條條大路參北斗

毛穎 楊震

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。隨著該衛星成功進入預定工作軌道，預示著北斗三號全球衛星導航系統星座部署全面完成。

北斗—號工程于1994年1月10日立項，2000年10月31日發射第一顆北斗導航試驗衛星，到2020年7月31日北斗三號全球衛星導航系統正式開通，“北斗人”排星布陣長達26年。隨著北斗三號全球衛星導航系統的開通，北斗也邁入了全球服務新時代。我們就來說一說，北斗衛星究竟給我們帶來了什么。

斗轉星移和過洋牽星——天文導航

在夜間光源不那么多的地方或是較早年代，星星是尋找方向的重要幫助.其中，大家最熟悉的就是北斗星。

北斗由7顆亮星構成勺形，勺口連線在天幕上延長約5倍遠處是北極星，即大體上的正北。北斗七星的相對位置幾乎不變，整體隨季節繞北極星旋轉，如秋季斗柄指西，每一年北斗恰好旋轉一周，這就是常說的“斗轉星移”。

星星能指引方向是人類在實踐中獲得的經驗，將其與地圖、幾何測量等手段結合，就發展出天文導航技術。天文導航依賴自然信息源一星光的導引。也稱“星光導航”。

我國是最早應用天文導航的國家之一。在《武備志》中收錄了《鄭和航海圖》，其中附有四幅《過洋牽星國》，表明鄭和船隊在遠洋航行中使用過天文導航。如今，在航空、航海、登山、宇宙航行等領域，當獲取人工導引信息遭遇困難時。天文導航仍有用武之地，它也是從事這些工作的人必須要學習的基本技能。

從磁場到電波——更多導航手段

星光易受天氣、光污染等環境的影響，在白天也難以看到。隨著技術進步，人們叉開發出更多導航手段，如指南針、慣性導航、無線電導航等。

指南針導航

大家所熟知的我國古代四大發明之一——指南針，它的指針兩端能自動指向南北極。它所依賴的，是自然信息源地磁場。

慣性導航

這種導航手段通過測量載體的運動加速度，通過軌跡推算定位，不依賴外部信息，但每次推算都要從上次結果出發，誤差會逐漸累積，需要其他手段校正。

無線電導航

無線電發明后，以電渡為信息源的導航技術迅速得到應用。早期無線電導航通過天線測向來建立接收機與發射機間的連線，稱為“測角”法。這種方法受天線的方向敏感性等因素影響，精度較低，目前常用于協助飛機降落，此時也稱為無線電導引。

受地球曲率影響，地面無線電導航臺的有效距離通常只有幾十干米。將發射機建在山上能增加有效距離，但提供全球導航仍需很多導航臺接力。把發射機搬上人造衛星，結臺天文和無線電導航，就是衛星導航技術。

20世紀60年代，美國首先開展衛星導航研究.于1964年建成“子午儀”系統并交付海軍，1967年開始民用。當時蘇聯也開展了類似的研究和建設。

1995年，美國在之前的研究基礎上建成世界第一個全球衛星定位系統，也就是現在家喻戶曉的“GPS”。此后俄羅斯、歐盟、中國、日本、印度等相繼開展衛星導航系統建設。我國自主研制的全球衛星定位與通信系統，代號正是“北斗”。

導航衛星的秘密

以衛星為信息源，用戶必須能收到來自衛星的電波，通稱“看到”衛星。目前國際標準衛星導航信號的頻率范圍為1～2.5與GHz，只能直線傳播，因此用戶和衛星的連線上不能有障礙物。包括地球本身。而且，為了精確定位.用戶須同時看到至少4顆星，所以導航衛星的軌道決定了服務的覆蓋面。

由于衛星導航的本質是用已知的衛星位置來定位用戶.為保證衛星軌跡穩定，目前使用的導航衛星軌道普遍為圓形，有地球靜止同步、傾斜地球同步和地球中圓三類。

地球靜止同步軌道（GeoStationarv Orbit，簡稱GEO）

這類軌道位于赤道上空約36 OOO千米高，通信衛星也常使用這條軌道。衛星沿該軌道環繞地球的周期與地球自轉相同.衛星相對地面靜止，較易查詢，但在高緯度地區視角偏低易被遮擋。尤其在靠近兩極處，受地球曲率影響無法看到衛星。

傾斜地球同步軌道

這類軌道高度也約為36000千米，環繞周期也與地球自轉相同，但軌道面與地球赤道面的夾角，即軌道傾角不是O°，所以衛星相對地面并不靜止，而是在一定南北緯度范圍內往復運動。采用這種軌道能讓高緯度地區用戶較易看到衛星。

