關(guān)于北斗的那些事

6月23日上午，在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心，隨著發(fā)射指令的發(fā)出，長(zhǎng)征三號(hào)乙運(yùn)載火箭載著第55顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星直上云霄，將衛(wèi)星送入預(yù)定軌道。至此，長(zhǎng)征三號(hào)甲系列運(yùn)載火箭完成了北斗導(dǎo)航工程的全部發(fā)射任務(wù)。之后，我國(guó)將進(jìn)行北斗全系統(tǒng)聯(lián)調(diào)聯(lián)試，擇機(jī)面向全球用戶提供完整的全天時(shí)、全天候、高精度全球定位導(dǎo)航授時(shí)服務(wù)。北斗系統(tǒng)是我國(guó)自主建設(shè)、獨(dú)立運(yùn)行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，是全球唯一由3種軌道衛(wèi)星構(gòu)成的導(dǎo)航系統(tǒng)。

這是一個(gè)里程碑式的時(shí)刻，而此時(shí)，這些關(guān)于北斗的硬核知識(shí)，你知道嗎？

為什么有GPS還要做北斗

美國(guó)的GPS起步于20世紀(jì)70年代，經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，尤其商業(yè)運(yùn)作以后，已經(jīng)走入人們?nèi)粘Ｉ钪?。但是，它的本質(zhì)是軍用衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，隸屬于美國(guó)空軍，毫無(wú)疑問(wèn)會(huì)時(shí)刻以本國(guó)利益為第一位。在實(shí)踐中，衛(wèi)星工程師不僅能在信號(hào)方面增加干擾、欺騙手段等，還能停掉某一地區(qū)的服務(wù)，芯片定價(jià)權(quán)和使用權(quán)限等也在他們手中。

例如，GPS開(kāi)放民用服務(wù)后，普通用戶只能使用定位精度更差且增加了選擇可用性（干擾）的民用碼定位服務(wù)。2000年5月2日，為打壓俄羅斯GLONASS（格洛納斯，俄羅斯軍民兩用衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)）的商業(yè)化空間，GPS系統(tǒng)選擇主動(dòng)去掉干擾參與競(jìng)爭(zhēng)，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(fù)任何干擾，甚至徹底停止區(qū)域服務(wù)。這類(lèi)事情在近些年印巴沖突、中東地區(qū)沖突中屢見(jiàn)不鮮。

2020 年6 月23 日，北斗三號(hào)最后一顆全球組網(wǎng)衛(wèi)星在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心點(diǎn)火升空。（來(lái)源：人民視覺(jué)）

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(jù)著全世界千億美元計(jì)的巨大市場(chǎng)。因而，無(wú)論是事關(guān)國(guó)家國(guó)防安全，還是導(dǎo)航應(yīng)用市場(chǎng)的巨大商業(yè)利益，中國(guó)都必須擁有自己的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，這個(gè)領(lǐng)域不會(huì)存在真正意義的國(guó)際合作。

目前，只有美國(guó)、俄羅斯、中國(guó)、歐盟先后建立了全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，日本、印度建有區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，這幾個(gè)國(guó)家/地區(qū)都把相應(yīng)系統(tǒng)作為發(fā)展中的重中之重，意義可見(jiàn)一斑。

為什么北斗有一號(hào)、二號(hào)、三號(hào)

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是一個(gè)龐大的工程，它是大型航天載荷發(fā)射技術(shù)、大型星座運(yùn)營(yíng)維護(hù)技術(shù)、高水平通用導(dǎo)航衛(wèi)星平臺(tái)研發(fā)技術(shù)、無(wú)線電遠(yuǎn)距離通信技術(shù)、高精度星載原子鐘技術(shù)等諸多高精尖技術(shù)的集大成者，門(mén)檻極高，其中任何一項(xiàng)都面臨嚴(yán)苛的技術(shù)封鎖。

但困難從來(lái)都不是“造不如買(mǎi)”的借口，從1994年開(kāi)始，中國(guó)航天人一步一個(gè)腳印，篳路藍(lán)縷……攻堅(jiān)克難啃硬骨頭，把整個(gè)北斗建設(shè)過(guò)程分成了三步走策略，也就對(duì)應(yīng)北斗一號(hào)、二號(hào)和三號(hào)。

