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

圖片來(lái)源：央視新聞、我們的太空

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（以下用北斗指代），將中國(guó)人千百年來(lái)“尋路靠北斗七星”的經(jīng)驗(yàn)變成現(xiàn)實(shí)，也在方方面面徹底改變了中國(guó)人的生活方式。本文將圍繞關(guān)于北斗的十個(gè)經(jīng)典問(wèn)題，詳細(xì)解讀這個(gè)宏大工程的意義。

一、為什么有GPS還要做北斗？

美國(guó)的GPS起步于70年代，經(jīng)過(guò)多年發(fā)展、尤其商業(yè)運(yùn)作以后，已經(jīng)走入人們?nèi)粘Ｉ钪小５牵谋举|(zhì)是軍用衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，隸屬于美國(guó)空軍，毫無(wú)疑問(wèn)會(huì)時(shí)刻以本國(guó)利益為第一位。在實(shí)踐中，衛(wèi)星工程師不僅能在信號(hào)方面增加干擾、欺騙手段等，還能停掉某一地區(qū)的服務(wù)，芯片定價(jià)權(quán)和使用權(quán)限等也在他們手中。

例如，GPS開放民用服務(wù)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(wù)。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(dǎo)航系統(tǒng)）的商業(yè)化空間，GPS系統(tǒng)選擇主動(dòng)去掉干擾參與競(jìng)爭(zhēng)，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(fù)任何干擾、甚至徹底停止區(qū)域服務(wù)。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(dāng)天06:00時(shí)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(jì)的巨大市場(chǎng)。因而，無(wú)論是事關(guān)國(guó)家國(guó)防安全，還是導(dǎo)航應(yīng)用市場(chǎng)的巨大商業(yè)利益，中國(guó)都必須擁有自己的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，這個(gè)領(lǐng)域不會(huì)存在真正意義的國(guó)際合作。

目前，只有美國(guó)、俄羅斯、中國(guó)、歐盟先后建立了全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，日本、印度建有區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，這幾個(gè)國(guó)家/地區(qū)都把相應(yīng)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(guó)、俄羅斯和歐洲的星座只部署在距離地球約20000千米的中遠(yuǎn)地球軌道（MEO），以實(shí)現(xiàn)軌道周期（約12小時(shí)）與信號(hào)覆蓋范圍的最佳平衡。為達(dá)到全球任一點(diǎn)都能收到4顆衛(wèi)星信號(hào)以實(shí)現(xiàn)定位授時(shí)的目標(biāo)，至少需要24顆衛(wèi)星保證服務(wù)質(zhì)量。

日本和印度星座僅服務(wù)本國(guó)，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(cè)相對(duì)穩(wěn)定。其中，日本QZSS高度依賴美國(guó)GPS系統(tǒng)，使用至少3顆衛(wèi)星運(yùn)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(lán)色8字形軌跡為IGSO衛(wèi)星，紅色定點(diǎn)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(duì)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(yùn)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(hào)、二號(hào)、三號(hào)？

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是一個(gè)龐大的工程，它是大型航天載荷發(fā)射技術(shù)、大型星座運(yùn)營(yíng)維護(hù)技術(shù)、高水平通用導(dǎo)航衛(wèi)星平臺(tái)研發(fā)技術(shù)、無(wú)線電遠(yuǎn)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(xiàng)都面臨嚴(yán)苛的技術(shù)封鎖。但困難從來(lái)都不是“造不如買”的借口，從1994年開始，中國(guó)航天人一步一個(gè)腳印，篳路藍(lán)縷……攻堅(jiān)克難啃硬骨頭，把整個(gè)北斗建設(shè)過(guò)程分成了三步走策略，也就對(duì)應(yīng)北斗一號(hào)、二號(hào)和三號(hào)。

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

北斗二號(hào)主要是區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)。在2007-2019年間共計(jì)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(wù)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(wù)于亞太地區(qū)。

北斗星座示意圖（圖源：北斗辦）

北斗三號(hào)是全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。從2015年至今共計(jì)發(fā)射了35顆，其中5顆為測(cè)試性質(zhì)，不提供服務(wù)。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(shí)的導(dǎo)航定位授時(shí)服務(wù)。

