系统重要意义的分析以及实现方法和途径的建议。曹刚川对此予以高度重视和支持，有效地推动了中国卫星导航系统工作的开展。沈荣骏与孙家栋的建议虽然在当时的学术界也引起不同意见和争议，但随着论证的深入，争议的焦点也逐步明确，为工程实施起到了积极作用。
中国北斗卫星导航系统（BDS——BeiDouNavigationSatelliteSystem)，是中国自主建设、独立运行，与世界其他卫星导航系统兼容共用的全球卫星导航系统。系统建成投入运营，可在全球范围内全天候、全天时，为各类用户提供高精度、高可靠的定位、导航、授时服。系统由空间段、地面段和用户终端三部分组成。空间段包括5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星。地面段包括主控站、注入站和监测站等若干个地面操作控制站组成。用户终端由北斗用户终端以及与美国全球定位系统、俄罗斯格洛纳斯系统、欧洲伽利略系统等其他卫星导航系统兼容的终端组成。
1994年12月，孙家栋被任命为“北斗导航试验卫星”工程总设计师，系统的研制、建设全面启动。2000年随着第一步计划的顺利完成，工程由第一步的试验阶段正式转入第二步应用实施阶段。2004年5月，孙家栋被正式任命为“北斗第二代导航卫星”工程总设计师。孙家栋指出：“全球卫星导航系统已成为经济社会不可或缺的空间信息基础设施，它将惠及人类生活和经济发展。”
战略上宏伟、超前，战术上细致、缜密。孙家栋从北斗工程一开始就紧紧盯住卫星网络和用户终端市场同步协调与相互促进，他就是这么一个拿得起、放得下，具有大智慧的人。
在北斗导航卫星工程建设期间，孙家栋始终按照国家科技重大专项发展战略，把握各系统间的协调性、前瞻性和科学性，在完成眼前每一项具体工作的同时，尽可能地为后续发展留有充分空间。孙家栋用以下三点来概括具有中国特色的北斗导航系统：第一点，发展这样一个大型的工程，从它一起步就要确立三步走发展战略规划，既结合当时的实际情况，又要有一个长远的目标。第二点，有一个非常重要的中间环节，那就是建设区域导航系统，这是我们的一个非常大的特色。世界上各个国家、各组织，美国也好，欧洲也好，俄罗斯也好，一开始就是全球的，当然他们是根据他们国家的经济建设特点来确定的。第三点，北斗有一个短报文通信功能，非常巧妙地把导航定位和信息传递这两个功能结合起来。执行任过程中定位者和指挥者之间变被动联系为主动联系，这个效果是非常好的。
针对今后北斗导航卫星工程的发展，孙家栋指出：“国家投入巨资，建起北斗导航卫星网络，现在向亚太地区，将来向全球发送免费信号、提供免费服，而可望回收效益的终端接收设备市场如果被国外抢占了，那将是我们很大的失误。形象点说，也就是我们免费提供的网络和信号，却让别人赚走了大把大把的钱。一定不能出现这种状况，一定要想办法在未来终端产品环节投入更多力量，要花大气力研究开发全球不同情况、不同状态的终端接收设备和产品，这个问题从工程实施一开始就应当给予高度重视。”
目前，第二步的目标已经实现。然而，从现在起到2020年，仅仅只有8年时间，孙家栋勉励年轻一代首先要树立信心。要认识到，在如此短的时间内建成全球系统，不仅需要精锐的科技人才队伍，需要强大的资金支持，而且需要克服和解决许多系统间可能出现的问题。
惊心动魄
北斗卫星的每次发射都牵动着总设计师孙家栋的心。2000年10月31日，“长征三号甲”运载火箭将第一颗北斗导航试验卫星发射送入地球同步轨道。仅仅时隔50天，2000年12月21日，第二颗北斗导航试验卫星也用“长征三号甲”运载火箭发射送入地球同步轨道。至此，标志着我国将拥有了自主研制的第一代卫星导航定位系统。这个系统能够全天候、全天时提供卫星导航信息，主要为公路交通、铁路运输、海上作业等领域提供导航服。这个系统的投入使用，不仅可以满足国内卫星导航需求，对我国经济建设起到积极推动作用；而且使我国成为继美、俄之后世界上第三个拥有自主卫星导航系统的国家。
2003年5月25日和2007年2月3日第三颗和第四颗北斗导航试验卫星相继发射升空，作为第一代卫星导航轨道替补和备份。
