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2020年6月23日9時43分，北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)第55顆衛(wèi)星搭乘長征三號乙運載火箭從西昌衛(wèi)星發(fā)射中心成功升空。自1994年開始預研的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)終于完成全部組網(wǎng)星座發(fā)射任務，正式建成！

圖片來源：央視新聞、我們的太空

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)（以下用北斗指代），將中國人千百年來“尋路靠北斗七星”的經(jīng)驗變成現(xiàn)實，也在方方面面徹底改變了中國人的生活方式。本文將圍繞關于北斗的十個經(jīng)典問題，詳細解讀這個宏大工程的意義。

一、為什么有GPS還要做北斗？

美國的GPS起步于70年代，經(jīng)過多年發(fā)展、尤其商業(yè)運作以后，已經(jīng)走入人們?nèi)粘Ｉ钪?。但是，它的本質(zhì)是軍用衛(wèi)星導航系統(tǒng)，隸屬于美國空軍，毫無疑問會時刻以本國利益為第一位。在實踐中，衛(wèi)星工程師不僅能在信號方面增加干擾、欺騙手段等，還能停掉某一地區(qū)的服務，芯片定價權(quán)和使用權(quán)限等也在他們手中。

例如，GPS開放民用服務后，普通用戶只能使用定位精度更差且增加了選擇可用性（干擾）的民用碼定位服務。2000年5月2日，為打壓俄羅斯GLONASS（格洛納斯，俄羅斯軍民兩用衛(wèi)星導航系統(tǒng)）的商業(yè)化空間，GPS系統(tǒng)選擇主動去掉干擾參與競爭，定位精度瞬間提高10倍以上。但這也意味著，它可以隨意恢復任何干擾、甚至徹底停止區(qū)域服務。這類事情在近些年印巴沖突、中東地區(qū)沖突中屢見不鮮。

當天06:00時GPS系統(tǒng)去除干擾后，定位精度大大提高（圖源：schlaggo.de）

GPS目前幾乎用在了美軍任何一種需要定位的武器中，民用方面也占據(jù)著全世界千億美元計的巨大市場。因而，無論是事關國家國防安全，還是導航應用市場的巨大商業(yè)利益，中國都必須擁有自己的衛(wèi)星導航系統(tǒng)，這個領域不會存在真正意義的國際合作。

目前，只有美國、俄羅斯、中國、歐盟先后建立了全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)，日本、印度建有區(qū)域衛(wèi)星導航系統(tǒng)，這幾個國家/地區(qū)都把相應系統(tǒng)作為發(fā)展中的重中之重，意義可見一斑。

二、為什么北斗有三種軌道？

美國、俄羅斯和歐洲的星座只部署在距離地球約20000千米的中遠地球軌道（MEO），以實現(xiàn)軌道周期（約12小時）與信號覆蓋范圍的最佳平衡。為達到全球任一點都能收到4顆衛(wèi)星信號以實現(xiàn)定位授時的目標，至少需要24顆衛(wèi)星保證服務質(zhì)量。

日本和印度星座僅服務本國，選擇了軌道周期與地球自轉(zhuǎn)同步的軌道，距離地面35786千米，從地面觀測相對穩(wěn)定。其中，日本QZSS高度依賴美國GPS系統(tǒng)，使用至少3顆衛(wèi)星運行在傾斜地球同步軌道（IGSO），保障日本高緯度地區(qū)和城市高樓林立環(huán)境下的使用。印度由于更加靠近赤道，在IGSO之外還使用了定位于赤道上空的靜止/同步地球軌道（GEO）。

北斗衛(wèi)星軌跡在地面投影：藍色8字形軌跡為IGSO衛(wèi)星，紅色定點為GEO衛(wèi)星，綠色為MEO衛(wèi)星（未全部展示所有衛(wèi)星，圖源：doi.org/10.1038/srep04692）

而對于北斗而言，“小孩子才做選擇，我全都要”！北斗兼具了MEO、GEO和IGSO三種軌道。MEO(傾角55度、高21500千米)，保證全球高精度定位。主要運行在亞太地區(qū)的GEO（傾角0度，高35786千米）和IGSO（傾角55度，高35786千米）則保證亞太和“一帶一路”地區(qū)更高精度定位。

