条条大路参北斗

毛颖 杨震

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升空。随着该卫星成功进入预定工作轨道，预示着北斗三号全球卫星导航系统星座部署全面完成。

北斗—号工程于1994年1月10日立项，2000年10月31日发射第一颗北斗导航试验卫星，到2020年7月31日北斗三号全球卫星导航系统正式开通，“北斗人”排星布阵长达26年。随着北斗三号全球卫星导航系统的开通，北斗也迈入了全球服务新时代。我们就来说一说，北斗卫星究竟给我们带来了什么。

斗转星移和过洋牵星——天文导航

在夜间光源不那么多的地方或是较早年代，星星是寻找方向的重要帮助.其中，大家最熟悉的就是北斗星。

北斗由7颗亮星构成勺形，勺口连线在天幕上延长约5倍远处是北极星，即大体上的正北。北斗七星的相对位置几乎不变，整体随季节绕北极星旋转，如秋季斗柄指西，每一年北斗恰好旋转一周，这就是常说的“斗转星移”。

星星能指引方向是人类在实践中获得的经验，将其与地图、几何测量等手段结合，就发展出天文导航技术。天文导航依赖自然信息源一星光的导引。也称“星光导航”。

我国是最早应用天文导航的国家之一。在《武备志》中收录了《郑和航海图》，其中附有四幅《过洋牵星国》，表明郑和船队在远洋航行中使用过天文导航。如今，在航空、航海、登山、宇宙航行等领域，当获取人工导引信息遭遇困难时。天文导航仍有用武之地，它也是从事这些工作的人必须要学习的基本技能。

从磁场到电波——更多导航手段

星光易受天气、光污染等环境的影响，在白天也难以看到。随着技术进步，人们叉开发出更多导航手段，如指南针、惯性导航、无线电导航等。

指南针导航

大家所熟知的我国古代四大发明之一——指南针，它的指针两端能自动指向南北极。它所依赖的，是自然信息源地磁场。

惯性导航

这种导航手段通过测量载体的运动加速度，通过轨迹推算定位，不依赖外部信息，但每次推算都要从上次结果出发，误差会逐渐累积，需要其他手段校正。

無线电导航

无线电发明后，以电渡为信息源的导航技术迅速得到应用。早期无线电导航通过天线测向来建立接收机与发射机间的连线，称为“测角”法。这种方法受天线的方向敏感性等因素影响，精度较低，目前常用于协助飞机降落，此时也称为无线电导引。

受地球曲率影响，地面无线电导航台的有效距离通常只有几十干米。将发射机建在山上能增加有效距离，但提供全球导航仍需很多导航台接力。把发射机搬上人造卫星，结台天文和无线电导航，就是卫星导航技术。

20世纪60年代，美国首先开展卫星导航研究.于1964年建成“子午仪”系统并交付海军，1967年开始民用。当时苏联也开展了类似的研究和建设。

1995年，美国在之前的研究基础上建成世界第一个全球卫星定位系统，也就是现在家喻户晓的“GPS”。此后俄罗斯、欧盟、中国、日本、印度等相继开展卫星导航系统建设。我国自主研制的全球卫星定位与通信系统，代号正是“北斗”。

导航卫星的秘密

以卫星为信息源，用户必须能收到来自卫星的电波，通称“看到”卫星。目前国际标准卫星导航信号的频率范围为1～2.5与GHz，只能直线传播，因此用户和卫星的连线上不能有障碍物。包括地球本身。而且，为了精确定位.用户须同时看到至少4颗星，所以导航卫星的轨道决定了服务的覆盖面。

由于卫星导航的本质是用已知的卫星位置来定位用户.为保证卫星轨迹稳定，目前使用的导航卫星轨道普遍为圆形，有地球静止同步、倾斜地球同步和地球中圆三类。

地球静止同步轨道（GeoStationarv Orbit，简称GEO）

这类轨道位于赤道上空约36 OOO千米高，通信卫星也常使用这条轨道。卫星沿该轨道环绕地球的周期与地球自转相同.卫星相对地面静止，较易查询，但在高纬度地区视角偏低易被遮挡。尤其在靠近两极处，受地球曲率影响无法看到卫星。

倾斜地球同步轨道

这类轨道高度也约为36000千米，环绕周期也与地球自转相同，但轨道面与地球赤道面的夹角，即轨道倾角不是O°，所以卫星相对地面并不静止，而是在一定南北纬度范围内往复运动。采用这种轨道能让高纬度地区用户较易看到卫星。