于此同時(shí)，衛(wèi)星平臺(tái)也在不斷大幅改進(jìn)，不同北斗衛(wèi)星（包含試驗(yàn)星）在東方紅3號(hào)等衛(wèi)星平臺(tái)基礎(chǔ)上反復(fù)改進(jìn)，演化出了10余個(gè)版本，難度可想而知。目前北斗二號(hào)大部分衛(wèi)星依然在正常工作中，因而實(shí)際處在運(yùn)行狀態(tài)的北斗星座超過(guò)40顆，大幅超過(guò)了GPS的32顆，未來(lái)隨著北斗二號(hào)部分衛(wèi)星逐漸退役，總數(shù)會(huì)降低，但會(huì)維持在30顆以上。

四、為什么北斗都用長(zhǎng)征三號(hào)系列火箭發(fā)射？

長(zhǎng)征三號(hào)系列火箭是我國(guó)的王牌火箭，最大特點(diǎn)是第三級(jí)采用了比沖（衡量發(fā)動(dòng)機(jī)的指標(biāo)，越大越好）更高的液氧液氫發(fā)動(dòng)機(jī)，因而它也是長(zhǎng)征火箭家族用于發(fā)射更高更遠(yuǎn)任務(wù)的專屬火箭，例如嫦娥、風(fēng)云（二/四）、各種通訊衛(wèi)星等，北斗家族同樣如此。

從左至右：長(zhǎng)征三號(hào)基本型、甲型、乙型和丙型火箭對(duì)比（圖改自：GW_Simulations）

經(jīng)過(guò)多年成熟發(fā)展，長(zhǎng)征三號(hào)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(zhǎng)征三號(hào)甲、乙和丙三種主要型號(hào)服役，以及近10種改進(jìn)版本。相比較長(zhǎng)三甲，長(zhǎng)三乙/丙增加了助推器，且做了大幅升級(jí)，能力更強(qiáng)。其中長(zhǎng)三乙不僅攜帶了4個(gè)助推器（長(zhǎng)三丙2個(gè)）、還可攜帶遠(yuǎn)征上面級(jí)，能夠執(zhí)行北斗一箭兩星任務(wù)，能力最強(qiáng)。北斗所有發(fā)射任務(wù)中，長(zhǎng)三乙實(shí)現(xiàn)了15次一箭兩星任務(wù)，運(yùn)送了30顆衛(wèi)星入軌，可以說(shuō)是王牌中的王牌！

五、為什么北斗能服務(wù)無(wú)限個(gè)用戶？

北斗三號(hào)是一種無(wú)源定位系統(tǒng)，每一顆導(dǎo)航衛(wèi)星的本質(zhì)就是告訴你這么一個(gè)事情：現(xiàn)在幾點(diǎn)了（時(shí)間ts），我在哪里（xs，ys，zs）。當(dāng)你（接收機(jī)）收到信號(hào)時(shí)，可以通過(guò)比對(duì)，得到接收機(jī)上時(shí)間與接收到的衛(wèi)星信息顯示時(shí)間之間的差值，這個(gè)差值乘以光速就是你和衛(wèi)星之間的距離。還有一個(gè)方法是數(shù)中間隔了多少個(gè)信號(hào)波長(zhǎng)。衛(wèi)星由于有專門的科學(xué)家維持，它的位置極其精確，誤差在1厘米級(jí)別；衛(wèi)星上搭載的鐘是原子鐘，幾百萬(wàn)年才可能錯(cuò)1秒，因此，它的所有信息幾乎可以被認(rèn)為無(wú)誤差。

那么你只需要解出四個(gè)參數(shù)：在地球上的三維坐標(biāo)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(gè)未知數(shù)解出來(lái)）。觀測(cè)到四個(gè)衛(wèi)星，就可以構(gòu)建四個(gè)方程，解出四個(gè)未知數(shù)。

