导航那些事

导航那些事

主讲人 | 徐颖中国科学院光电研究院研究员、博士光电院导航技术研究室副主任，科普中国形象大使

大家都看过《鲁宾逊漂流记》，如果现在有一个人独自漂流到了孤岛上，这个时候他有GPS，他就能知道自己在什么位置，但他无法通知别人，还是只能在荒岛上求生。而如果他用的是北斗系统，不仅可以知道自己的位置在哪里，而且还能够把位置发送给几十公里、几百公里之外的人，很快得到救援。

导航系统与地图的关系

今天我们主要聊聊与生活相关的导航的那些事。

首先要明确的是，导航系统和地图是两个东西。北斗是我国自主建设的卫星导航定位系统，是我国基础建设的设施，而高德地图和百度地图等是地图。

高德公司和百度公司是把导航的定位结果显示在地图上，让你知道你在地图上的什么位置，如何去往地图的另外一个位置，所以数据既可以是GPS也可以是北斗，这一点我们是看不见的，主要取决于我们手机里面的芯片。

因此地图不等同于导航，导航是国家的基础设施，地图将导航呈现给所有用户，使用户有一种更好的直观体验。

导航定位的原理

要了解导航在生活中的其它用途，先要知道导航到底是什么。

很多人以为导航是一种能够指导我们从一个地方走到另一个地方的工具。事实上，导航不只是一个表面现象，它更是一门复杂的科学，除了与卫星和电磁波有关，还与时间离不开关系。

卫星导航的基本定位原理是一个三球交汇的定位，确定一个卫星的位置，确定与卫星的距离，然后以卫星为圆心画出一个球面。假设我在这个球面上的某一个点，当我要测量我和三个不同卫星不同位置的时候，画出三个球体，三个球体交汇在一点上，这一点就是我的位置。

这个过程最重要的是需要测量我和卫星之间的距离，通过测量电磁波在空中传播的时间来获得。现在的导航系统定位精度能够达到厘米级甚至是毫米级，这就意味着在导航系统当中一定要把时间做得非常精准。

卫星导航定位需要多准，有物理学家在实验室发现，当他们的原子从一个能级到另一个能级的时候带来的能量是非常稳定的。如果我们以这个频率作为一个钟摆的话，能够得到非常精准的时钟，这也就是原子钟的由来。

中国原来没有原子钟的技术，计划从瑞士进口原子钟，但是进口遭到诸多阻挠，所以决定自主研究，大概花了两到三年的攻关时间解决了中国原子钟的有无问题。

地图不等同于导航，导航是国家的基础设施，地图将导航呈现给所有用户，使用户有一种更好的直观体验。

我们最新的原子钟是天宫二号原子钟，精度能够做到几万年时间误差一秒，这已经达到了世界领先水平，是典型的因国家需求而推动基础科技进步的例子。

导航定位的发展

我们现在的地图靠遥感车观测，对地观测精度可以达到厘米级，精度非常高。但古代地图只能靠手绘，精度非常不准，再后来的工具，有指南车、指南针和指南龟。再后来有了电，人们开始用无线电来做导航。无线电导航系统最开始不是用卫星，而是在地面假设无线电的基站做导航。电磁波沿着地面进行传播时会受到干扰，导致定位精度不高，而且地面覆盖面积和范围有限，所以就有了人造地球卫星。

我们建设北斗系统最重要的作用是保障国家领土主权，包括经济基础设施等等，更重要的是要保证其在我国以及周边地区的高精度覆盖。

中国第一颗人造地球卫星叫东方红。虽然苏联建造了世界上第一颗人造地球卫星，但最早利用人造卫星导航的是美国。美国海军发现潜艇出去精准总是达不到要求，研究后发现是潜艇自身位置精度不高的原因，所以就有了子午仪。

子午仪由四颗卫星系统构成，与三星定位的原理不同，它只需要一颗卫星就能够实现定位。虽说一颗卫星就能实现定位，但是一颗卫星会导致定位的精准不够高，大概是百米开外的量级，需要长时间的测量才能有足够的力源进行结算，并且运动速度不能过快，只能给类似于像蜗牛这样的用户进行导航和定位。也就是因为这样的缺点，子午仪系统后来被GPS系统所取代了。