国家总体实力的提升和航天产业的快速发展加速了北斗导航系统的建设。自2007年4月14日第一颗北斗二代卫星发射升空，至2012年10月25日，在短短的5年内便将16颗卫星全部布置在广袤太空的预定轨道。
2010年一年间便有5颗北斗导航卫星成功发射。
2011年8个月间又有3颗北斗导航卫星在太空安家落户。
2012年的8个月内更有6颗卫星在太空开始了为亚太地区的造福行动。8个月内四次发射，其中两次都是采用一箭双星的发射方式，发发成功。
说起北斗导航卫星系统的建设历程，说到北斗导航卫星的发射，孙家栋如数家珍，慈祥、兴奋的面部一副兴高采烈、喜上眉梢的表情。
然而，每一次重大节点跨越的历程都有无数的艰难险阻，每一次成功的背后都会出现惊心动魄的历练。这一次次艰难险P且和惊心动魄的降临都难以预料，都不以人的意志为转移，不仅是对所有研制、试验人员的考验，更是增添了孙家栋这位总设计师肩上的重担和责任。
2007年2月3日子夜，这个钟点正是人们生物钟昏昏欲睡的时间，但孙家栋肩上的北斗重担已悄悄地将他身体的睡眠生物钟调整为兴奋状态，坐落在发射台上的“长征三号甲”运载火箭、火箭顶端的第四颗北斗导航试验卫星以及一直延伸到太平洋的测量控制系统全部进入发射前的紧张状态，孙家栋的精神虽然兴奋，但他的心底却很沉稳，因为火箭起飞前地面所有重要的技术状态检测结果和疑点他做到了胸中有数。当然，火箭发射不论是孙家栋，所有参加发射任人员的内心都不可能轻松，科学试验总有人们经验不足、状态不同、认识不到的偶然情况。零时28分，火箭托举着卫星起飞了。约24分钟后，星箭分离，西安卫星测控中心传来的数据表明，卫星准确进入预定轨道。这是中国航天2007年的第一次卫星发射，也是“长征”系列运载火箭的第95次飞行。
但是，当人们还未从发射成功的喜悦中平静下来的时候，西安卫星测控中心技术人员分析测量数据发现，卫星发射入轨后不久，卫星上的太阳能帆板出现故障，造成卫星失去控制，卫星消失在茫茫太空之中。此时卫星所处太空环境温度在-100T左右，没有电能，卫星内部的加热设备不能正常工作，卫星内部不能维持必要的环境温度，卫星极有可能会被冻坏，失去动力的卫星能否经受住复杂而恶劣的太空环境考验！
孙家栋的大脑神经一下子紧张起来，他立即召集科研人员分析研究，随即按照讨论的决策着手地面模拟试验。
科研人员计算推断，卫星按照目前的巡航状态，大约10天左右时能够使已经展开的太阳能帆板具有一定的太阳光入射角，卫星若能利用这点太阳光入射角获得一定能量，地面便有可能接收到卫星上发来非常有价值的遥测数据，这样便可以根据实测数据模拟卫星在轨状态，准确制定卫星的抢修和恢复方案。
时间在人们焦急等待中一天天过去，奇迹在此时发生了！远望号测量船在对卫星的严密监测中率先接收到卫星传来的遥测信号，接着，有关测控站也相继收到卫星的遥测数据。与人们捉迷藏似的消失了十几天的卫星，重新回到科研人员的掌控之中。此时正是中国传统春节的除夕，孙家栋率领科研人员顾不得春节假日，很快根据卫星的实测数据制定出抢修实施方案。航天研究所的科研人员与西安卫星测控中心的科技人员紧密配合，测控站严密监测，及时提供技术数据，科研人员立即进行地面模拟验证、状态复査。科研人员也很快发现，由于此时卫星所处轨道每天都在下降，他们及时将这一情况向工程总设计师孙家栋做了汇报，孙家栋果断决定提前对卫星实施发动机点火变轨。
西安卫星测控中心接到命令后，向卫星首次发出了发动机点火指令，卫星接收指令正确，准确完成变轨，成功进入新轨道，避免了卫星坠入大气层的危险。
4月11日，经过航天科研人员与西安卫星测控中心60天的联合奋战，他们攻克多项技术难关，第四颗北斗导航试验卫星故障已被排除，卫星运行姿态良好，星上仪器工作正常，已转入在轨长期管理。中国航天人又一次创造了奇迹！孙家栋疲惫的脸上又一次露出慈祥的笑容。