三、為什么北斗有一號、二號、三號？

衛(wèi)星導航系統(tǒng)是一個龐大的工程，它是大型航天載荷發(fā)射技術(shù)、大型星座運營維護技術(shù)、高水平通用導航衛(wèi)星平臺研發(fā)技術(shù)、無線電遠距離通訊技術(shù)、高精度星載原子鐘技術(shù)等諸多高精尖技術(shù)的集大成者，門檻極高，其中任何一項都面臨嚴苛的技術(shù)封鎖。但困難從來都不是“造不如買”的借口，從1994年開始，中國航天人一步一個腳印，篳路藍縷……攻堅克難啃硬骨頭，把整個北斗建設過程分成了三步走策略，也就對應北斗一號、二號和三號。

北斗一號主要是試驗系統(tǒng)。在2000-2007年間發(fā)射了4顆試驗性質(zhì)衛(wèi)星，全在地球靜止軌道，它以區(qū)域測試服務為主要目標，目前已全部退役，不算入正式星座。

北斗二號主要是區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)。在2007-2019年間共計發(fā)射了20顆（包含備份星），8顆為GEO衛(wèi)星、7顆為IGSO衛(wèi)星，主要服務亞太。5顆為MEO衛(wèi)星，僅能提供有限的全球覆蓋。系統(tǒng)總體上服務于亞太地區(qū)。

北斗星座示意圖（圖源：北斗辦）

北斗三號是全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)。從2015年至今共計發(fā)射了35顆，其中5顆為測試性質(zhì)，不提供服務。正式星座中，3顆為GEO衛(wèi)星，3顆為IGSO衛(wèi)星，24顆為MEO衛(wèi)星，向全球提供高精度、全天候、全天時的導航定位授時服務。

于此同時，衛(wèi)星平臺也在不斷大幅改進，不同北斗衛(wèi)星（包含試驗星）在東方紅3號等衛(wèi)星平臺基礎上反復改進，演化出了10余個版本，難度可想而知。目前北斗二號大部分衛(wèi)星依然在正常工作中，因而實際處在運行狀態(tài)的北斗星座超過40顆，大幅超過了GPS的32顆，未來隨著北斗二號部分衛(wèi)星逐漸退役，總數(shù)會降低，但會維持在30顆以上。

四、為什么北斗都用長征三號系列火箭發(fā)射？

長征三號系列火箭是我國的王牌火箭，最大特點是第三級采用了比沖（衡量發(fā)動機的指標，越大越好）更高的液氧液氫發(fā)動機，因而它也是長征火箭家族用于發(fā)射更高更遠任務的專屬火箭，例如嫦娥、風云（二/四）、各種通訊衛(wèi)星等，北斗家族同樣如此。

從左至右：長征三號基本型、甲型、乙型和丙型火箭對比（圖改自：GW_Simulations）

經(jīng)過多年成熟發(fā)展，長征三號火箭形成了四種主要構(gòu)型，基本型已于2000年退役。目前現(xiàn)有長征三號甲、乙和丙三種主要型號服役，以及近10種改進版本。相比較長三甲，長三乙/丙增加了助推器，且做了大幅升級，能力更強。其中長三乙不僅攜帶了4個助推器（長三丙2個）、還可攜帶遠征上面級，能夠執(zhí)行北斗一箭兩星任務，能力最強。北斗所有發(fā)射任務中，長三乙實現(xiàn)了15次一箭兩星任務，運送了30顆衛(wèi)星入軌，可以說是王牌中的王牌！

五、為什么北斗能服務無限個用戶？

北斗三號是一種無源定位系統(tǒng)，每一顆導航衛(wèi)星的本質(zhì)就是告訴你這么一個事情：現(xiàn)在幾點了（時間ts），我在哪里（xs，ys，zs）。當你（接收機）收到信號時，可以通過比對，得到接收機上時間與接收到的衛(wèi)星信息顯示時間之間的差值，這個差值乘以光速就是你和衛(wèi)星之間的距離。還有一個方法是數(shù)中間隔了多少個信號波長。衛(wèi)星由于有專門的科學家維持，它的位置極其精確，誤差在1厘米級別；衛(wèi)星上搭載的鐘是原子鐘，幾百萬年才可能錯1秒，因此，它的所有信息幾乎可以被認為無誤差。

