北斗當空

文｜馬 迪

為什么人類需要如此多的衛星？這是個既科學又政治的問題。

地圖，不管是紙質的還是電子化的，都在我們的生活中扮演著非常重要的角色。尤其是擁有了GPS與智能移動設備的雙重加持之后，即使是在陌生的城市里，我們也很少會迷路了。

方向和距離是繪制地圖最核心的要素。古代的人們靠指南針、司南、天體方位、樹木年輪、枝葉長勢等等分辨方向；靠步數、交通工具的計數來計算距離。中國古代還發明過一種叫做“記里鼓車”的器械，可以通過里面的一套齒輪系統記錄行駛的里程，是名副其實的“計程車”。這種純靠人力（有時輔以馬力）的地圖，只要肯下功夫、精細測量，就可以得到小范圍的精細地圖。

當人們開始意識到地球是球形的，以托勒密為代表的古代科學家不僅著手計算地球的半徑和周長，還開始使用經緯度來確定坐標，地球上任意一個平面上的點都可以用一組經緯度來表示。有了這套系統的輔佐，地圖變得更加準確和精致，達到了前航天時代的高峰。

再后來，傳統的繪制方法終于被人造衛星替代。1957年10月4日，蘇聯發射了世界上第一顆人造衛星，開創了人類的空間世紀。美國不甘落后，也于1958年發射了第一顆衛星。人們將衛星照片與地圖結合，誕生了歷史上第一張衛星地圖。

經過20多年的排星布陣，2020年6月23日，中國西昌衛星發射中心，長征火箭搭載著最后一顆北斗組網衛星成功升空，隨后到達距離地表約36000千米的軌道，開始穩定運行。至此，中國北斗衛星導航系統全面建成。

這是一個龐大的工程，堪稱“天羅地網”：8萬多名工作人員、300多家研發單位、前后奮戰20多年，送入太空中的46顆導航衛星晝夜不停地環繞在地球周圍，地面上2700多個基準站分布于大江南北。建成后的北斗衛星導航系統（BDS）與美國的全球定位系統（GPS）、俄羅斯的格洛納斯系統（GLONASS）、歐盟的伽利略系統（Galileo）并稱全球四大衛星導航系統（GNSS）。

為什么人類需要如此多的衛星？這是個既科學又政治的問題。

要想獲取我們在地球上的準確位置，需要在太空中布置至少3顆導航衛星，這就是“三球交會定位原理”。衛星從空中向地面發射電磁波信號，地面上的人利用導航設備接收信號，這樣一發一收之間產生的時間差再乘以電磁波的傳播速率（光速），便可以計算出我們與衛星的距離。當只有1顆導航衛星時，我們與衛星的距離為半徑得到一個球面，球面上的任何一點都可能是我們的位置。若有2顆導航衛星，兩個球面相交得到一個圓周，圓周上任何一點都可能是我們的位置。若有3顆導航衛星，三個球面相交得到A、B兩個點，兩點中任何一點也都可能是我們的位置。而兩點之中，僅有B點位于地表附近，于是便鎖定了我們唯一的位置。

在實際測量中會產生各種誤差，往往還需要第4顆衛星的輔助。同時為了保證我們隨時隨地都能接收到4顆以上的導航衛星信號，環繞地球的衛星總數往往遠高于4顆。例如美國GPS和俄羅斯GLONASS系統，衛星數量都在24顆以上。經此修正和處理之后，整個系統的誤差一再減小，精度持續增加，可以是米級、分米級、厘米級……

自2010年起，西昌衛星發射中心變得非常熱鬧。在不到3年的時間里，有14顆導航衛星從這里陸續發射升空。2010年發射5顆，2011年發射3顆，2012年發射6顆……同時，運算和控制等地面配套系統也鋪展開來，衛星與地面的調整測試也在同步進行，一箭雙星的發射技術逐漸“爐火純青”。2017年底發射1箭2星，2018年發射9箭17星，2019年發射6箭8星，2020年發射3箭3星……不到3年時間，30顆衛星以前所未有的速率發射升空，完成組網。

過去幾年，北斗衛星導航系統如何改變了我們的生活？你是否發現，你在手機上可以精準地找到附近的共享單車，了解外賣騎手的位置、公車距離自己還有幾站……其實在看不見的地方，北斗可以精確到閱兵方陣中各型裝備方隊等速行進，各個飛行梯隊距離誤差在正負10厘米以內；可以精確到監測大壩、大橋等工程的外觀變形；可以裝備到各種運輸工具上（目前有超過650萬輛營運車輛、4萬輛郵政和快遞車輛、3200多座內河導航設施、2900余座海上導航設施均已裝備北斗系統，成為全球最大的營運車輛動態監管系統）；甚至在空氣中，行蹤不定的污染物被納入環境監測信息系統，從此將逃不過北斗的“慧眼”。

北斗系統的成功建立，不僅可以產生顯著的社會效益和經濟效益，影響世界通訊衛星系統市場與5G技術加速融合。未來，北斗系統將向全世界開放，也會成為70多億人生活的一部分。