地球中圆轨道

它的高度低于前两种同步轨道。以GPS的卫星为例，轨道高度约为20200千米，环绕周期是地球自转周期的一半，即每天恰好环绕两周。GPS星座由24颗卫星按间隔60°的6条轨道分布，轨道倾角约55°，可覆盖全球。北斗二号、三号里的MEO卫星和欧盟的“伽利略”轨道倾角相同。为照顾俄罗斯广阔的高纬度地区，“格洛纳斯”选择了64.B°倾角。

和无线电导航一样，从卫星到用户可得到一条连线。如果知道卫星位置，单颗星能指出方向;两颗星到用户连线交点构成的圆与已知海拔高度的球面相交，可得到两个候选点，实现初步定位;三维定位须至少3颗星，考虑误差消除，最好是4颗。

测角法精度较低，现代卫星导航并不采用，而是通过测定用户到多个卫星的距离，求解空间解析几何方程组来得到用户坐标。由于光速是常数，这又转化为测定信号从发出到抵达接收机所用传播时间，即“时间测距法”。

卫星信号通常包含发出时刻，理论上将收信时用户时钟的示数减去该时刻即得到信号传播时间。但是，这样得到的结果必然包含用户与卫星时钟的偏差，影响定位精度。因此，如果能同时看到4颗以上不在同一平面的卫星，往往把收信时刻也作为未知数，建立4元方程组，一次解出用户的三维坐标和时钟偏差，同时定位和授时。GPS、北斗等卫星导航系统都有这个能力。

在进行定位时，有的卫星导航系统除了作为信号源向用户发送信号之外，还可以接收用户发送的信号。据此我们还可以把卫星导航系统分成有源定位与无源定位两类。

无源定位

以GPS為代表的大部分卫星导航系统为无源定位，用户不发送信号，只接收卫星导航信号即可完成定位。

有源定位

有源定位方式仍然基于时间测距，在用户发送出信号后，由地面中心站测量出信号从用户到卫星的往返时间，算出二者距离，进而获得用户坐标，再经卫星发回用户。

比起无源定位，有源定位的优点是只需两颗卫星就能定位，因此在定位条件不好（用户“看不到”足够颗数的卫星）的紧急情况下也能进行定位。还能发送短信息，让导航卫星兼职通信卫星。

最初，GPS是为军事目的开发，在导航信号中加入了密码，对不能解密的民用接收机这等于干扰，降低了精度。2000年后，GPS改为在不同频点分别发送军用和民用码，其中民用码符合国际标准，不再附加干扰，定位精度提升，北斗也采用了符合国际标准的编码。

影响精度的不只有人为干扰.还有电磁扰动等自然因素。利用已知位置的地面站，接收带干扰信号并解出“伪”坐标，再与实际坐标对照得到偏差量.把它发给附近能收到同一组卫星信号的用户，可消除偏差，提升精度，这就是“差分GPS”技术。进一步的，通过测量基站与卫星距离，以及两站间卫星信号载波的相位差，能得到更精确的修正值，实现厘米级定位。以上统称地面增强技术，已随GPS系统的普及在全球广泛应用。

强大的心——原子种

为实现定位。卫星必须提供精确时间信息。光速约30万千米/秒，为使定位精度达厘米级，时钟分辨率要达到300亿分之一秒。普通电脑主频约3GHz，时钟分辨率约30亿分之一秒，且有严重累积误差，无法提供精准时间，只有用原子能级跃迁周期标定的原子钟才能满足卫星导航的精度和稳定性要求，它的分辨率可达百万亿分之一（10-14）秒。

传统原子钟体积庞大，还要安装在地下室以减少环境干扰，把它搬上卫星是实现高精度定位的难点之一。因此星载原子钟应运而生，它就是主要应用于导航系统的原子钟，分为氢原子钟、铷原子钟和铯原子钟三种。其中铷原子钟体积小、重量轻，而铯原子钟、氢原子钟长期性能优异。一般导航卫星系统会采用不同原子钟混合搭配的开发方案。

北斗的前世今生

北斗工程从一号工程1994年的立项，到2020年7月1日三号卫星导航系统正式开通，其过程并不是一蹴而就的，这其中经历了漫长的过程。

北斗之前的卫星导航系统

要说到卫星导航系统，就不得不提20世纪发生在美国与苏联之间的冷战。自从20世纪50年代，苏联发射了第—颗人造卫星“斯普特尼克1号”之后，对此深感警惕的美国就被打开了思路。美国人提出了通过卫星导航定位系统实现全球定位的构想，当时这种构想是基于军事应用的。

