北斗的“獨門秘籍”

陳冰

從深空到深海，從個人到萬物，北斗作為提供時空基準信息的系統，不僅是我們的信息基礎設施，更是護衛國門的一把金鑰匙。自主可控的衛星導航系統，對于國家的重要意義不言而喻。可是，北斗真的是“不明覺厲”嗎？跟我們普通人有什么關系呢？其實它遠在天邊，卻近在眼前。截至2020年第一季度，在中國市場申請入網的智能手機里，有四分之三以上都支持北斗定位的。這一太空高科技，普遍關照著普羅大眾。

今天，我們先來揭秘一下北斗到底有哪些獨門秘籍。

“心臟”300萬年誤差一秒

在復雜的、代表現代高尖端科技前沿技術的衛星導航系統中，其中能被稱之為“心臟”的部分，有著怎樣超然的能力呢？

由于衛星導航系統在空間高速運轉，不同種類的接收機用戶，位置處于不斷變化的過程中，且地球自身也持續不斷地轉動，其間微小的時間誤差，將導致光速運行的無線電波產生巨大的測量誤差，因此時間系統的精確計量和同步具有極其重要的意義。

我們知道，天地間越同步，誤差越小，定位的精度就越高，大家得到的數據就越準確。要修煉好這門技能，核心就是做好時間測量，也就是掌握好時間的精度。而要掌握好時間精度，就要靠原子鐘。

而北斗的心臟，就是一座原子鐘。它是目前人類最精確的時間測量儀器，也是導航衛星最關鍵的核心設備。在衛星導航系統中，1納秒就是十億分之一秒的時間誤差，將導致0.3米的距離誤差。如果我們時間差出去一秒，那我們的距離就會差出去3后面8個零這么大的距離！人類要想實現這么精密的時間測量，一般的鐘可做不到，只有靠原子鐘的力量。

根據量子力學的原理，原子內部有上下兩個能級結構，當原子從一個能級躍遷至另外一個能級時，吸收或者釋放出的電磁波頻率是固定的，這也就是我們所說的共振頻率。例如銫133的一個共振頻率為9192631770赫茲。用它制作的計時儀器就可以非常準確了。北斗衛星導航系統使用的是由中國航天科工集團所研制的星載銣原子鐘，這些原子鐘實現了元器件100%國產化，目前的精度可達到300萬年誤差僅為1秒。

“三”的奧秘

“道生一，一生二，二生三，三生萬物”。北斗系統的發展中也蘊含了很多與“三”有關的奧秘，包括北斗系統發展戰略、系統架構、星座配置、工作原理、信號體制、服務規劃、未來愿景等等諸多方面。

北斗系統由空間段、地面段和用戶段三部分組成。其中空間段由3顆GEO衛星、3顆IGSO和24顆MEO衛星等組成。地面段則包括主控站、時間同步/注入站和監測站等若干地面站，以及星間鏈路運行管理設施。北斗系統用戶段包括北斗及兼容其他衛星導航系統的芯片、模塊、天線等基礎產品，以及終端設備、應用系統與應用服務等。

北斗特色。制圖/ 劉綺黎

北斗獨創了“三種軌道”混合星座。它是由GEO衛星、IGSO衛星和MEO衛星三種軌道衛星組成的混合導航星座。中國衛星導航系統管理辦公室主任冉承其指出，世界上其他衛星導航系統都是單一軌道的部署，北斗是三個軌道的衛星組成的星座系統。除了MEO軌道之外，還有同步軌道的，一個是靜止的GEO衛星，一個是傾斜同步軌道的IGSO衛星，由于它們的存在，在亞太大部分地區，用戶搜到的衛星就會比其他系統多。因為這兩個軌道的衛星高度更高，可見性更好。“除了天地雙向通信，北斗還具有短報文系統，而短報文通信功能是其他國家的衛星導航系統都不具備的功能。在海上，沒有手機信號，或者災害發生時通信受阻，這時候，如果你有北斗終端，就可以通過衛星發送短報文來與外界聯系。如果你在中國及周邊地區，一次可以發一千個漢字呢。不過它跟發手機短信又不太一樣。現在的普通手機還發不了短報文，必須用北斗專門的通信終端才能發。中國的漁民和海洋執法船都有這樣的裝備。”

