北斗九問

毛新愿

2020年6月23日9時43分，北斗衛星導航系統第55顆衛星搭乘長征三號乙運載火箭從西昌衛星發射中心升空，隨后成功進入預定軌道。這意味著自1994年開始預研的北斗衛星導航系統終于完成全部組網星座發射任務，正式建成！

北斗衛星導航系統（以下用北斗指代）將中國人千百年來“尋路靠北斗七星”的經驗變成現實，在方方面面徹底改變了中國人的生活方式。本文將圍繞關于北斗的幾個經典問題，詳細解讀這個宏大工程的意義。

一問：為什么有GPS還要做北斗

美國的全球定位系統（簡稱GPS）起步于20世紀70年代，經過多年發展，尤其是經商業運作以后，已經走入人們日常生活中。但是，它的本質是軍用衛星導航系統，隸屬于美國空軍，毫無疑問會時刻以本國利益為第一位。在實踐中，由于更了解自己的信號體制，工程師不僅能在信號方面增加干擾、欺騙等手段，空間段還能停止某一地區的服務，芯片定價權和使用權限等也在美方手中。

例如，GPS開放民用服務后，普通用戶只能使用定位精度差且增加了選擇可用性（干擾）的民用碼定位服務。2000年5月2日，為打壓俄羅斯軍民兩用衛星導航系統格洛納斯（GLONASS）的商業化空間，GPS系統選擇主動去掉干擾參與競爭，定位精度瞬間提高10倍以上。但這也意味著，它可以隨意恢復干擾，甚至徹底停止區域服務。這類事情在近年印巴沖突、中東地區沖突中屢見不鮮。

GPS目前幾乎用在了美軍任何一種需要定位的武器中，民用方面也占據著全世界以千億美元計的巨大市場。因而，無論是從國家國防安全，還是導航應用市場的巨大商業利益來看，中國都必須擁有自己的衛星導航系統，這個領域不會存在真正意義上的國際合作。

目前，只有美國、俄羅斯、中國和歐盟先后建立了全球衛星導航系統，日本、印度建有區域衛星導航系統，這幾個國家（地區）都把相應系統作為發展的重中之重，意義可見一斑。

二問：為什么北斗有三種軌道

美國、俄羅斯和歐洲的星座只部署在距離地球約2萬千米的中遠地球軌道（MEO），以實現軌道周期（約12小時）與信號覆蓋范圍的最佳平衡。為達到全球任一點都能收到4顆衛星信號以實現定位授時的目標，至少需要24顆衛星保證服務質量。

日本和印度的星座主要服務本國，選擇了軌道周期與地球自轉同步的軌道，距離地面35786千米，從地面觀測相對穩定。其中，日本QZSS系統高度依賴美國GPS系統，使用至少3顆衛星運行在傾斜地球同步軌道（IGSO），保障在日本高緯度地區和城市高樓林立環境下的使用；印度由于更加靠近赤道，在IGSO之外還使用了定位于赤道上空的靜止/同步地球軌道（GEO）。

對于北斗而言：“小孩子才做選擇，我全都要！”北斗兼具MEO、GEO和IGSO三種軌道。MEO（傾角55°，高21500千米）保證全球高精度定位，主要運行在亞太地區的GEO（傾角0°，高35786千米）和IGSO（傾角55°，高35786千米）則保證亞太和“一帶一路”地區更高精度的定位。

三問：為什么北斗有一號、二號、三號之分

衛星導航系統是一個龐大的工程，是大型航天載荷發射技術、大型星座運營維護技術、高水平通用導航衛星平臺研發技術、無線電遠距離通信技術、高精度星載原子鐘技術等諸多高精尖技術的集大成者，門檻極高，其中任何一項都面臨嚴苛的技術封鎖。但困難從來都不是“造不如買”的借口，從1994年開始，中國航天人一步一個腳印，篳路藍縷，攻堅克難，啃硬骨頭，把整個北斗建設過程分成了“三步走”策略，即對應北斗一號、二號和三號。