地球中圓軌道

它的高度低于前兩種同步軌道。以GPS的衛星為例，軌道高度約為20200千米，環繞周期是地球自轉周期的一半，即每天恰好環繞兩周。GPS星座由24顆衛星按間隔60°的6條軌道分布，軌道傾角約55°，可覆蓋全球。北斗二號、三號里的MEO衛星和歐盟的“伽利略”軌道傾角相同。為照顧俄羅斯廣闊的高緯度地區，“格洛納斯”選擇了64.B°傾角。

和無線電導航一樣，從衛星到用戶可得到一條連線。如果知道衛星位置，單顆星能指出方向;兩顆星到用戶連線交點構成的圓與已知海拔高度的球面相交，可得到兩個候選點，實現初步定位;三維定位須至少3顆星，考慮誤差消除，最好是4顆。

測角法精度較低，現代衛星導航并不采用，而是通過測定用戶到多個衛星的距離，求解空間解析幾何方程組來得到用戶坐標。由于光速是常數，這又轉化為測定信號從發出到抵達接收機所用傳播時間，即“時間測距法”。

衛星信號通常包含發出時刻，理論上將收信時用戶時鐘的示數減去該時刻即得到信號傳播時間。但是，這樣得到的結果必然包含用戶與衛星時鐘的偏差，影響定位精度。因此，如果能同時看到4顆以上不在同一平面的衛星，往往把收信時刻也作為未知數，建立4元方程組，一次解出用戶的三維坐標和時鐘偏差，同時定位和授時。GPS、北斗等衛星導航系統都有這個能力。

在進行定位時，有的衛星導航系統除了作為信號源向用戶發送信號之外，還可以接收用戶發送的信號。據此我們還可以把衛星導航系統分成有源定位與無源定位兩類。

無源定位

以GPS為代表的大部分衛星導航系統為無源定位，用戶不發送信號，只接收衛星導航信號即可完成定位。

有源定位

有源定位方式仍然基于時間測距，在用戶發送出信號后，由地面中心站測量出信號從用戶到衛星的往返時間，算出二者距離，進而獲得用戶坐標，再經衛星發回用戶。

比起無源定位，有源定位的優點是只需兩顆衛星就能定位，因此在定位條件不好（用戶“看不到”足夠顆數的衛星）的緊急情況下也能進行定位。還能發送短信息，讓導航衛星兼職通信衛星。

最初，GPS是為軍事目的開發，在導航信號中加入了密碼，對不能解密的民用接收機這等于干擾，降低了精度。2000年后，GPS改為在不同頻點分別發送軍用和民用碼，其中民用碼符合國際標準，不再附加干擾，定位精度提升，北斗也采用了符合國際標準的編碼。

影響精度的不只有人為干擾.還有電磁擾動等自然因素。利用已知位置的地面站，接收帶干擾信號并解出“偽”坐標，再與實際坐標對照得到偏差量.把它發給附近能收到同一組衛星信號的用戶，可消除偏差，提升精度，這就是“差分GPS”技術。進一步的，通過測量基站與衛星距離，以及兩站間衛星信號載波的相位差，能得到更精確的修正值，實現厘米級定位。以上統稱地面增強技術，已隨GPS系統的普及在全球廣泛應用。

強大的心——原子種

為實現定位。衛星必須提供精確時間信息。光速約30萬千米/秒，為使定位精度達厘米級，時鐘分辨率要達到300億分之一秒。普通電腦主頻約3GHz，時鐘分辨率約30億分之一秒，且有嚴重累積誤差，無法提供精準時間，只有用原子能級躍遷周期標定的原子鐘才能滿足衛星導航的精度和穩定性要求，它的分辨率可達百萬億分之一（10-14）秒。

傳統原子鐘體積龐大，還要安裝在地下室以減少環境干擾，把它搬上衛星是實現高精度定位的難點之一。因此星載原子鐘應運而生，它就是主要應用于導航系統的原子鐘，分為氫原子鐘、銣原子鐘和銫原子鐘三種。其中銣原子鐘體積小、重量輕，而銫原子鐘、氫原子鐘長期性能優異。一般導航衛星系統會采用不同原子鐘混合搭配的開發方案。

北斗的前世今生

北斗工程從一號工程1994年的立項，到2020年7月1日三號衛星導航系統正式開通，其過程并不是一蹴而就的，這其中經歷了漫長的過程。

北斗之前的衛星導航系統

要說到衛星導航系統，就不得不提20世紀發生在美國與蘇聯之間的冷戰。自從20世紀50年代，蘇聯發射了第—顆人造衛星“斯普特尼克1號”之后，對此深感警惕的美國就被打開了思路。美國人提出了通過衛星導航定位系統實現全球定位的構想，當時這種構想是基于軍事應用的。