與此同時，北斗系統是全球第一個提供三頻信號服務的衛星導航系統。GPS使用的是雙頻信號，使用雙頻信號可以減弱電離層延遲的影響，而使用三頻信號可以構建更復雜模型消除電離層延遲的高階誤差。同時，使用三頻信號可提高載波相位模糊度的解算效率，理論上還可以提高載波收斂速度，這就是北斗的后發優勢。

此外，位置信息（Position）、速度信息（Velocity）和時間信息（Time）是構成北斗信息服務的“三要素”。

北斗系統可向全球提供優于10米的定位服務，亞太地區定位精度達到5米。北斗系統提供的位置信息服務，輸出結果為“經度、緯度、高程”或者“x，y，z”，不管哪種輸出形式，恰好都是“三個參量”，一個不多，一個不少。同時，通過精密單點定位、星基增強、地基增強等方式，可將定位精度提高到米級、分米級乃至厘米級。北斗系統提供的測速精度能力優于0.2米/秒。北斗系統可為用戶提供優于20ns的授時服務，在此基礎上利用差分授時、雙向比對等技術手段，可進一步提升授時精度。

實際上，無論你在哪里，北斗都在你身邊。在全國30多個城市650多萬輛汽車上都裝有北斗芯片;國際上主流的智能手機都用到了北斗。手機導航有兩部分組成。一部分是收衛星導航信號的芯片，這個衛星導航是以芯片的模式體現在手機的硬件里面，另外一部分是基于芯片收星以后提供服務的導航軟件 ，比方說大家熟悉的百度、高德地圖，把北斗發送的位置信息展示在一張地圖上，讓人們方便地去找路。手機終端是否用到北斗系統，是體現在芯片里面的。

現實生活中，一到立交橋、高架上，導航顯示的信息就讓人犯暈。這是因為衛星提供給手機的是一個空間位置，包括經度、緯度和高度的三維位置信息，而導航軟件提供的地圖是二維的，沒有體現定位高度，所以就會出現導航誤差。

更令人疑惑的還有，當遇到導航信號弱時，手機卻顯示的是GPS信號弱。對此冉承其表示，其實這里面有一個小小的誤解。“GPS其實是全球衛星導航系統的一個英文縮寫，因為剛開始用衛星導航時，全世界用得最多的就是美國的GPS系統，日久習慣了大家一說衛星導航就容易想到GPS。手機廠商、地圖軟件的制造商也往往用GPS來代替所有衛星導航系統。其實走到今天，衛星導航已經是多系統兼容共用，包括美國的GPS、俄羅斯的格洛納斯、歐洲的伽利略，當然更包括中國的北斗。”冉承其呼吁有關手機廠商、地圖軟件制造商，能夠根據我們衛星導航的情況做適應性調整。“比如，我建議把‘GPS信號改成‘衛星導航信號。”

協同5G打開新世界

從2017年11月以來，北斗近兩年連續18次組網發射，將28顆北斗三號組網衛星，2顆北斗二號的備份衛星，順利送入軌道。平均每個月發射1.2顆衛星，刷新全球衛星導航系統組網速度世界紀錄。

冉承其表示，2035年，我國將建成以北斗系統為核心，更融合、更智能的國家綜合定位導航授時體系，進一步提升時空信息服務能力，實現由深空到深海的立體服務覆蓋，要讓多種應用模式更加融合，具備由公里級定位精度到分米、厘米級定位精度的多樣化服務能力。

“這個體系已經完成了初步論證，也開展了關鍵技術攻關和研究工作。我們也非常有信心，能夠在2035年之前建設一個更好的綜合時空服務體系，為中國、為全世界提供更好的服務。”他說。

隨著北斗構建了更加高精度、高可靠、高安全的新一代信息時空技術體系，北斗在應用和產業化方面也在不斷邁上新臺階。北斗和5G的融合更是將在智慧城市、智慧制造、智慧家庭、智慧農業等未來的新技術方面發揮出巨大作用。