有了理论上的构想，美国人凭借他们的科技实力与执行能力，很快就把卫星导航定位系统实现了，而且一搞就是前后两套：1964年，美国首先搞出了一个“子午仪”卫星导航系统（Transit navigation satellite system），这个系统也是世界上第一个由复数颗卫星构成的卫星导航系统。到了20世纪70-80年代，他们在“子午仪”的基础上改进了缺陷，提出了由24颗卫星为基础的全球定位系统（Global Positioning System），并在90年代初部署完成。也就是前面提过，为我们所熟悉的GPS系统。

作为美国的冷战对手，苏联也针锋相对地在1976年提出了格洛纳斯（Global navigalionsatellite system）计划，并在1985年发射了酋颗卫星。可惜这一系统还没完成。苏联就被美国拖垮。之后俄罗斯虽然继续了这一计划，但格洛纳斯无论是在技术成熟度还是应用覆盖方面，都无法与美国的GPS抗衡。

于是乎，GPS从20世纪90年代起就成为几乎覆盖全球的卫星导航系统，虽然它在服务美国的军事应用之外，也开启了民用功能为全球的定位与导航提供了便利，但对于我国来说，也提出了国家安全方面的挑战。在这个大背景下，我国“北斗一号”卫星导航系统1994年正式立项。

“北斗”的三级阶梯跨越

从1994年北斗—号卫星导航系统立项，到2020年7月31日北斗三号卫星导航系统正式开通，26年时间里，“北斗”一共发射44次.将59颗（含4颗试验卫星）卫星成功发射上天，这其中经历了三步走的阶梯式跨越。

北斗一号

北斗一号作为中国从无到有开发自主卫星导航系统的尝试.重要目的之一是为了验证系统的可行性与可靠性.因此从立项到第一次发射用了6年时间，2000年两颗GEO试验卫星成功发射，2003年再次成功发射一颗GE0试验卫星，宣告北斗一号卫星导航系统顺利建成。也宣告我国成了继美国、俄罗斯后第三个拥有自主卫星导航系统的国家。

值得一提的是，北斗一号是世界首个有源卫星导航系统，用户可以主动发送信号进行定位，并能发送120个汉字的短报文信息。在2008年汶川地震中，在地面通信信号盲区或其他通信手段失效后，率先抵达现场的救灾部队就是通过北斗一号发出第一份紧急报告，北斗一号成了当时震区人民与战士们生命安全的最后保障。

目前北斗一号系统卫星虽然已经退役，但是它们为北斗系统之后的建设奠定了基础。

北斗二号

在北斗一号成功的基础上，2004年我国启动了北斗二号卫星导航系统。北斗二号卫星导航系统初步完成组网时有14颗卫星，而且除了GEO卫星之外.还增加了IGSO以及MEO两种卫星。因此北斗二号比起北斗一号覆盖更广，抗遮挡能力更强。这个系统可以服务整个亚太地区。通信机制上也开始采用了有源定位与无源定位相结合的机制。

有趣的是，在北斗二号系统开发过程中，中国的运载火箭发射技术也取得了突破。2012年，“长征三号乙”火箭一次性将北斗第12、13两颗MEO卫星成功发射上天，这也是中国首次成功实现“一箭双星”。

北斗三号

在2009年，北斗二號尚未完成的时候，我国已经开始了北斗三号的布局，并计划让它的服务可以覆盖全球。它同样由GEO、IGSO、MEO三种轨道的卫星组成。比起北斗一号和二号，它在多项功能上有所提升，例如它的短报文发送能力从120个汉字提高到1000个汉字，支持用户数量从50万提高到1200万，而且能实现40个汉字的全球短报文通信。除此之外，它在前面提到的地面增强技术、原子钟等多项技术上也有飞跃性的突破。

地面增强技术

北斗三号首次配备的星间链路，能对运行在地面测控站视野外的卫星进行监测，并在卫星间双向精密测距和通信，自主计算和修正卫星轨道位置与时钟，大大减少对地面测控的依赖，即使地面测控失效，通过星间链路仍能为用户提供定位和授时。

原子钟

北斗一号与二号采用的原子钟是单纯的铷原子钟.而北斗三号的卫星不但装载了新一代铷原子钟，比前代产品体积更小、重量更轻、精度更高，而且还首次装备了氢原子钟，使其授时功能频率稳定度、准确度更高，而且还能提高组网卫星的使用寿命。