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

所以，對(duì)衛(wèi)星而言，永遠(yuǎn)只做一件事情：往地面發(fā)信號(hào)，一直在說(shuō)我在哪兒，幾點(diǎn)了，衛(wèi)星不需要做任何輔助你的計(jì)算。用戶只要能收到信號(hào)進(jìn)行解算即可，與這些衛(wèi)星沒(méi)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(wú)限的。而且，每一位用戶都可以享受米級(jí)定位精度和納秒級(jí)授時(shí)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(shí)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(gè)小例子。

星間鏈路技術(shù)，各個(gè)衛(wèi)星之間可以彼此通信聯(lián)絡(luò)。這樣僅需在中國(guó)境內(nèi)對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行主控、監(jiān)控和信息注入，既解決了全球建站安全性的問(wèn)題，也可以降低運(yùn)營(yíng)成本，衛(wèi)星之間可以互為校正，也有助于提高服務(wù)質(zhì)量，增強(qiáng)抗干擾能力。

2008年汶川地震災(zāi)難時(shí)，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(jī)（圖源：央視網(wǎng)）

短報(bào)文系統(tǒng)，通過(guò)衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)天地雙向通信，而其他幾個(gè)系統(tǒng)僅能單向接收衛(wèi)星信號(hào)。這意味著衛(wèi)星可以向擁有此項(xiàng)授權(quán)服務(wù)的接收機(jī)發(fā)送專屬訊息，特殊環(huán)境（大洋，荒漠，深山、極地）、災(zāi)難救援和軍用環(huán)境下價(jià)值意義巨大。

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

七、北斗能怎樣服務(wù)于國(guó)防安全？

GPS系統(tǒng)的出現(xiàn)，為人類戰(zhàn)爭(zhēng)史貢獻(xiàn)了幾個(gè)新詞“外科手術(shù)式精準(zhǔn)打擊”、“定點(diǎn)清除”、“斬首行動(dòng)”。在1990年的海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中，GPS精密制導(dǎo)武器嶄露頭角，后來(lái)又在科索沃戰(zhàn)爭(zhēng)、阿富汗戰(zhàn)爭(zhēng)、伊拉克戰(zhàn)爭(zhēng)和利比亞戰(zhàn)爭(zhēng)中反復(fù)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(jī)、投彈數(shù)百噸、極度危險(xiǎn)逼近才能完成的轟炸任務(wù)，現(xiàn)在采用數(shù)百公里外導(dǎo)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(huì)動(dòng)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(guān)閉區(qū)域服務(wù)。GPS新一代的Block-IIIA衛(wèi)星就大大增強(qiáng)了抗干擾能力，也提升了控制信號(hào)發(fā)送能力。一旦進(jìn)入戰(zhàn)時(shí)，只要完全切斷對(duì)手長(zhǎng)期依賴的GPS服務(wù)，戰(zhàn)爭(zhēng)自然進(jìn)入信息不對(duì)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(duì)國(guó)防安全的意義重要到無(wú)法形容。

八、北斗能怎樣服務(wù)于科學(xué)研究？

北斗最大的特點(diǎn)是高精度授時(shí)和定位，對(duì)于科學(xué)應(yīng)用而言，高精度接收機(jī)可以利用載波相位信號(hào)和差分技術(shù)等輕松實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)定位精度和毫米級(jí)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(jī)給衛(wèi)星確定位置，也可以實(shí)現(xiàn)1厘米級(jí)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(dǎo)航系統(tǒng)的出現(xiàn)，使得人類對(duì)地球重力場(chǎng)、地球磁場(chǎng)、大陸板塊運(yùn)動(dòng)、地球自轉(zhuǎn)、海洋潮汐、冰川極地、自然災(zāi)害等地球科學(xué)的研究達(dá)到了前所未有的高度。

利用衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)低軌衛(wèi)星精密定軌已成為科學(xué)衛(wèi)星應(yīng)用的常態(tài)（圖源：ESA）

