十问北斗

晰数塔互联网快讯
2020-06-23 12:08

本文来自微信公众号：科学大院（ID：kexuedayuan），由科普中国融合创作出品，中国科学院计算机网络信息中心监制，作者：太空精酿，题图来自：视觉中国

2020年6月23日9时43分，北斗卫星导航系统第55颗卫星搭乘长征三号乙运载火箭从西昌卫星发射中心成功升空。自1994年开始预研的北斗卫星导航系统终于完成全部组网星座发射任务，正式建成！

图片来源：央视新闻、我们的太空

北斗卫星导航系统（以下用北斗指代），将中国人千百年来“寻路靠北斗七星”的经验变成现实，也在方方面面彻底改变了中国人的生活方式。本文将围绕关于北斗的十个经典问题，详细解读这个宏大工程的意义。

一、为什么有GPS还要做北斗？

美国的GPS起步于70年代，经过多年发展、尤其商业运作以后，已经走入人们日常生活中。但是，它的本质是军用卫星导航系统，隶属于美国空军，毫无疑问会时刻以本国利益为第一位。在实践中，卫星工程师不仅能在信号方面增加干扰、欺骗手段等，还能停掉某一地区的服务，芯片定价权和使用权限等也在他们手中。

例如，GPS开放民用服务后，普通用户只能使用定位精度更差且增加了选择可用性（干扰）的民用码定位服务。2000年5月2日，为打压俄罗斯GLONASS（格洛纳斯，俄罗斯军民两用卫星导航系统）的商业化空间，GPS系统选择主动去掉干扰参与竞争，定位精度瞬间提高10倍以上。但这也意味着，它可以随意恢复任何干扰、甚至彻底停止区域服务。这类事情在近些年印巴冲突、中东地区冲突中屡见不鲜。

当天06:00时GPS系统去除干扰后，定位精度大大提高（图源：schlaggo.de）

GPS目前几乎用在了美军任何一种需要定位的武器中，民用方面也占据着全世界千亿美元计的巨大市场。因而，无论是事关国家国防安全，还是导航应用市场的巨大商业利益，中国都必须拥有自己的卫星导航系统，这个领域不会存在真正意义的国际合作。

目前，只有美国、俄罗斯、中国、欧盟先后建立了全球卫星导航系统，日本、印度建有区域卫星导航系统，这几个国家/地区都把相应系统作为发展中的重中之重，意义可见一斑。

二、为什么北斗有三种轨道？

美国、俄罗斯和欧洲的星座只部署在距离地球约20000千米的中远地球轨道（MEO），以实现轨道周期（约12小时）与信号覆盖范围的最佳平衡。为达到全球任一点都能收到4颗卫星信号以实现定位授时的目标，至少需要24颗卫星保证服务质量。

日本和印度星座仅服务本国，选择了轨道周期与地球自转同步的轨道，距离地面35786千米，从地面观测相对稳定。其中，日本QZSS高度依赖美国GPS系统，使用至少3颗卫星运行在倾斜地球同步轨道（IGSO），保障日本高纬度地区和城市高楼林立环境下的使用。印度由于更加靠近赤道，在IGSO之外还使用了定位于赤道上空的静止/同步地球轨道（GEO）。

北斗卫星轨迹在地面投影：蓝色8字形轨迹为IGSO卫星，红色定点为GEO卫星，绿色为MEO卫星（未全部展示所有卫星，图源：doi.org/10.1038/srep04692）

而对于北斗而言，“小孩子才做选择，我全都要”！北斗兼具了MEO、GEO和IGSO三种轨道。MEO(倾角55度、高21500千米)，保证全球高精度定位。主要运行在亚太地区的GEO（倾角0度，高35786千米）和IGSO（倾角55度，高35786千米）则保证亚太和“一带一路”地区更高精度定位。

三、为什么北斗有一号、二号、三号？

卫星导航系统是一个庞大的工程，它是大型航天载荷发射技术、大型星座运营维护技术、高水平通用导航卫星平台研发技术、无线电远距离通讯技术、高精度星载原子钟技术等诸多高精尖技术的集大成者，门槛极高，其中任何一项都面临严苛的技术封锁。

但困难从来都不是“造不如买”的借口，从1994年开始，中国航天人一步一个脚印，筚路蓝缕……攻坚克难啃硬骨头，把整个北斗建设过程分成了三步走策略，也就对应北斗一号、二号和三号。