虽然有缺点，但子午仪让大家看到了卫星导航定位系统最大的优点，那就是全天候、全天时，能在任何时间地点给全世界任何人提供导航定位的信息。美国建好子午仪后，苏联建设的蝉系统原理与子午仪完全一样。而苏联刚开始建蝉系统没多久，美国就开始建设美国导航史上用户最多、世界影响力最大的系统——GPS。

GPS从70年代开始建设，是24颗卫星，4X6的轨道面，世界上第一个全球覆盖的卫星导航定位系统。1991年海湾战争期间，美国依靠GPS系统，不仅改变了世界格局，还带来了一场军事变革，奠定了现代化战争以信息为基础的核心理念，让制空权站上战争中无与伦比的高度，之后全世界的超级大国都有一个共识，那就是要有自己的全球覆盖卫星导航定位系统。

现在世界上最著名的卫星导航定位系统共四个：美国的GPS系统、俄罗斯的GLONASZ系统、我国的北斗系统和欧盟的伽利略系统。虽然各国都遇到过很多困难，但是没有哪个国家想过放弃卫星定位导航系统的建设，包括日本、印度，也在建设卫星导航定位，但是还没办法做到全球覆盖。

北斗系统建设发展历史及应用

中国卫星导航定位建设从1983年开始，专家提出“双星定位”概念，因为当时24颗星一次覆盖没有财力支撑，所以就有了北斗一号系统，这主要解决了我国卫星导航定位的有无问题。

北斗一号系统需要用户先发起一个请求，报告系统我想知道我的位置，然后地面站才会把位置算出来，将这个位置再发送给用户，这种叫做有源定位，和现在全球系统的无源定位方式不一样。

北斗一号系统建设的过程中，我们开始启动了北斗二号系统的建设。2012年北斗二号系统正式投入运行，主要解决我国以及周边地区定位服务的问题。按计划，到2020年我国要建成一个北斗全球系统，实现全球覆盖，能够和GPS正式兼容操作，走向全球，这就是我国北斗卫星导航系统建设“三步走”发展战略。

北斗二号系统主要是由35颗卫星构成，5颗是地球静止同步公道卫星，3颗是小倾斜轨道的卫星，27颗是MEO卫星，它和北斗一号最大的区别在于从有源定位变成无源定位。现在的手机假设里面装载了北斗芯片，想要定位，不需要手机发起信号了，直接接受卫星下传下来的信号，就可以知道自己的信息。一方面解决了容量的问题，不再有上行，不再有容量的限制，不再往上发信号，避免有一种暴露自己位置的风险，这个是二代和一代的最主要的区别之一。

我们建设北斗系统最重要的作用是保障国家领土主权，包括经济基础设施等等，更重要的是要保证其在我国以及周边地区的高精度覆盖。所以北斗最后采用混合星座的设计，MEO卫星大概只有30%到50%时间能够经过上空，小星轨道卫星有70%到80%时间能够看到它，采用这样的星座构型能够有更加稳定、更好的定位精度。

在生活中北斗系统应用广泛。比如渔船航运中，在南海领域，因为没有建设基站，渔民的手机无法通信，渔民出海一个月，遇上危险无法和家里人联络。所以在南海的渔船上大约有70%的比例配备了北斗系统，一方面方便渔民能够给家里人发短信，另一方面渔民能知道自己的位置信息，如果遇上危险也能够及时把位置信息发送给海警，确保自身生命和财产的安全。

比如精准授时，北斗系统时钟精度非常高。电力系统中，需要把时间做得很准，从而保证各个电力能够错峰，不至于出现烧坏系统的情况。金融系统要在同一个时刻结算，如果结算时间差之毫秒，就可能会导致最后的结算金额差之几千万美元，所以金融系统也要求时间非常精准。

此外，北斗系统在地震、泥石流、天气监测、智能驾考、森林救火、智能农业、动物保护、老少关爱等方面都有应用。

本文系徐颖在杭州市科协、杭州市科技工作者服务中心、《杭州》杂志社联合主办的第115期“杭州科学大讲堂”上的演讲，文中观点不代表本刊立场