有了理論上的構想，美國人憑借他們的科技實力與執行能力，很快就把衛星導航定位系統實現了，而且一搞就是前后兩套：1964年，美國首先搞出了一個“子午儀”衛星導航系統（Transit navigation satellite system），這個系統也是世界上第一個由復數顆衛星構成的衛星導航系統。到了20世紀70-80年代，他們在“子午儀”的基礎上改進了缺陷，提出了由24顆衛星為基礎的全球定位系統（Global Positioning System），并在90年代初部署完成。也就是前面提過，為我們所熟悉的GPS系統。

作為美國的冷戰對手，蘇聯也針鋒相對地在1976年提出了格洛納斯（Global navigalionsatellite system）計劃，并在1985年發射了酋顆衛星。可惜這一系統還沒完成。蘇聯就被美國拖垮。之后俄羅斯雖然繼續了這一計劃，但格洛納斯無論是在技術成熟度還是應用覆蓋方面，都無法與美國的GPS抗衡。

于是乎，GPS從20世紀90年代起就成為幾乎覆蓋全球的衛星導航系統，雖然它在服務美國的軍事應用之外，也開啟了民用功能為全球的定位與導航提供了便利，但對于我國來說，也提出了國家安全方面的挑戰。在這個大背景下，我國“北斗一號”衛星導航系統1994年正式立項。

“北斗”的三級階梯跨越

從1994年北斗—號衛星導航系統立項，到2020年7月31日北斗三號衛星導航系統正式開通，26年時間里，“北斗”一共發射44次.將59顆（含4顆試驗衛星）衛星成功發射上天，這其中經歷了三步走的階梯式跨越。

北斗一號

北斗一號作為中國從無到有開發自主衛星導航系統的嘗試.重要目的之一是為了驗證系統的可行性與可靠性.因此從立項到第一次發射用了6年時間，2000年兩顆GEO試驗衛星成功發射，2003年再次成功發射一顆GE0試驗衛星，宣告北斗一號衛星導航系統順利建成。也宣告我國成了繼美國、俄羅斯后第三個擁有自主衛星導航系統的國家。

值得一提的是，北斗一號是世界首個有源衛星導航系統，用戶可以主動發送信號進行定位，并能發送120個漢字的短報文信息。在2008年汶川地震中，在地面通信信號盲區或其他通信手段失效后，率先抵達現場的救災部隊就是通過北斗一號發出第一份緊急報告，北斗一號成了當時震區人民與戰士們生命安全的最后保障。

目前北斗一號系統衛星雖然已經退役，但是它們為北斗系統之后的建設奠定了基礎。

北斗二號

在北斗一號成功的基礎上，2004年我國啟動了北斗二號衛星導航系統。北斗二號衛星導航系統初步完成組網時有14顆衛星，而且除了GEO衛星之外.還增加了IGSO以及MEO兩種衛星。因此北斗二號比起北斗一號覆蓋更廣，抗遮擋能力更強。這個系統可以服務整個亞太地區。通信機制上也開始采用了有源定位與無源定位相結合的機制。

有趣的是，在北斗二號系統開發過程中，中國的運載火箭發射技術也取得了突破。2012年，“長征三號乙”火箭一次性將北斗第12、13兩顆MEO衛星成功發射上天，這也是中國首次成功實現“一箭雙星”。

北斗三號

在2009年，北斗二號尚未完成的時候，我國已經開始了北斗三號的布局，并計劃讓它的服務可以覆蓋全球。它同樣由GEO、IGSO、MEO三種軌道的衛星組成。比起北斗一號和二號，它在多項功能上有所提升，例如它的短報文發送能力從120個漢字提高到1000個漢字，支持用戶數量從50萬提高到1200萬，而且能實現40個漢字的全球短報文通信。除此之外，它在前面提到的地面增強技術、原子鐘等多項技術上也有飛躍性的突破。

地面增強技術

北斗三號首次配備的星間鏈路，能對運行在地面測控站視野外的衛星進行監測，并在衛星間雙向精密測距和通信，自主計算和修正衛星軌道位置與時鐘，大大減少對地面測控的依賴，即使地面測控失效，通過星間鏈路仍能為用戶提供定位和授時。

原子鐘

北斗一號與二號采用的原子鐘是單純的銣原子鐘.而北斗三號的衛星不但裝載了新一代銣原子鐘，比前代產品體積更小、重量更輕、精度更高，而且還首次裝備了氫原子鐘，使其授時功能頻率穩定度、準確度更高，而且還能提高組網衛星的使用壽命。