在我國遠洋捕撈的漁船上，搭載著2萬多臺套北斗導航系統終端，每年服務3億人次以上。每年有上百名海上遇險的漁民利用北斗導航的精確定位得到了救援。

在東北和新疆廣袤的農場里，2000多套無人耕種機械，接收著來自北斗衛星的定位信號，在大田里循著既定路線自助耕作，提高作業效率30%以上……

北斗智能公交系統實現了公交車輛的精確到站預報和智能化管理，平均到站時間預報誤差小于1分鐘，每天惠及數百萬市民出行。

曾經，我國95%的民用導航市場被美國主導的GPS全球定位系統所壟斷;如今，大部分市場份額已被我國自主知識產權的北斗導航系統所取代。

上海市歷來高度重視北斗衛星導航技術創新和產業發展，它已經成為響當當的科創“明星”。目前，上海北斗衛星導航產業規模逐年上升，擁有相關企業約百家，產品覆蓋了導航衛星、星地增強系統、芯片、板卡、終端、導航數據采集和處理、系統集成、運營服務等各個領域。

2016年由上海交通大學領銜、8家產學研單位合作的“北斗導航與位置服務關鍵技術及其產業化”獲得2016年度上海市科技進步獎唯一的特等獎。項目帶頭人、上海交通大學郁文賢教授團隊潛心30年科研攻關，在核心算法、基礎產品和特色應用三個技術層面取得重要突破，直接催生和持續帶動了上海西虹橋北斗產業園的快速崛起，在北斗導航領域實現了全產業鏈創新，提升了上海在衛星導航領域的創新競爭力與國際影響力，推動上海北斗導航領域的產業集聚，為上海建設具有全球影響力的高精度導航位置服務技術創新中心和新興產業策源地奠定了重要基礎。“未來市場一定是北斗化，而非GPS化。”郁文賢教授自信地說。

2019年年底，上海市北斗導航研發與轉化功能型平臺正式啟動，這個平臺是上海科創中心建設的“四梁八柱”的重要組成部分。上海西虹橋導航技術有限公司作為北斗功能型平臺的主要承建單位，將圍繞復雜場景、高可用、高精度融合導航技術提供研發、標準、測試服務和整體解決方案等技術共性服務，建成場景適應性導航技術研發支撐體系，加速北斗導航領域創新成果轉化，推動具有全球影響力的導航科創中心建設，服務國家北斗戰略和上海乃至長三角導航產業技術集群創新和產業集聚發展。

北斗為道路上行駛的車輛提供高精度定位系統。

業內專家一致認為，2020年是北斗實現轉折發展的關鍵年，將從系統建設轉向產業發展，從研發轉向產業化應用，從單一技術產業向多技術多產業深化融合轉折。

作為北斗導航系統的垂直應用之一，車聯網技術的高速發展無疑將全方位受益于北斗的全面布局和高精度定位。郁文賢在接受記者采訪時說，全球定位系統GPS的定位能夠“精確”到幾米，對于民用GPS而言，最好的定位精度也不過3-5米。而我們的北斗衛星導航系統呢，不僅實現了復雜環境下單點定位精度優于0.8米，動態RTK定位精度優于5厘米，還可實現室內定位精度優于1米的高超技術。室內外的“最后一米”問題解決了，“這意味著，如果在路上開車，可以精確到你在哪一根車道;即使在室內，通過多種傳感器技術的融合，也可知道你在哪個房間、坐在哪張桌子前。”

北斗為道路上行駛的車輛提供了高精度定位服務，它可以實現端到端亞米級，甚至厘米級的動態定位。在極端惡劣的天氣下，車載激光雷達和攝像頭等融合感知設備會一定程度上失效，從而影響車車、車路之間的狀況判定，不能及時有效地傳遞信息，“而北斗高精定位技術卻不受天氣環境等外界因素影響，在任何情況下，它都可以保證汽車的精準定位，可以充分保障車輛行駛安全，降低事故發生率”。

公路交通無疑是我國衛星導航系統應用最成熟、最廣泛的行業之一，此外，在測繪、航空、智慧城市、公共安全、工農機械、無人系統等領域，北斗的應用也將進一步深化。衛星導航定位系統究竟有哪些應用，專家說了——北斗的應用只受制于我們的想象力。

讓我們立即進入 “北斗+5G ”打開的新世界吧！