“中國北斗”終將超越GPS的背后科技

Q：小時候，長輩們總是教孩子們辨認北斗星，只要找到了北斗星，就能找到回家的路。如今，城市的燈光湮沒了星光，許多人開始習慣于借助GPS系統來確定方向。2011年12月27日起，我國自主研發的北斗衛星導航系統開始在我國及周邊部分地區試運行。北斗衛星導航系統究竟是什么?它和我們熟知的GPS究竟有何異同?

不錯，過去人們都用北斗星來標志朝北的方向。由于北斗星距離地球過于遙遠，不能確定事物具體位置，因此在航天技術發展之后，就用衛星星座來導航定位。通過測量衛星和地面站之間的距離以及確定它們之間的時鐘關系，可以明確衛星的位置信息。在已知衛星的位置和時間信息之后，地面用戶同時接收到4顆衛星的導航信號，就可以解算出自己的位置，這就是基本的衛星導航定位原理。

自2011年12月27日起，我國北斗衛星導航系統開始向我國及周邊地區提供連續無源定位、導航、授時等試運行服務。北斗衛星導航系統是我國自己研發的新型衛星導航系統，主要由導航衛星、地面臺站和用戶定位設備三個部分組成的。能夠全天候、全天時地通過雙星定位方式開展工作，兼有定位導航、授時應用、短報文通信三大基本功能和多項擴展功能。我國著手建立的第二代北斗衛星導航定位系統，其空間部分主要由運行在中圓軌道、靜止軌道、傾斜地球同步軌道上的10多顆北斗導航衛星組網而成。經過一段時間在軌驗證和系統聯調后，已于2011年12月末具備了向我國及周邊地區提供試驗運行服務的能力。服務區為東經84°到160°、南緯55°到北緯55°之間的大部分區域；位置精度為平面25米、高程30米；測速精度每秒0.4米；授時精度50納秒。

GPS是20世紀70年代由美國陸、海、空三軍聯合研制的空間衛星導航定位系統，其主要目的是為陸、海、空三大領域提供實時、全天候和全球性的導航服務，并用于情報收集、核爆監測和應急通訊等一些軍事目的。GPS系統是由空間部分、地面控制部分、用戶設備部分三大部分組成。空間部分即由2 1顆工作衛星和3顆在軌備用衛星組成的GPS衛星星座，目前，GPS靠空間系統本身提供的導航精度已經可以達到6米左右，如果在地面配以其他基礎設施對其加強，則可以達到幾十厘米甚至幾厘米的定位精度。至少幾十厘米的定位精度在GPS提供的商業服務中已經存在，只不過是收費服務。這種精度適用于測繪等專業用戶的需求，而我們日常生活所需的導航服務只需達到5～6米的精度就可以了。

通過上述比較不難發現，GPS和目前的北斗衛星導航系統空間星座組成部分大不相同，前者的導航、定位、授時服務可以覆蓋全球，后者只能面向本國和周邊地區，但卻具有發送短報文的功能。

Q：為什么說衛星導航定位系統已成為衡量一個國家綜合國力的重要標志?它在哪些領域有重大影響?

這從全球定位系統的主要特點和用途上即可看出來。GPS的主要特點是全天候、全球覆蓋、三維定速定時高精度、快速省時高效率、應用廣泛多功能。GPS的陸地應用主要包括車輛導航、應急反應、大氣物理觀測、地球物理資源勘探、工程測量、變形監測、地殼運動監測、市政規劃控制等；海洋應用包括遠洋船最佳航程航線測定、船只實時調度與導航、海洋救援、海洋探寶、水文地質測量以及海洋平臺定位、海平面升降監測等；航空航天應用包括飛機導航、航空遙感姿態控制、低軌衛星定軌、導彈制導、航空救援和載人航天器防護探測等。

由于衛星導航定位系統技術含量高、優勢明顯、應用面廣，又涉及軍事機密，所以各航天大國都很重視建設各自的衛星導航系統。從信息技術和知識經濟角度來看，衛星導航定位技術在經濟社會發展中的應用越來越廣泛，其形成的產業已成為繼移動通信和互聯網之后的第三大IT經濟增長點，具有爆發式的增長潛力和廣闊的市場應用前景。正緣于衛星導航定位系統已被公認為是信息基礎和戰略設施的重要組成部分，它才成為衡量一個國家綜合國力的重要標志，美國就曾把GPS譽為本國繼阿波羅飛船和航天飛機之后取得的又一重大科技成就。

Q：聽說北斗系統需要發射30多顆衛星上天，而GPS只有24顆，為什么北斗系統需要那么多?