“北斗”離我們并不遠

大家可能會思考，北斗衛星導航系統雖然值得驕傲，但是那些高大上的技術，更多是運用于軍事或者科研方面的，離普通人生活好像很遠。那么，這個系統能為我們帶來什么？

事實上，北斗不但離我們并不遙遠，而且與我們的生活緊密相關。

搶險救災

前面已經講到過，北斗一號在汶川地震時期，為救災部隊立下了大功。事實上，搶險救災一直是北斗衛星系統的最重要應用之一。中國幅員遼闊，同時自然災害較多，因此要在全國范圍內對災情做到全方位無死角的監控與預警，壓力非常大。為了解決這個問題，北斗導航系統通過在天空的衛星組網，加上中國境內接近3000個地面站所，構成了—個地面增強網。這個地面增強網能夠達到實時處理精度厘米級.事后處理精度毫米級的監控精度。就是靠這套地空相結合的系統，加上相應的輔助設備，北斗系統才可以進行實時監測。

諸如對水災或者泥石流等地質災害的監控.北斗系統通過實時的形變監測，在鐵路、邊坡有泥石流的地方，可以提前預警、轉移人員，為搶救贏得時間。在今年南方水災過程中，北斗也起到了重要作用。例如北斗監控系統在今年預警監控到了湖南省石門縣南北鎮出現的泥石流滑坡，提前轉移了60多人，保障了人民群眾的生命財產安全。

地圖導航

如今我們不管是駕車出行，還是到一個陌生的地方，總免不了打開手機里面的地圖導航軟件。因為美國GPS系統在全球的影響力，許多人認為我們手機導航軟件用的就是GPS系統，甚至直接把手機導航稱為“GPS”。實際上，北斗導航系統早在2012年底就已經開放了民用服務功能。而現在國內絕大多數手機以及導骯軟件，也同時支持北斗系統。

特別是在北斗三號系統開發過程中，北斗相關產業鏈已被打通，安裝在接收端的芯片、板卡、天線等實現量產化，支持北斗地基增強高精度應用的手機已經上市。在高精度應用的手機的支持下，在不遠的將來，我們在開車時甚至可以實現車道級的導航。

綜合管理

除了我們的個人日常生活之外.社會要順利運轉，交通運輸、工業生產、農林漁業、公共安全、智慧城市……方方面面都離不開衛星導航系統。而北斗也早就披應用于這些領域。

以交通運輸為例，早在2013年，我國交通運輸部就發出過通知：旅游包車、大客車、危險品運輸車輛需要更新車載終端的.應安裝北斗兼容車載終端;所有新進入運輸市場的重型載貨汽車和半掛牽引車應加裝北斗兼容車載終端：鼓勵農村客運車輛安裝北斗兼容車載終端。而北斗系統不但可以實時監控保障交通運輸安全，還可以通過車載終端的數據反饋，獲得交通運輸相關的大數據。

而在生產管理方面，北斗導航同樣發揮著重要作用。這里有一個有趣的案例，以水產養殖為主業的獐子島公司，為了虛報公司的經營與財務數據，曾多次對外宣稱他們養殖區的扇貝因各種客觀原因絕收，被業界戲稱為“扇貝跑路事件”。證監會在對獐子島公司進行調查過程中，求助了北斗導航系統。北斗導航系統通過提供獐子島公司扇貝捕撈船只的海量導航定位信息，確認捕撈船活動軌跡與獐子島公司對外公告的養殖捕撈區域范圍出入很大，從而還原了事實真相。

所以，依托北斗系統衛星組網以及覆蓋我國大多數地區的地面增強站網，北斗導航系統在社會生活的各個領域默默地為大家服務。它離我們一點也不遠。

北斗的未來在哪里

北斗作為聯合國認可的四大全球衛星導航系統之一，相關產品已出口120余個國家和地區，向億級以上用戶提供服務，基于北斗的國土測繪、精準農業、數字施工、智慧港口等已在東盟、南亞、東歐、西亞、非洲成功應用。

那么北斗在邁進全球化服務的新時代，未來將有什么發展計劃？

在北斗三號開發過程中，400多家單位、30余萬科技人員攻克了關鍵核心技術，實現了北斗三號衛星核心器部件國產化率100%。不過北斗導航系統尚有需要攻克的技術難題。例如衛星導航有天然的脆弱性，信號弱、容易被干擾.在室內導航、水下導航時會碰到很多困難。

而綜合定位導航授時體系（PNT體系）是解決這個問題的思路，它能融合各種現有技術，解決水下、室內導航信號弱的問題，并將為探測火星等深空探測活動提供更好的導航服務。

能夠與北斗導航系統融合的新興技術.包括5G、人工智能、大數據等。這種融合還可能帶來新的行業增長點，諸如在自動駕駛、無人機應用等方面產生革命性變化。

對于未來在北斗系統架構上的拓展，“北斗人”們也早有計劃。新一代北斗衛星組網系統正在醞釀。預計在2025年之前，北斗將建成一個天基低軌星座系統，屆時可以實現覆蓋全球的厘米級定位服務。到2035年前，通過前面講到的技術融合，要建設一個從室內到室外、深海到深空立體覆蓋的定位系統。