科技館里學航天

北斗，一個極具中國特色的名字。浩瀚宇宙，古有自然“北斗”斗轉星移、定向判季，今有人造“北斗衛星導航系統”（以下簡稱“北斗系統”）服務中國、服務全球，這是中國智慧的跨時空接力。

2020 年，北斗三號系統全面建成并正式投入使用，為全球提供服務，這標志著北斗系統工程“三步走”戰略圓滿收官，象征著中國北斗是世界的北斗，也是一流的北斗。

在中國科學技術館主展廳四層“問鼎太空征途”展區，有一件名為“北斗歷程”的展品，它向大家展示了北斗系統的發展歷程、導航原理、星座模型和核心部件，下面就請隨我們一起仔細觀察和體驗吧！

為什么研發北斗？

北斗系統作為一個系統工程，完美踐行了“不積跬步，無以至千里”這句古訓。不論是服務中國、服務亞太再到服務全球的“三步走”戰略，還是大跨越中間的小步快跑，北斗系統都做到了仰望星空、腳踏實地。展臺設置了多媒體展示區，移動滑塊選擇北斗一號、北斗二號和北斗三號并觀看相應視頻，就可以了解到北斗系統的發展歷程。

大家是否思考過一個問題，有了GPS 為什么我國還要研發北斗？海灣戰爭讓GPS 一戰成名，各國均意識到必須把衛星導航這把“金鑰匙”握在自己手中，以保護國家的主權和獨立，當然也包括我國。然而北斗系統的建設并不是一蹴而就，充滿著艱難和挑戰。

故事還要從衛星導航系統的定位原理說起。在原理展示區，我們移動金屬塊（導航設備）到不同的位置，就可以觀察到它到3 個固定點（衛星）的距離變化。如果導航設備與3 個衛星的距離固定，那么它的位置也就是唯一確定的，這就是衛星導航系統的定位原理。導航衛星會向地面發射測距信號和導航電文，電文中含有衛星的位置信息，告訴你現在是幾點、我在哪里。用戶接收機在某一時刻同時接收到3 顆衛星信號，得到接收機上時間與衛星信息時間兩者的時間差，將它乘以光速，就能得到用戶接收機與衛星的距離。確定了用戶接收機至3 顆衛星的距離，以衛星為球心，距離為半徑畫球面，3 個球面相交會在空間得到兩個點，地面上的點就是用戶的真實位置。這就是全世界所有衛星導航定位系統的基本原理——“三球定位”。當然，由于衛星的時鐘和用戶接收機的時鐘存在鐘差，因此實際應用時至少需要4 顆衛星才能完成定位。

然而當年我國在經費、技術、人才等方面都十分匱乏，無法一步到位實現全球組網，結合國情，我們提出了“三步走”的發展戰略。作為“第一步”，北斗一號要“花小錢、辦大事”，用最少的衛星和經費構建自己的導航系統，于是采用“雙星定位”方案，解決了中國區域內的衛星導航問題，實現了從無到有的突破，我國也成為第三個擁有自主衛星導航系統的國家。

衛星導航系統和衛星通信系統是兩套不同的系統，但北斗系統創新融合了導航與通信能力，具有短報文通信這項“獨門絕技”。北斗用戶利用終端，不僅可以知道自己在哪，還能讓你知道我在哪。如今，北斗三號的短報文通信能力顯著提升，從一次發送120 個漢字提升到一次1000 多個漢字，還可發送圖片等信息，應用場景更為豐富。

為什么北斗系統有3 種軌道？

在保留北斗特色的同時，北斗二號邁出了提升性能的“第二步”：服務亞太。然而，北斗二號系統剛剛確立，就經歷了一場驚心動魄的搶占頻率戰。北斗二號首顆衛星肩負著重要使命——與時間賽跑，好在我們成功發射衛星并傳回了信號，此時距離國際電聯規定的頻率失效時限不足4 小時，這也驗證了中國的原子鐘已達到世界先進水平，不會受制于人。那一刻，常年沉默的“北斗人”放聲地哭、放聲地笑。中國人，終究把星空資源牢牢掌握在了自己手中。

北斗二號構建了“5GEO+5IGSO+4MEO”的混合星座架構，為全世界衛星導航系統發展提供了全新范式。區別于其他全球衛星導航系統的單一軌道（MEO），北斗采用3種軌道（GEO、IGSO、MEO）衛星組成混合星座，這是中國獨創、世界首創。混合星座中的每一顆“星”都各司其職、相互配合、共同合作。GEO 衛星（吉星，地球靜止軌道衛星）站得高、覆蓋廣，始終隨著地球自轉而動，在城市、峽谷、山區等具有十分明顯的應用優勢。IGSO 衛星（愛星，傾斜地球同步軌道衛星）愛漫步、走“8”字，尤其在低緯度地區，其性能優勢明顯。MEO 衛星（萌星，中圓地球軌道衛星）全球轉、動得快，是北斗全球組網的主力隊員，不辭辛勞地繞著地球滿場跑。

北斗系統建設發展按照“三步走”戰略實施，星座的建設也從覆蓋我國到覆蓋亞太，再到覆蓋全球，循序漸進、逐步擴展。北斗星座發展的過程，就是北斗系統“三步走”發展的過程，也是“三步走”戰略最具代表性的呈現。

北斗系統到底有多強大？

站在前兩代星座的肩膀上，北斗三號邁出了自信而堅定的“第三步”——服務全球。通過仔細觀察展臺中央的星座模型，我們可以發現北斗三號繼承并發展了“混合星座”：地球靜止軌道衛星3 顆、傾斜地球同步軌道衛星3 顆、中圓地球軌道衛星24 顆。這一次，“萌星”迎來了高光時刻。北斗三號能夠實現全球組網，主要是首創了導航星座星間鏈路技術。星間鏈路就像衛星的“微信群”，讓它們可以通過星載設備聊天和共享位置，大家“口耳相傳”，很快就能知道所有衛星與自己的相對位置，不用去國外建地面站，也能實現對全球的覆蓋，同時還提高了效率。

今日之北斗攻克了具有自主知識產權的星載原子鐘、行波管、自主定軌、時間同步等關鍵技術難題，研發了“中國芯”，實現了衛星核心器部件國產化率100%，可提供多種服務，滿足用戶的多樣化需求。其中，向全球用戶提供定位導航授時、國際搜救、全球短報文通信等3種全球服務；向亞太地區提供區域短報文通信、星基增強、精密單點定位、地基增強等4 種區域服務。在全球范圍內，北斗的廣泛應用賦能各行各業，深刻改變著人們的生產生活方式。

探索浩瀚宇宙時空是中華民族的千年夢想，從夜觀“北斗”到建用“北斗”，從仰望星空到經緯時空，我國創造了中國北斗閃耀蒼穹的奇跡。“自主創新、開放融合、萬眾一心、追求卓越”的新時代北斗精神，將繼續推動北斗全球衛星導航系統書寫人類時空文明的新篇章。