各國全球定位系統的差異之處，就在于選擇的衛星軌道有別和軌道上的衛星數量不同。我國航天專家在設計北斗全球衛星導航系統時也曾有過很多方案，后經充分論證，才選擇了由35顆衛星組網的系統方案。該系統由分布在多條繞地軌道上的導航衛星和少數幾顆備份星組網而形成空間部分。具體地講，就是由5顆靜止軌道衛星和30顆非靜止軌道衛星組成衛星星座。在那30顆衛星中，又分為3顆傾斜地球同步軌道衛星和27顆中圓軌道衛星。27顆中圓軌道衛星平均分布在傾角55~的三個平面上，軌道高度21500千米。

與GPS幾乎同時起步建設的俄羅斯格洛納斯全球導航系統，亦由24顆衛星組成，分布在3個軌道面上，目前已基本建成，即將提供服務。當前正在建設的同類項目，還有歐洲的伽利略全球衛星導航系統。2004年，我國和歐盟委員會簽署協議，成為參加伽利略計劃的第一個非歐盟成員國。該計劃的空間部分由30顆衛星組網而成，也采用了3個軌道面的設計。無論是GPS、格洛納斯還是伽利咯全球定位導航系統，都只有一種軌道即中圓軌道設計，只不過區別在于選取3個軌道面還是6個軌道面。而我國北斗全球衛星導航系統在保留3個中圓軌道面設計長處的基礎上，集納了多種軌道的優勢于一身，是世界導航系統的首創。正因為軌道種類多，突出了本國及周邊地區的導航服務業務，又多了一項通信功能，所以北斗衛星導航系統的衛星數量較多。

Q：聽說北斗系統分為3個階段，目前仍處于第二代的建設之中，真正建成的北斗系統能代替GPS嗎?它對我們的生活影響大嗎?我們的手機也能聯上它嗎?

中國北斗衛星導航系統按照“三步走”的發展戰略穩步推進：2002年建成北斗導航試驗系統，使中國成為世界上第三個擁有自主衛星導航系統的國家；2012年前后使北斗導航系統形成覆蓋亞太地區的服務能力；2020年左右，北斗衛星導航系統將形成全球覆蓋能力。目前仍處于第二代的建設之中，等到2020年左右，北斗全球衛星導航系統建成以后，北斗系統所能提供的定位精度在全球范圍內將與美國的GPS相抗衡，而在增強區域內，也就是在整個亞太地區，北斗衛星導航系統的定位精度，將超過GPS導航系統。

當前，6PS和北斗終端設備在海洋、漁業、抗震救災、應急救援、登山事故救援等行業和領域都已有應用。在8年之后，即2020年，肯定每個人的生活都離不開北斗導航系統。到時候，你只需要將北斗的相關芯片、硬件置入手機里，就能接收北斗衛星導航信號，用手機就能完成定位功能。未來共用終端設備問世之后，在生產生活的更多行業都能夠得到更好應用。

按照先區域、后全球的總體規劃建設起來的北斗二代、三代導航系統，待其投入運營后，將在水利電力、國土測繪、海洋航運、水上漁業、石油勘探、交通運輸、氣象預報、森林防火、減災救災、通信保障、治安管理、公共安全等經濟社會領域發揮重要作用，有力促進電子產品、通信聯絡、機械制造、地理信息、旅游觀光等相關產業和服務行業的發展。北斗全球導航定位系統在提升我國國防實力和軍事裝備性能上，也具有無可替代的重要性。對于廣大公眾來說，使用該系統的車載終端和具有導航定位與無線通信等功能的移動設備，將大大方便日常生活。

Q：您的科普圖書《E時代N個為什么·航天》深受青少年非常喜歡。可是如今由于學業、考試壓力的增大，熱愛科學的學生似乎越來越少了，您長期從事青少年科普宣傳事業，您認為科學知識對我們今后的幫助會很大嗎?

《E時代N個為什么·航天》是寫給青少年的航天科普讀物。人們常說，綜合國力在企業，企業發展靠創新，實現創新靠人才，人才培養靠教育，青少年是祖國的未來，一定要抓好教育這個根本環節。除了學校的系統教育外，還應高度重視和抓好科技傳播和科學普及工作，使青少年能夠盡早樹立熱愛祖國和崇尚科學的思想，這就是我寫作該書的出發點。

從多次給大、中、小學生作科普報告的體驗中，我不認為現在熱愛科學的學生是越來越少了，因為在報告最后的互動環節中，學生提問題的積極性是很高的，他們強烈的求知欲望給我留下了深刻印象，同時也使我深深感到中學生們都為怎樣牢固地掌握基本知識而著急。這就涉及到人們經常議論的應試教育下的死記硬背問題。我個人歷來認為，通過考試成績決定升級、升學是很公平的做法，迄今還沒有別的辦法可以取代。我主張中學生應把每門功課都學好，學習時，要特別注意掌握和踐行師授的有關學習方法。

“非志無以成學，非學無以廣才”。現在科學技術的發展日新月異，重視跟蹤前沿動態，對于青少年的成才顯得更為重要。如今的中學生從小接觸的信息量就很大，生活和學習條件越來越好，只要思想上崇尚科學和注意不斷改進學習方法，把讀書視為生命智慧的升華，養成濃厚的學習興趣，堅持自強不息，勇于攀登，相信“天生我材必有用”。