那么你只需要解出四個參數(shù)：在地球上的三維坐標x，y，z和鐘差t（畢竟用戶的石英鐘不可能和原子鐘精度相比，需要把它的誤差做一個未知數(shù)解出來）。觀測到四個衛(wèi)星，就可以構(gòu)建四個方程，解出四個未知數(shù)。

用戶只需接收到四顆衛(wèi)星信號，即可精確確定自身位置和時間（圖源：doi.org/10.9790/0661-17333441）

所以，對衛(wèi)星而言，永遠只做一件事情：往地面發(fā)信號，一直在說我在哪兒，幾點了，衛(wèi)星不需要做任何輔助你的計算。用戶只要能收到信號進行解算即可，與這些衛(wèi)星沒有任何交流，也不消耗它們?nèi)魏我唤z能量，這也就意味著，理論上用戶量是無限的。而且，每一位用戶都可以享受米級定位精度和納秒級授時精度。

2020年6月14日全球可以看見的北斗衛(wèi)星數(shù)量分布圖，可以看出能實現(xiàn)全球定位（>3），且亞太地區(qū)數(shù)量更大、定位精度更高（圖源：北斗辦）

六、北斗有哪些特色絕活？

北斗有一系列特色技術(shù)，舉三個小例子。

星間鏈路技術(shù)，各個衛(wèi)星之間可以彼此通信聯(lián)絡。這樣僅需在中國境內(nèi)對衛(wèi)星進行主控、監(jiān)控和信息注入，既解決了全球建站安全性的問題，也可以降低運營成本，衛(wèi)星之間可以互為校正，也有助于提高服務質(zhì)量，增強抗干擾能力。

2008年汶川地震災難時，15勇士在通信完全中斷的情況下完成了“驚天一跳”，他們就帶有北斗系統(tǒng)接收機（圖源：央視網(wǎng)）

短報文系統(tǒng)，通過衛(wèi)星實現(xiàn)天地雙向通信，而其他幾個系統(tǒng)僅能單向接收衛(wèi)星信號。這意味著衛(wèi)星可以向擁有此項授權(quán)服務的接收機發(fā)送專屬訊息，特殊環(huán)境（大洋，荒漠，深山、極地）、災難救援和軍用環(huán)境下價值意義巨大。

部分北斗衛(wèi)星還攜帶了國際Cospas-Sarsat衛(wèi)星輔助搜索和應急救援計劃的有效載荷，在發(fā)生緊急情況時，可以參與國際合作的應急救災工作中。

七、北斗能怎樣服務于國防安全？

GPS系統(tǒng)的出現(xiàn)，為人類戰(zhàn)爭史貢獻了幾個新詞“外科手術(shù)式精準打擊”、“定點清除”、“斬首行動”。在1990年的海灣戰(zhàn)爭中，GPS精密制導武器嶄露頭角，后來又在科索沃戰(zhàn)爭、阿富汗戰(zhàn)爭、伊拉克戰(zhàn)爭和利比亞戰(zhàn)爭中反復出現(xiàn)，不斷震驚世人。最典型的例子是原本需要數(shù)十架轟炸機、投彈數(shù)百噸、極度危險逼近才能完成的轟炸任務，現(xiàn)在采用數(shù)百公里外導彈突襲和高精度打擊即可。目前，美軍除了子彈以外，幾乎所有會動的武器、裝備、士兵都攜帶了GPS定位模塊。

依賴GPS的聯(lián)合直接攻擊彈藥（JDAM）是“外科手術(shù)式打擊”著名武器（開放版權(quán)）

而GPS系統(tǒng)又是極其容易制造干擾和欺騙的，甚至能整體關閉區(qū)域服務。GPS新一代的Block-IIIA衛(wèi)星就大大增強了抗干擾能力，也提升了控制信號發(fā)送能力。一旦進入戰(zhàn)時，只要完全切斷對手長期依賴的GPS服務，戰(zhàn)爭自然進入信息不對稱階段。