北斗一號(hào)主要是試驗(yàn)系統(tǒng)。在2000年至2007年發(fā)射了4顆試驗(yàn)性質(zhì)衛(wèi)星，全在地球靜止軌道，它以區(qū)域測(cè)試服務(wù)為主要目標(biāo)，目前已全部退役，不算入正式星座。

北斗二號(hào)主要是區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)。在2007至2019年共計(jì)發(fā)射了20顆（包含備份星），8顆為GEO衛(wèi)星、7顆為IGSO衛(wèi)星，主要服務(wù)亞太。5顆為MEO衛(wèi)星，僅能提供有限的全球覆蓋。系統(tǒng)總體上服務(wù)于亞太地區(qū)。

北斗三號(hào)是全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。從2015年至今共計(jì)發(fā)射了35顆，其中5顆為測(cè)試性質(zhì)，不提供服務(wù)。正式星座中，3顆為GEO衛(wèi)星，3顆為IGSO衛(wèi)星，24顆為MEO衛(wèi)星，向全球提供高精度、全天候、全天時(shí)的導(dǎo)航定位授時(shí)服務(wù)。

與此同時(shí)，衛(wèi)星平臺(tái)也在不斷大幅改進(jìn)，不同北斗衛(wèi)星（包含試驗(yàn)星）在東方紅3號(hào)等衛(wèi)星平臺(tái)基礎(chǔ)上反復(fù)改進(jìn)，演化出了10余個(gè)版本，難度可想而知。目前北斗二號(hào)大部分衛(wèi)星依然在正常工作中，因而實(shí)際處在運(yùn)行狀態(tài)的北斗星座超過(guò)40顆，大幅超過(guò)了GPS的32顆，未來(lái)隨著北斗二號(hào)部分衛(wèi)星逐漸退役，總數(shù)會(huì)降低，但會(huì)維持在30顆以上。

北斗有哪些特色絕活

北斗有一系列特色技術(shù)，舉三個(gè)小例子。星間鏈路技術(shù)，各個(gè)衛(wèi)星之間可以彼此通信聯(lián)絡(luò)。這樣僅需在中國(guó)境內(nèi)對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行主控、監(jiān)控和信息注入，既解決了全球建站安全性的問(wèn)題，也可以降低運(yùn)營(yíng)成本，衛(wèi)星之間可以互為校正，也有助于提高服務(wù)質(zhì)量，增強(qiáng)抗干擾能力。

2008年汶川地震災(zāi)難時(shí)，15勇士在通信完全中斷的情況下完成了“驚天一跳”，他們就帶有北斗系統(tǒng)接收機(jī)短報(bào)文系統(tǒng)，通過(guò)衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)天地雙向通信，而其他幾個(gè)系統(tǒng)僅能單向接收衛(wèi)星信號(hào)。這意味著衛(wèi)星可以向擁有此項(xiàng)授權(quán)服務(wù)的接收機(jī)發(fā)送專屬訊息，特殊環(huán)境（大洋、荒漠、深山、極地）、災(zāi)難救援和軍用環(huán)境下價(jià)值意義巨大。

北斗能怎樣服務(wù)于科學(xué)研究

北斗最大的特點(diǎn)是高精度授時(shí)和定位，對(duì)于科學(xué)應(yīng)用而言，高精度接收機(jī)可以利用載波相位信號(hào)和差分技術(shù)等輕松實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)定位精度和毫米級(jí)基線精度。筆者從事低軌衛(wèi)星精密定軌技術(shù)研究，本質(zhì)就是用星載的接收機(jī)給衛(wèi)星確定位置，也可以實(shí)現(xiàn)1厘米級(jí)定軌精度。

在高精度衛(wèi)星軌道的輔助下，衛(wèi)星上的精密儀器也可以大展身手。因此，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的出現(xiàn)，使得人類(lèi)對(duì)地球重力場(chǎng)、地球磁場(chǎng)、大陸板塊運(yùn)動(dòng)、地球自轉(zhuǎn)、海洋潮汐、冰川極地、自然災(zāi)害等地球科學(xué)的研究達(dá)到了前所未有的高度。