北斗一号主要是试验系统。在2000~2007年间发射了4颗试验性质卫星，全在地球静止轨道，它以区域测试服务为主要目标，目前已全部退役，不算入正式星座。

北斗二号主要是区域导航系统。在2007~2019年间共计发射了20颗（包含备份星），8颗为GEO卫星、7颗为IGSO卫星，主要服务亚太。5颗为MEO卫星，仅能提供有限的全球覆盖。系统总体上服务于亚太地区。

北斗星座示意图（图源：北斗办）

北斗三号是全球卫星导航系统。从2015年至今共计发射了35颗，其中5颗为测试性质，不提供服务。正式星座中，3颗为GEO卫星，3颗为IGSO卫星，24颗为MEO卫星，向全球提供高精度、全天候、全天时的导航定位授时服务。

于此同时，卫星平台也在不断大幅改进，不同北斗卫星（包含试验星）在东方红3号等卫星平台基础上反复改进，演化出了10余个版本，难度可想而知。目前北斗二号大部分卫星依然在正常工作中，因而实际处在运行状态的北斗星座超过40颗，大幅超过了GPS的32颗，未来随着北斗二号部分卫星逐渐退役，总数会降低，但会维持在30颗以上。

四、为什么北斗都用长征三号系列火箭发射？

长征三号系列火箭是我国的王牌火箭，最大特点是第三级采用了比冲（衡量发动机的指标，越大越好）更高的液氧液氢发动机，因而它也是长征火箭家族用于发射更高更远任务的专属火箭，例如嫦娥、风云（二/四）、各种通讯卫星等，北斗家族同样如此。

从左至右：长征三号基本型、甲型、乙型和丙型火箭对比（图改自：GW_Simulations）

经过多年成熟发展，长征三号火箭形成了四种主要构型，基本型已于2000年退役。目前现有长征三号甲、乙和丙三种主要型号服役，以及近10种改进版本。相比较长三甲，长三乙/丙增加了助推器，且做了大幅升级，能力更强。其中长三乙不仅携带了4个助推器（长三丙2个）、还可携带远征上面级，能够执行北斗一箭两星任务，能力最强。北斗所有发射任务中，长三乙实现了15次一箭两星任务，运送了30颗卫星入轨，可以说是王牌中的王牌！

五、为什么北斗能服务无限个用户？

北斗三号是一种无源定位系统，每一颗导航卫星的本质就是告诉你这么一个事情：现在几点了（时间ts），我在哪里（xs，ys，zs）。当你（接收机）收到信号时，可以通过比对，得到接收机上时间与接收到的卫星信息显示时间之间的差值，这个差值乘以光速就是你和卫星之间的距离。还有一个方法是数中间隔了多少个信号波长。卫星由于有专门的科学家维持，它的位置极其精确，误差在1厘米级别；卫星上搭载的钟是原子钟，几百万年才可能错1秒，因此，它的所有信息几乎可以被认为无误差。

那么你只需要解出四个参数：在地球上的三维坐标x，y，z和钟差t（毕竟用户的石英钟不可能和原子钟精度相比，需要把它的误差做一个未知数解出来）。观测到四个卫星，就可以构建四个方程，解出四个未知数。

用户只需接收到四颗卫星信号，即可精确确定自身位置和时间（图源：doi.org/10.9790/0661-17333441）

所以，对卫星而言，永远只做一件事情：往地面发信号，一直在说我在哪儿，几点了，卫星不需要做任何辅助你的计算。用户只要能收到信号进行解算即可，与这些卫星没有任何交流，也不消耗它们任何一丝能量，这也就意味着，理论上用户量是无限的。而且，每一位用户都可以享受米级定位精度和纳秒级授时精度。

2020年6月14日全球可以看见的北斗卫星数量分布图，可以看出能实现全球定位（>3），且亚太地区数量更大、定位精度更高（图源：北斗办）

六、北斗有哪些特色绝活？

北斗有一系列特色技术，举三个小例子。

星间链路技术，各个卫星之间可以彼此通信联络。这样仅需在中国境内对卫星进行主控、监控和信息注入，既解决了全球建站安全性的问题，也可以降低运营成本，卫星之间可以互为校正，也有助于提高服务质量，增强抗干扰能力。

2008年汶川地震灾难时，15勇士在通信完全中断的情况下完成了“惊天一跳”，他们就带有北斗系统接收机（图源：央视网）

短报文系统，通过卫星实现天地双向通信，而其他几个系统仅能单向接收卫星信号。这意味着卫星可以向拥有此项授权服务的接收机发送专属讯息，特殊环境（大洋，荒漠，深山、极地）、灾难救援和军用环境下价值意义巨大。