除了助力地球科學(xué)的研究，在其他領(lǐng)域，北斗也有極大的促進(jìn)作用。例如，衛(wèi)星信號(hào)需要穿過(guò)復(fù)雜的電離層和對(duì)流程等抵達(dá)地面，北斗更是有三個(gè)主要頻率，每種信號(hào)受到的影響不同。當(dāng)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(shí)，可以用來(lái)同步大型科學(xué)試驗(yàn)，精準(zhǔn)授時(shí)。除此之外，北斗還會(huì)帶動(dòng)一系列通訊、電子、芯片等產(chǎn)業(yè)的大發(fā)展，促進(jìn)多個(gè)行業(yè)的科學(xué)研究。

九、北斗能怎樣服務(wù)于普通大眾？

普通人的生活已經(jīng)離不開導(dǎo)航衛(wèi)星了，北斗也在迅速融入，為大家提供更好的服務(wù)。最典型的莫過(guò)于定位服務(wù)，例如地圖導(dǎo)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(dǎo)航的無(wú)人機(jī)和農(nóng)用機(jī)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(shí)刻表、國(guó)家大型電網(wǎng)輸電、金融系統(tǒng)超高頻交易、通訊終端永遠(yuǎn)準(zhǔn)確的時(shí)間，都有北斗原子鐘的身影。大型基建工程，高鐵、大橋、機(jī)場(chǎng)建設(shè)，都需要北斗定位。農(nóng)林牧漁，交通運(yùn)輸、水文監(jiān)測(cè)、氣象預(yù)報(bào)、地理測(cè)繪、森林防火、電力調(diào)度、救災(zāi)減災(zāi)、應(yīng)急搜救，面積測(cè)算等，都需要高精度衛(wèi)星定位服務(wù)。而目前很多新技術(shù)，例如自動(dòng)駕駛、無(wú)人碼頭，自動(dòng)化農(nóng)業(yè)，無(wú)人機(jī)植保等，也離不開北斗的強(qiáng)大支撐。

十、北斗的未來(lái)是什么？

北斗在完全建成之后，將會(huì)繼續(xù)保持一定頻率的衛(wèi)星發(fā)射活動(dòng)，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(wù)星座。北斗衛(wèi)星也將不斷升級(jí)，提供更好的定位服務(wù)。與此同時(shí)，在低軌（數(shù)百千米高軌道）可以建設(shè)導(dǎo)航增強(qiáng)星座，在地面、尤其是城市高樓林立環(huán)境中，可以建設(shè)輔助站點(diǎn)，最終實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)厘米級(jí)定位精度，大大提高北斗的定位精度，實(shí)現(xiàn)空天地信息一體化。

在備受關(guān)注的商業(yè)方面，隨著人類社會(huì)對(duì)物流和定位的需求越來(lái)越高，北斗的商業(yè)應(yīng)用價(jià)值也會(huì)被極大開發(fā)。按照歐洲全球定位研究中心的估計(jì)，2025年左右世界范圍內(nèi)的衛(wèi)星導(dǎo)航定位設(shè)備需求量將超過(guò)92億部，年產(chǎn)值將超過(guò)2680億歐元，這是個(gè)海量的市場(chǎng)，其中亞太市場(chǎng)的增長(zhǎng)速度更將傲視全球，年增速可以達(dá)到40%以上。在這片紅海中，北斗無(wú)疑是最有潛力狙擊GPS系統(tǒng)的一個(gè)。規(guī)模化的應(yīng)用會(huì)大幅降低硬件收費(fèi)水平，進(jìn)一步確定商業(yè)市場(chǎng)領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，從而形成正循環(huán)，最終達(dá)到一個(gè)理想的狀態(tài)——實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)長(zhǎng)盛不衰的同時(shí)依然能快速迭代。

人類已經(jīng)進(jìn)入衛(wèi)星導(dǎo)航的時(shí)代，且永遠(yuǎn)無(wú)法離開導(dǎo)航衛(wèi)星了。

*作者：太空精釀

*本文由科普中國(guó)融合創(chuàng)作出品，太空精釀制作，中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心監(jiān)制，“科普中國(guó)”是中國(guó)科協(xié)攜同社會(huì)各方利用信息化手段開展科學(xué)傳播的科學(xué)權(quán)威品牌。