北斗一號主要是試驗系統。2000—2007年共發射了4顆試驗性質衛星，全是GEO衛星，以區域測試服務為主要目標，目前已全部退役，不算入正式星座。

北斗二號主要是區域導航系統。2007—2019年共發射了20顆衛星（包含備份星），其中，8顆為GEO衛星，7顆為IGSO衛星，主要服務于亞太地區；5顆為MEO衛星，僅能提供有限的全球覆蓋。所以，北斗二號系統總體上服務于亞太地區。

北斗三號是全球衛星導航系統。從2015年至今共計發射了35顆衛星，其中5顆為測試性質，不提供服務。在正式星座中，3顆為GEO衛星，3顆為IGSO衛星，24顆為MEO衛星，可向全球提供高精度、全天候、全天時的導航定位授時服務。

與此同時，衛星平臺也在不斷大幅改進，不同北斗衛星（包含試驗星）在東方紅3號等衛星平臺基礎上反復改進，演化出了10余個版本，難度可想而知。目前北斗二號大部分衛星依然在正常工作中，因而實際處在運行狀態的北斗星座超過40顆，遠超GPS的32顆。未來，隨著北斗二號部分衛星逐漸退役，雖總數會有所降低，但仍將維持在30顆以上。

四問：為什么北斗衛星都用長征三號甲系列火箭發射

長征三號甲系列火箭是我國的“王牌”火箭，最大特點是第三級采用了比沖（衡量發動機工作效率的指標，越高越好）更高的液氧液氫發動機，因而它也是長征火箭家族用于發射更高更遠任務的專屬火箭，例如嫦娥系列、風云（二/四）衛星以及各種通信衛星等，北斗家族同樣如此。

經過多年成熟發展，長征三號火箭形成了四種主要構型，基本型已于2000年退役，目前服役的有長征三號甲、乙和丙三種主要型號，以及近10種改進版本。相比長三甲，長三乙/丙增加了助推器，且做了大幅升級，能力更強。其中長三乙不僅攜帶4個助推器（長三丙為2個），還可攜帶遠征上面級，能夠執行北斗一箭兩星任務，能力最強。在北斗所有發射任務中，長三乙實現了15次一箭兩星任務，運送了30顆衛星入軌，可以說是“王牌中的王牌”。

五問：為什么北斗能服務無限個用戶

北斗三號是一種無源定位系統，每一顆導航衛星的本質就是告訴你這么一個事情：現在幾點了（時間ts），我在哪里（xs，ys，zs）。當用戶（接收機）收到信號時，可以通過比對，得到接收機上時間與接收到的衛星信息顯示時間之間的差值，這個差值乘以光速c就是用戶和衛星之間的距離。還有一個方法是數中間隔了多少個信號波長。衛星由于有專門的科學家在維護，它的位置極其精確，誤差在1厘米；衛星上搭載的是原子鐘，幾百萬年才可能差1秒。因此，衛星的所有信息幾乎可以被認為是無誤差的。

用戶只需要解出四個參數：在地球上的三維坐標x，y，z和鐘差t（畢竟用戶的石英鐘不可能和原子鐘精度相比，需要把它的誤差作為一個未知數解出來）。用戶只需接收到4顆衛星信號，通過構建4個方程，解出4個未知數，即可精確確定自身的位置和時間。

衛星要做的只有一件事：往地面發信號，報告說我在哪兒、幾點了。除此之外，衛星不需要做任何輔助計算一類的事。用戶只要能收到信號，并對其進行計算即可，與這些衛星沒有任何交流，也不消耗它們任何能量。這就意味著，用戶數量理論上是無限的，而且每一位用戶都可以享受米級定位精度和納秒級授時精度。

六問：北斗有哪些特色絕活

星間鏈路技術 導航衛星系統要長期維持下去，需要地面監控站、主控站、注入站等站點的配合。對于全球導航定位系統而言，這些站點位置分布也有要求。例如GPS就擁有5個監控站、1個主控站和3個注入站，幾乎均勻分布在美國領土和海外軍事基地中，每年開銷不菲。