“北斗”离我们并不远

大家可能会思考，北斗卫星导航系统虽然值得骄傲，但是那些高大上的技术，更多是运用于军事或者科研方面的，离普通人生活好像很远。那么，这个系统能为我们带来什么？

事实上，北斗不但离我们并不遥远，而且与我们的生活紧密相关。

抢险救灾

前面已经讲到过，北斗一号在汶川地震时期，为救灾部队立下了大功。事实上，抢险救灾一直是北斗卫星系统的最重要应用之一。中国幅员辽阔，同时自然灾害较多，因此要在全国范围内对灾情做到全方位无死角的监控与预警，压力非常大。为了解决这个问题，北斗导航系统通过在天空的卫星组网，加上中国境内接近3000个地面站所，构成了—个地面增强网。这个地面增强网能够达到实时处理精度厘米级.事后处理精度毫米级的监控精度。就是靠这套地空相结合的系统，加上相应的辅助设备，北斗系统才可以进行实时监测。

诸如对水灾或者泥石流等地质灾害的监控.北斗系统通过实时的形变监测，在铁路、边坡有泥石流的地方，可以提前预警、转移人员，为抢救赢得时间。在今年南方水灾过程中，北斗也起到了重要作用。例如北斗监控系统在今年预警监控到了湖南省石门县南北镇出现的泥石流滑坡，提前转移了60多人，保障了人民群众的生命财产安全。

地图导航

如今我们不管是驾车出行，还是到一个陌生的地方，总免不了打开手机里面的地图导航软件。因为美国GPS系统在全球的影响力，许多人认为我们手机导航软件用的就是GPS系统，甚至直接把手机导航称为“GPS”。实际上，北斗导航系统早在2012年底就已经开放了民用服务功能。而现在国内绝大多数手机以及导肮软件，也同时支持北斗系统。

特别是在北斗三号系统开发过程中，北斗相关产业链已被打通，安装在接收端的芯片、板卡、天线等实现量产化，支持北斗地基增强高精度应用的手机已经上市。在高精度应用的手机的支持下，在不远的将来，我们在开车时甚至可以实现车道级的导航。

综合管理

除了我们的个人日常生活之外.社会要顺利运转，交通运输、工业生产、农林渔业、公共安全、智慧城市……方方面面都离不开卫星导航系统。而北斗也早就披应用于这些领域。

以交通运输为例，早在2013年，我国交通运输部就发出过通知：旅游包车、大客车、危险品运输车辆需要更新车载终端的.应安装北斗兼容车载终端;所有新进入运输市场的重型载货汽车和半挂牵引车应加装北斗兼容车载终端：鼓励农村客运车辆安装北斗兼容车载终端。而北斗系统不但可以实时监控保障交通运输安全，还可以通过车载终端的数据反馈，获得交通运输相关的大数据。

而在生产管理方面，北斗导航同样发挥着重要作用。这里有一个有趣的案例，以水产养殖为主业的獐子岛公司，为了虚报公司的经营与财务数据，曾多次对外宣称他们养殖区的扇贝因各种客观原因绝收，被业界戏称为“扇贝跑路事件”。证监会在对獐子岛公司进行调查过程中，求助了北斗导航系统。北斗导航系统通过提供獐子岛公司扇贝捕捞船只的海量导航定位信息，确认捕捞船活动轨迹与獐子岛公司对外公告的养殖捕捞区域范围出入很大，从而还原了事实真相。

所以，依托北斗系统卫星组网以及覆盖我国大多数地区的地面增强站网，北斗导航系统在社会生活的各个领域默默地为大家服务。它离我们一点也不远。

北斗的未来在哪里

北斗作为联合国认可的四大全球卫星导航系统之一，相关产品已出口120余个国家和地区，向亿级以上用户提供服务，基于北斗的国土测绘、精准农业、数字施工、智慧港口等已在东盟、南亚、东欧、西亚、非洲成功应用。

那么北斗在迈进全球化服务的新时代，未来将有什么发展计划？

在北斗三号开发过程中，400多家单位、30余万科技人员攻克了关键核心技术，实现了北斗三号卫星核心器部件国产化率100%。不过北斗导航系统尚有需要攻克的技术难题。例如卫星导航有天然的脆弱性，信号弱、容易被干扰.在室内导航、水下导航时会碰到很多困难。

而综合定位导航授时体系（PNT体系）是解决这个问题的思路，它能融合各种现有技术，解决水下、室内导航信号弱的问题，并将为探测火星等深空探测活动提供更好的导航服务。

能够与北斗导航系统融合的新兴技术.包括5G、人工智能、大数据等。这种融合还可能带来新的行业增长点，诸如在自动驾驶、无人机应用等方面产生革命性变化。

对于未来在北斗系统架构上的拓展，“北斗人”们也早有计划。新一代北斗卫星组网系统正在酝酿。预计在2025年之前，北斗将建成一个天基低轨星座系统，届时可以实现覆盖全球的厘米级定位服务。到2035年前，通过前面讲到的技术融合，要建设一个从室内到室外、深海到深空立体覆盖的定位系统。