2007年4月14日发射第一颗北斗导航卫星时，是中国长征系列运载火箭的第97次飞行，到2011年7月27日发射第九颗北斗导航卫星时，已经是长征系列运载火箭的第141次飞行。中国航天在短短4年间就成功发射了44颗不同种类、不同型号的应用卫星，这在国际航天史上当属领先。但是，高密度、常态化的卫星发射，对航天科技人员的考验也将更高、更严。孙家栋感慨道：“自我国实施载人航天工程之后，对整个航天系统产品质量的提高、协调合作等有着非常大的帮助，这对北斗导航卫星工程的建设起到非常大的作用。载人航天工程因为关系着航天员的生命安全，所以对系统可靠性要求非常高，进而带动了整个航天系统的产品质量提升，对导航卫星工程的技术可靠性也起到了促进作用。从这点也可以看出，载人航天工程实施的意义是非常重大的。但卫星发射数量的增加，也绝对增加了广大科技人员的压力。”
孙家栋担任中国北斗导航卫星工程总设计师以来，在西昌发射现场参加组织指挥了14次北斗卫星发射，每次发射至少要亲临西昌卫星发射现场两次。自2007年4月14日发射第一颗北斗导航卫星以来，在短短5年多时间里，为了北斗导航卫星工程运载火箭、卫星、发射场、测控通信、地面应用这五大系统间的技术难关协调，测试疑点分析协调，研制进度协调，技术状态协调，技术变更协调……作为工程五大系统总总师（五大系统中每一个分系统都有总设计师，孙为工程总设计师统管五大系统的总设计师，人们习惯称其为总总师），每当大的工程计划实施中大的节点，他都会亲临现场。在此期间，他从北京飞向这里、飞往那里，单纯前往西昌指挥、决策“通信卫星”“气象卫星”“北斗导航卫星”“探月卫星”等数十颗卫星发射，空中飞人似的在空中穿梭飞翔足足超过100次。如果西昌机场举办年龄最大、进出最多乘客的评选活动，孙家栋绝对可被评为“冠军”“榜首”“第一名”！不过，要说第一名，孙家栋的第一名可就太多了。
孙家栋频繁进入卫星发射中心，卫星发射让他与发射中心结下了深厚的感情。发射场的领导和技术人员认为孙家栋既是总设计师，也是忘年交朋友，既是老师，也是领导，更重要的一点，孙家栋是当今中国航天界泰斗级的科学家，他在发射现场坐镇，大家心里更为踏实。
2011年7月27日，中国第九颗北斗导航卫星按计划执行发射任。凌晨4时，离预定发射时间已经不足两小时，火箭已经进入不可逆转的倒计时程序。但此时发射场漆黑的夜空乌云低沉，伴随着闪电袭来的滚滚雷声一阵阵划破发射场上空，滂沱大雨从黑压压的空中向发射场倾泻。孙家栋与西昌卫星发射中心主任李尚福、党委书记孙保卫在发射指挥控制室紧张地等候“老天爷”出现转机。作为发射中心的最高领导，孙家栋非常相信他们的决策指挥能力。西昌地区极为复杂的气象条件，尤其雷雨季节的恶劣天气严重制约了发射任的实施，而2011年连续7次频繁发射却回避不了这个雨季难关。发射场等待发射的火箭、卫星，航区数个测量控制站以及远在太平洋的航天测量船全部随着标准时钟每一秒、每一秒倒计时递减。怎么办！
天上顶着雷声和暴雨！
倒计时！
发射窗口！
不可逆！
这既是一种历史的考验又是一个现实的重任，千斤重担沉甸甸地压在发射指挥室的各位指挥决策者的头上，更是压在发射中心主任李尚福的肩上。李尚福虽然面部沉稳，但国家的大型航天任让他内心异常沉重。当发射中心主任的眼神与总设计师的眼神相对的一瞬间，却有一种倍增的互相鼓舞。
此时，气象部门送来发射场上空的实时云图，训练有素的气象专业人员向李尚福汇报，根据雷电云层的变化趋势和移动速度，两大云团大约在5点到6点间会在发射场上空产生一个缝隙。李尚福的大脑瞬间快速运转，他凭借在西昌发射场30年参加指挥70次发射任的经验和科学的判断，语调不高但沉着而果断地下达进入发射程序的命令。尽管发射控制室外雷声依然隆隆作响，大雨噼里啪啦倾泻而下，但发射场各个岗位井然有序。阴沉的清晨正是人们梦乡时刻，而孙家栋和他身边的指挥人员大脑高度紧张，个个精神十足。
5时44分28秒，指挥员一声“点火”号令，“长征三号甲”运载火箭在稀稀拉拉的雨水中喷出耀眼的烈焰，这条呼啸的火龙托举着中国第九颗北斗导航卫星从两块雷电积雨云的缝隙中神话般地稳稳升空，片刻，两块云团汇集一起又是雷声大作，暴雨狂倾，但火箭已经穿过云端愈来愈快地向太空预定转移轨道飞驰。发射任获得圆满成功。
卫星发射受诸多原因影响设定的发射窗口是人们熟知的，但在发射窗口内抢占雷电窗口则闻所未闻，在雷电间隙成功发射卫星，在中国乃至世界航天史上也是难以想象的。美国“发现号”“奋进号”航天飞机因为天气原因曾数次推迟发射。