對于北斗而言，全球建站不僅存在安全性的問題，還有運營成本的問題。所以，該系統最大限度地利用了自身優勢，即高、中軌道搭配的衛星星座，開發出星間鏈路技術，使各個衛星之間可以彼此通信聯絡。這樣僅需在我國境內對衛星進行主控、監控和信息注入，既解決了全球建站安全性的問題，也可以降低運營成本。衛星之間可以互為校正，也有助于提高服務質量，增強抗干擾能力。

短報文系統 這是北斗的一個獨門絕活。短報文系統簡而言之就是通過衛星實現天地雙向通信。其他衛星導航系統都不存在接收機和衛星之間的雙向通信，只是單向接收。北斗的這一功能意味著衛星可以向擁有此項授權服務的接收機發送專屬信息，例如在大洋之上、深山老林之中等沒有任何手機信號的環境下，發生緊急情況時高軌北斗衛星可以及時與地面互動。

此外，部分北斗衛星還攜帶了國際Cospas-Sarsat衛星輔助搜索和應急救援計劃的有效載荷，在發生緊急情況時，可以參與到國際合作的應急救災工作中。

七問：北斗能怎樣服務于科學研究

北斗最大的特點是高精度授時和定位，對于科學應用而言，高精度接收機可以利用載波相位信號和差分技術等輕松實現厘米級定位精度和毫米級基線精度。筆者從事低軌衛星精密定軌技術研究，本質就是用星載的接收機給衛星確定位置，也可以實現1厘米級定軌精度。在高精度衛星軌道的輔助下，衛星上的精密儀器也可以大展身手。因此，衛星導航系統的出現，使得人類對地球重力場、地球磁場、大陸板塊運動、地球自轉、海洋潮汐、冰川極地、自然災害等地球科學的研究達到了前所未有的高度。

除了助力地球科學的研究，在其他領域，北斗也有極大的促進作用。例如，衛星信號需要穿過復雜的電離層和對流層等抵達地面，北斗有三個主要頻率，每種信號受到的影響不同。它們集合在一起時，就提供了有助大氣研究的海量信息。再如，北斗的高精度原子鐘，可以用來同步大型科學實驗和精準授時。除此之外，北斗還會帶動一系列通信、電子、芯片等產業的大發展，促進多個行業的科學研究。

八問：北斗如何服務于普通大眾

普通人的生活已經離不開導航衛星了，北斗也在迅速融入，為大家提供更好的服務。最典型的莫過于定位服務，例如地圖導航、共享單車/打車、快遞查詢等，徹底改變了現代人的生活。

交通系統高精度時刻表、國家大型電網輸電、金融系統超高頻交易、通信終端永遠準確的時間，都有北斗原子鐘的身影。大型基建工程，高鐵、大橋、機場建設，都需要北斗定位。農林牧漁、交通運輸、水文監測、氣象預報、地理測繪、森林防火、電力調度、救災減災、應急搜救、面積測算等，都需要高精度衛星定位服務。目前很多新技術，例如自動駕駛、無人碼頭、自動化農業、無人機植保等，也離不開北斗的強大支撐。

九問：北斗的未來是什么

北斗在完全建成之后，將會繼續保持一定頻率的衛星發射活動，以替換逐漸退役的老衛星，常態維持至少30顆的全球服務星座。北斗衛星也將不斷升級，以提供更好的定位服務。與此同時，在低軌（數百千米高的軌道）可以建設導航增強星座，在地面尤其是城市高樓林立的環境中，可以建設輔助站點，最終實現實時動態厘米級定位精度，大大提高北斗的定位精度，實現空天地信息一體化。

在備受關注的商業方面，隨著人類社會對物流和定位的需求越來越高，北斗的商業應用價值也會被極大開發。按照歐洲全球定位研究中心的估計，2025年左右世界范圍內的衛星導航定位設備需求量將超過92億部，年產值將超過2680億歐元，這是個海量的市場，其中亞太市場的增長速度更將傲視全球，年增速可以達到40%以上。在這片紅海中，北斗無疑是最有潛力抗衡GPS系統的一個。規模化的應用會大幅降低硬件收費水平，進一步確定商業市場領先優勢，從而形成正循環，最終達到一個理想的狀態—實現系統長盛不衰的同時依然能快速迭代。

人類已經進入衛星導航的時代，且永遠無法離開導航衛星了。