北斗系統實現全球組網：讓中國的衛星來守護中國的天空

2020-10-20 08:15:36Sue

文/ Sue

2020年6月23日9點43分，在西昌衛星發射基地，“北斗三號”衛星導航系統成功發射最后一顆衛星。現在，太空中有55顆北斗導航衛星，正圍繞地球，晝夜飛行，為地面上2700多個基準站發射信號，改變著無數人的生活方式。

三球交會定位原理

從20世紀80年代提出設想，到1994年“北斗一號”工程建設正式啟動，并于2000年發射2顆地球靜止軌道（GEO）衛星，到2004年“北斗二號”正式立項，再到如今最后一顆“北斗三號”衛星成功發射，完成全球組網，這項龐大的航天工程，歷時30多年，終于轉入長期管理模式。

北斗系統（BDS）和美國全球定位系統（GPS）、俄羅斯格洛納斯衛星系統（GLONASS）、歐盟伽利略衛星導航系統（Galileo）并稱為“全球四大衛星導航系統（GNSS）”。北斗系統由于是我國自主研發的衛星導航系統，且可以為全球用戶提供全天候、全天時、高精度的定位、導航和授時服務而備受全球矚目。

全球衛星導航系統是一項龐大、繁瑣、精密的航天工程，起步較晚的北斗系統是如何趕超、實現的呢？

要想實現定位功能，首先要在太空中至少布置3顆導航衛星。它們不斷地向地球發射電磁波信號，我們利用導航設備接收信號，信號在一發一收之間產生的時間差乘以電磁波的傳播速度（等同于光速），便可以計算出我們與衛星的距離。

這3顆導航衛星所構成的三個球面相交后，可得到A、B兩交點，A、B點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。如果只有一兩顆衛星，是做不到這一點的。這就是衛星導航的秘密，即三球交會定位原理。

在實際操作中，各種各樣的誤差不可避免。為消除誤差，往往還需要第4顆衛星的輔助。而為了保證時刻接收到4顆及以上衛星的信號，衛星總數往往要遠遠多于4顆。美國GPS系統和俄羅斯GLONASS系統的導航衛星數量都在24顆以上，也是這個道理。

然而，這對當時國內的技術條件而言，幾乎是不可能實現的夢想。那么能不能用更少的衛星完成目標？中國科學院院士、“兩彈一星功勛獎章”獲得者陳芳允給出了答案：由兩顆衛星組成的雙星定位系統。

他提出，在地面設置一個導航系統的“大腦”，即地面控制中心，利用地面控制中心，人們可以在地球周圍設置一個虛擬的球體，并通過控制中心、衛星、用戶三者之間的交互，計算得到用戶的位置。

可即使只需要兩顆衛星，這也是一項極其艱難復雜的工程。從1994年方案獲得正式立項，到2000年“北斗一號”的兩顆衛星成功入軌，無數科研人員奮戰6年，終于夢想成真，中國的導航系統實現了從無到有的跨越。

這一蹣跚起步的過程中，自然是困難重重。比如，導航系統需要用到精度極高的原子鐘。研發“北斗一號”時，我國并不具備這方面的生產能力，只好從國外進口。但到“北斗二號”時期，采購渠道遭到封鎖，無奈，科學家們只能從零開始研制原子鐘。

太空資源，講究先到先得。美國和俄羅斯的人造衛星已經占據了導航的黃金頻段和軌道，這使得優質太空資源日益稀缺，研發工作越發顯得時間緊、任務重。

2004年，“北斗二號”立項。為了獲得專屬頻道，科研人員專門向國際電信聯盟提出申請，但應要求，在申請通過后的7年內，“北斗二號”衛星必須實現發射入軌和信號接收，否則相關資源將被回收。這意味著，科學家們必須在7年內爭分奪秒、萬無一失地完成“北斗二號”的研發任務。

北斗系統的研發之路異常艱難，但科學家們沒有放棄。他們擁有一份無比堅定的信念：讓中國的衛星來守護中國的天空。于是，從“北斗一號”的首星發射到“北斗三號”的末星入軌，我們看到無數科學家們不曾退卻，步步為營，努力拼搏，最終收獲成功的身影。

2020年6月23日，北斗系統成功完成全球組網！這一系統將被廣泛應用于電力、金融、通信、交通、農業、測繪、減災救災等生產和生活的方方面面，更重要的是，中國可以徹底擺脫對全球定位系統（GPS）的依賴。

現在，有300多個單位正為之孜孜不倦地工作。8萬多名“北斗人”將一起同心協力，用中國自主研發的衛星導航系統，創造出擁有無限可能的新未來。

北斗全球組網成功，不單是我國航天史上的一次里程碑事件，它也將從此深刻地改變我們的日常生活。從衣食住行到每一口呼吸，我們的生活被北斗“承包”了。

當外賣平臺遇上北斗系統，“阿宅”們的生活就更加美滋滋了。配備了北斗車載終端和手環，外賣小哥便可獲得最佳的配送方案。北斗系統實現了車、人、貨信息的實時調度，送餐效率立馬提升。

如今，裝有北斗導航系統的無人收割機可以奔馳在廣袤的田野之上，滿載農民伯伯豐收的喜悅。隨后，這些被收割下來的糧食，又將通過裝載了北斗導航系統的汽車運送到華夏大地的每一個角落，最終運到你的手中。誰知盤中餐，竟也有了衛星的守護。

北斗的定位精度極高，可以實現分米、毫米級別的定位，更小的東西也能被北斗“看見”。比如，它可以將空氣里行蹤不定的污染物納入環境監測信息系統，也就是說，沒有一顆PM2.5能逃出北斗的“慧眼”。保障我們呼吸的每一口空氣都是清新的，北斗做到了。

地面公交搭載上北斗導航系統，不僅能合理地調動整座城市的每一輛公交車，提高運行效率，還能對到站公交進行實時預報，準確率達到95%。從此以后，每當你到達公交站，抬頭一看實時時刻表，就能知道自己想坐的公交車什么時候抵達了。

用過共享單車的人，或許都曾有過這樣的經歷——騎車五分鐘，找車一刻鐘。現在，北斗可以避免這樣尷尬的事情發生。共享單車將通過北斗提供的亞米級高精度定位，向租借人提供精準的單車位置。即使在高架橋下、樓宇間、樹蔭下等信號遮擋的地方，定位也不會“漂移”。

據統計，2020年第一季度，在中國市場申請入網的智能手機中，超過75%支持北斗定位。只要你擁有一只置入了北斗芯片的手機，就可以收到北斗衛星的導航信號。駕車出門，它可以幫你精準地躲避擁堵，選擇最佳路線。有了這樣的手機，再迷糊的路癡也很難再迷路。