除了助力地球科學(xué)的研究，在其他領(lǐng)域，北斗也有極大的促進(jìn)作用。例如，衛(wèi)星信號(hào)需要穿過(guò)復(fù)雜的電離層和對(duì)流程等抵達(dá)地面，北斗更是有三個(gè)主要頻率，每種信號(hào)受到的影響不同。當(dāng)它們集合在一起，就提供了能幫助大氣研究的海量信息。又如，北斗的高精度原子時(shí)，可以用來(lái)同步大型科學(xué)試驗(yàn)，精準(zhǔn)授時(shí)。除此之外，北斗還會(huì)帶動(dòng)一系列通訊、電子、芯片等產(chǎn)業(yè)的大發(fā)展，促進(jìn)多個(gè)行業(yè)的科學(xué)研究。

北斗能怎樣服務(wù)于普通大眾

普通人的生活已經(jīng)離不開(kāi)導(dǎo)航衛(wèi)星了，北斗也在迅速融入，為大家提供更好的服務(wù)。最典型的莫過(guò)于定位服務(wù)，例如地圖導(dǎo)航、共享單車(chē)/打車(chē)、快遞查詢等，徹底改變了現(xiàn)代人類(lèi)的生活。

交通系統(tǒng)高精度時(shí)刻表、國(guó)家大型電網(wǎng)輸電、金融系統(tǒng)超高頻交易、通訊終端永遠(yuǎn)準(zhǔn)確的時(shí)間，都有北斗原子鐘的身影。大型基建工程，高鐵、大橋、機(jī)場(chǎng)建設(shè)，都需要北斗定位。農(nóng)林牧漁，交通運(yùn)輸、水文監(jiān)測(cè)、氣象預(yù)報(bào)、地理測(cè)繪、森林防火、電力調(diào)度、救災(zāi)減災(zāi)、應(yīng)急搜救，面積測(cè)算等，都需要高精度衛(wèi)星定位服務(wù)。而目前很多新技術(shù)，例如自動(dòng)駕駛、無(wú)人碼頭，自動(dòng)化農(nóng)業(yè)，無(wú)人機(jī)植保等，也離不開(kāi)北斗的強(qiáng)大支撐。

北斗的未來(lái)是什么

北斗在完全建成之后，將會(huì)繼續(xù)保持一定頻率的衛(wèi)星發(fā)射活動(dòng)，以替換逐漸退役的老衛(wèi)星，常態(tài)維持至少30顆的全球服務(wù)星座。北斗衛(wèi)星也將不斷升級(jí)，提供更好的定位服務(wù)。與此同時(shí)，在低軌（數(shù)百千米高軌道）可以建設(shè)導(dǎo)航增強(qiáng)星座，在地面，尤其是城市高樓林立環(huán)境中，可以建設(shè)輔助站點(diǎn)，最終實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)厘米級(jí)定位精度，大大提高北斗的定位精度，實(shí)現(xiàn)空天地信息一體化。

在備受關(guān)注的商業(yè)方面，隨著人類(lèi)社會(huì)對(duì)物流和定位的需求越來(lái)越高，北斗的商業(yè)應(yīng)用價(jià)值也會(huì)被極大開(kāi)發(fā)。按照歐洲全球定位研究中心的估計(jì)，2025年前后世界范圍內(nèi)的衛(wèi)星導(dǎo)航定位設(shè)備需求量將超過(guò)92億部，年產(chǎn)值將超過(guò)2680億歐元，這是個(gè)海量的市場(chǎng)，其中亞太市場(chǎng)的增長(zhǎng)速度更將傲視全球，年增速可以達(dá)到40%以上。

在這片紅海中，北斗無(wú)疑是最有潛力狙擊GPS系統(tǒng)的一個(gè)。規(guī)?；膽?yīng)用會(huì)大幅降低硬件收費(fèi)水平，進(jìn)一步確定商業(yè)市場(chǎng)領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，從而形成正循環(huán)，最終達(dá)到一個(gè)理想的狀態(tài)——實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)長(zhǎng)盛不衰的同時(shí)依然能快速迭代。（文章來(lái)源：科學(xué)大院）