部分北斗卫星还携带了国际Cospas-Sarsat卫星辅助搜索和应急救援计划的有效载荷，在发生紧急情况时，可以参与国际合作的应急救灾工作中。

七、北斗能怎样服务于国防安全？

GPS系统的出现，为人类战争史贡献了几个新词“外科手术式精准打击”、“定点清除”、“斩首行动”。在1990年的海湾战争中，GPS精密制导武器崭露头角，后来又在科索沃战争、阿富汗战争、伊拉克战争和利比亚战争中反复出现，不断震惊世人。

最典型的例子是原本需要数十架轰炸机、投弹数百吨、极度危险逼近才能完成的轰炸任务，现在采用数百公里外导弹突袭和高精度打击即可。目前，美军除了子弹以外，几乎所有会动的武器、装备、士兵都携带了GPS定位模块。

依赖GPS的联合直接攻击弹药（JDAM）是“外科手术式打击”著名武器（开放版权）

而GPS系统又是极其容易制造干扰和欺骗的，甚至能整体关闭区域服务。GPS新一代的Block-IIIA卫星就大大增强了抗干扰能力，也提升了控制信号发送能力。一旦进入战时，只要完全切断对手长期依赖的GPS服务，战争自然进入信息不对称阶段。

因而，北斗的建成，意味着我们不仅能做所有GPS能做的事情，还能完全不受制于人，对国防安全的意义重要到无法形容。

八、北斗能怎样服务于科学研究？

北斗最大的特点是高精度授时和定位，对于科学应用而言，高精度接收机可以利用载波相位信号和差分技术等轻松实现厘米级定位精度和毫米级基线精度。笔者从事低轨卫星精密定轨技术研究，本质就是用星载的接收机给卫星确定位置，也可以实现1厘米级定轨精度。

在高精度卫星轨道的辅助下，卫星上的精密仪器也可以大展身手。因此，卫星导航系统的出现，使得人类对地球重力场、地球磁场、大陆板块运动、地球自转、海洋潮汐、冰川极地、自然灾害等地球科学的研究达到了前所未有的高度。

利用卫星导航系统对低轨卫星精密定轨已成为科学卫星应用的常态（图源：ESA）

除了助力地球科学的研究，在其他领域，北斗也有极大的促进作用。例如，卫星信号需要穿过复杂的电离层和对流程等抵达地面，北斗更是有三个主要频率，每种信号受到的影响不同。当它们集合在一起，就提供了能帮助大气研究的海量信息。再例如，北斗的高精度原子时，可以用来同步大型科学试验，精准授时。除此之外，北斗还会带动一系列通讯、电子、芯片等产业的大发展，促进多个行业的科学研究。

九、北斗能怎样服务于普通大众？

普通人的生活已经离不开导航卫星了，北斗也在迅速融入，为大家提供更好的服务。最典型的莫过于定位服务，例如地图导航、共享单车/打车、快递查询等，彻底改变了现代人类的生活。

依赖卫星导航的无人机和农用机械已经在逐步颠覆传统农业形式（图源：Pixabay）

交通系统高精度时刻表、国家大型电网输电、金融系统超高频交易、通讯终端永远准确的时间，都有北斗原子钟的身影。大型基建工程，高铁、大桥、机场建设，都需要北斗定位。农林牧渔，交通运输、水文监测、气象预报、地理测绘、森林防火、电力调度、救灾减灾、应急搜救，面积测算等，都需要高精度卫星定位服务。而目前很多新技术，例如自动驾驶、无人码头，自动化农业，无人机植保等，也离不开北斗的强大支撑。

十、北斗的未来是什么？

北斗在完全建成之后，将会继续保持一定频率的卫星发射活动，以替换逐渐退役的老卫星，常态维持至少30颗的全球服务星座。北斗卫星也将不断升级，提供更好的定位服务。与此同时，在低轨（数百千米高轨道）可以建设导航增强星座，在地面、尤其是城市高楼林立环境中，可以建设辅助站点，最终实现实时动态厘米级定位精度，大大提高北斗的定位精度，实现空天地信息一体化。

在备受关注的商业方面，随着人类社会对物流和定位的需求越来越高，北斗的商业应用价值也会被极大开发。按照欧洲全球定位研究中心的估计，2025年左右世界范围内的卫星导航定位设备需求量将超过92亿部，年产值将超过2680亿欧元，这是个海量的市场，其中亚太市场的增长速度更将傲视全球，年增速可以达到40%以上。

在这片红海中，北斗无疑是最有潜力狙击GPS系统的一个。规模化的应用会大幅降低硬件收费水平，进一步确定商业市场领先优势，从而形成正循环，最终达到一个理想的状态——实现系统长盛不衰的同时依然能快速迭代。

人类已经进入卫星导航的时代，且永远无法离开导航卫星了。

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