因而，北斗的建成，意味著我們不僅能做所有GPS能做的事情，還能完全不受制于人，對國防安全的意義重要到無法形容。

八、北斗能怎樣服務于科學研究？

北斗最大的特點是高精度授時和定位，對于科學應用而言，高精度接收機可以利用載波相位信號和差分技術(shù)等輕松實現(xiàn)厘米級定位精度和毫米級基線精度。筆者從事低軌衛(wèi)星精密定軌技術(shù)研究，本質(zhì)就是用星載的接收機給衛(wèi)星確定位置，也可以實現(xiàn)1厘米級定軌精度。在高精度衛(wèi)星軌道的輔助下，衛(wèi)星上的精密儀器也可以大展身手。因此，衛(wèi)星導航系統(tǒng)的出現(xiàn)，使得人類對地球重力場、地球磁場、大陸板塊運動、地球自轉(zhuǎn)、海洋潮汐、冰川極地、自然災害等地球科學的研究達到了前所未有的高度。

利用衛(wèi)星導航系統(tǒng)對低軌衛(wèi)星精密定軌已成為科學衛(wèi)星應用的常態(tài)（圖源：ESA）

除了助力地球科學的研究，在其他領域，北斗也有極大的促進作用。例如，衛(wèi)星信號需要穿過復雜的電離層和對流程等抵達地面，北斗更是有三個主要頻率，每種信號受到的影響不同。當它們集合在一起，就提供了能幫助大氣研究的海量信息。再例如，北斗的高精度原子時，可以用來同步大型科學試驗，精準授時。除此之外，北斗還會帶動一系列通訊、電子、芯片等產(chǎn)業(yè)的大發(fā)展，促進多個行業(yè)的科學研究。

九、北斗能怎樣服務于普通大眾？

普通人的生活已經(jīng)離不開導航衛(wèi)星了，北斗也在迅速融入，為大家提供更好的服務。最典型的莫過于定位服務，例如地圖導航、共享單車/打車、快遞查詢等，徹底改變了現(xiàn)代人類的生活。

依賴衛(wèi)星導航的無人機和農(nóng)用機械已經(jīng)在逐步顛覆傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)形式（圖源：Pixabay）

交通系統(tǒng)高精度時刻表、國家大型電網(wǎng)輸電、金融系統(tǒng)超高頻交易、通訊終端永遠準確的時間，都有北斗原子鐘的身影。大型基建工程，高鐵、大橋、機場建設，都需要北斗定位。農(nóng)林牧漁，交通運輸、水文監(jiān)測、氣象預報、地理測繪、森林防火、電力調(diào)度、救災減災、應急搜救，面積測算等，都需要高精度衛(wèi)星定位服務。而目前很多新技術(shù)，例如自動駕駛、無人碼頭，自動化農(nóng)業(yè)，無人機植保等，也離不開北斗的強大支撐。

十、北斗的未來是什么？

北斗在完全建成之后，將會繼續(xù)保持一定頻率的衛(wèi)星發(fā)射活動，以替換逐漸退役的老衛(wèi)星，常態(tài)維持至少30顆的全球服務星座。北斗衛(wèi)星也將不斷升級，提供更好的定位服務。與此同時，在低軌（數(shù)百千米高軌道）可以建設導航增強星座，在地面、尤其是城市高樓林立環(huán)境中，可以建設輔助站點，最終實現(xiàn)實時動態(tài)厘米級定位精度，大大提高北斗的定位精度，實現(xiàn)空天地信息一體化。

在備受關注的商業(yè)方面，隨著人類社會對物流和定位的需求越來越高，北斗的商業(yè)應用價值也會被極大開發(fā)。按照歐洲全球定位研究中心的估計，2025年左右世界范圍內(nèi)的衛(wèi)星導航定位設備需求量將超過92億部，年產(chǎn)值將超過2680億歐元，這是個海量的市場，其中亞太市場的增長速度更將傲視全球，年增速可以達到40%以上。在這片紅海中，北斗無疑是最有潛力狙擊GPS系統(tǒng)的一個。規(guī)?；膽脮蠓档陀布召M水平，進一步確定商業(yè)市場領先優(yōu)勢，從而形成正循環(huán)，最終達到一個理想的狀態(tài)——實現(xiàn)系統(tǒng)長盛不衰的同時依然能快速迭代。

人類已經(jīng)進入衛(wèi)星導航的時代，且永遠無法離開導航衛(wèi)星了。

*作者：太空精釀

*本文由科普中國融合創(chuàng)作出品，太空精釀制作，中國科學院計算機網(wǎng)絡信息中心監(jiān)制，“科普中國”是中國科協(xié)攜同社會各方利用信息化手段開展科學傳播的科學權(quán)威品牌。