北斗九問

毛新愿

2020年6月23日9時(shí)43分，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)第55顆衛(wèi)星搭乘長征三號乙運(yùn)載火箭從西昌衛(wèi)星發(fā)射中心升空，隨后成功進(jìn)入預(yù)定軌道。這意味著自1994年開始預(yù)研的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)終于完成全部組網(wǎng)星座發(fā)射任務(wù)，正式建成！

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（以下用北斗指代）將中國人千百年來“尋路靠北斗七星”的經(jīng)驗(yàn)變成現(xiàn)實(shí)，在方方面面徹底改變了中國人的生活方式。本文將圍繞關(guān)于北斗的幾個(gè)經(jīng)典問題，詳細(xì)解讀這個(gè)宏大工程的意義。

一問：為什么有GPS還要做北斗

美國的全球定位系統(tǒng)（簡稱GPS）起步于20世紀(jì)70年代，經(jīng)過多年發(fā)展，尤其是經(jīng)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)，隸屬于美國空軍，毫無疑問會時(shí)刻以本國利益為第一位。在實(shí)踐中，由于更了解自己的信號體制，工程師不僅能在信號方面增加干擾、欺騙等手段，空間段還能停止某一地區(qū)的服務(wù)，芯片定價(jià)權(quán)和使用權(quán)限等也在美方手中。

例如，GPS開放民用服務(wù)后，普通用戶只能使用定位精度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，為打壓俄羅斯軍民兩用衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)格洛納斯（GLONASS）的商業(yè)化空間，GPS系統(tǒng)選擇主動去掉干擾參與競爭，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)干擾，甚至徹底停止區(qū)域服務(wù)。這類事情在近年印巴沖突、中東地區(qū)沖突中屢見不鮮。

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)著全世界以千億美元計(jì)的巨大市場。因而，無論是從國家國防安全，還是導(dǎo)航應(yīng)用市場的巨大商業(yè)利益來看，中國都必須擁有自己的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，這個(gè)領(lǐng)域不會存在真正意義上的國際合作。

目前，只有美國、俄羅斯、中國和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)國家（地區(qū)）都把相應(yīng)系統(tǒng)作為發(fā)展的重中之重，意義可見一斑。

二問：為什么北斗有三種軌道

美國、俄羅斯和歐洲的星座只部署在距離地球約2萬千米的中遠(yuǎn)地球軌道（MEO），以實(shí)現(xiàn)軌道周期（約12小時(shí)）與信號覆蓋范圍的最佳平衡。為達(dá)到全球任一點(diǎn)都能收到4顆衛(wèi)星信號以實(shí)現(xiàn)定位授時(shí)的目標(biāo)，至少需要24顆衛(wèi)星保證服務(wù)質(zhì)量。

日本和印度的星座主要服務(wù)本國，選擇了軌道周期與地球自轉(zhuǎn)同步的軌道，距離地面35786千米，從地面觀測相對穩(wěn)定。其中，日本QZSS系統(tǒng)高度依賴美國GPS系統(tǒng)，使用至少3顆衛(wèi)星運(yùn)行在傾斜地球同步軌道（IGSO），保障在日本高緯度地區(qū)和城市高樓林立環(huán)境下的使用；印度由于更加靠近赤道，在IGSO之外還使用了定位于赤道上空的靜止/同步地球軌道（GEO）。

對于北斗而言：“小孩子才做選擇，我全都要！”北斗兼具M(jìn)EO、GEO和IGSO三種軌道。MEO（傾角55°，高21500千米）保證全球高精度定位，主要運(yùn)行在亞太地區(qū)的GEO（傾角0°，高35786千米）和IGSO（傾角55°，高35786千米）則保證亞太和“一帶一路”地區(qū)更高精度的定位。

三問：為什么北斗有一號、二號、三號之分

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是一個(gè)龐大的工程，是大型航天載荷發(fā)射技術(shù)、大型星座運(yùn)營維護(hù)技術(shù)、高水平通用導(dǎo)航衛(wèi)星平臺研發(fā)技術(shù)、無線電遠(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。但困難從來都不是“造不如買”的借口，從1994年開始，中國航天人一步一個(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)過程分成了“三步走”策略，即對應(yīng)北斗一號、二號和三號。

北斗一號主要是試驗(yàn)系統(tǒng)。2000—2007年共發(fā)射了4顆試驗(yàn)性質(zhì)衛(wèi)星，全是GEO衛(wèi)星，以區(qū)域測試服務(wù)為主要目標(biāo)，目前已全部退役，不算入正式星座。

北斗二號主要是區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)。2007—2019年共發(fā)射了20顆衛(wèi)星（包含備份星），其中，8顆為GEO衛(wèi)星，7顆為IGSO衛(wèi)星，主要服務(wù)于亞太地區(qū)；5顆為MEO衛(wèi)星，僅能提供有限的全球覆蓋。所以，北斗二號系統(tǒng)總體上服務(wù)于亞太地區(qū)。

北斗三號是全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。從2015年至今共計(jì)發(fā)射了35顆衛(wèi)星，其中5顆為測試性質(zhì)，不提供服務(wù)。在正式星座中，3顆為GEO衛(wèi)星，3顆為IGSO衛(wèi)星，24顆為MEO衛(wèi)星，可向全球提供高精度、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號等衛(wèi)星平臺基礎(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40顆，遠(yuǎn)超GPS的32顆。未來，隨著北斗二號部分衛(wèi)星逐漸退役，雖總數(shù)會有所降低，但仍將維持在30顆以上。

四問：為什么北斗衛(wèi)星都用長征三號甲系列火箭發(fā)射

長征三號甲系列火箭是我國的“王牌”火箭，最大特點(diǎn)是第三級采用了比沖（衡量發(fā)動機(jī)工作效率的指標(biāo)，越高越好）更高的液氧液氫發(fā)動機(jī)，因而它也是長征火箭家族用于發(fā)射更高更遠(yuǎn)任務(wù)的專屬火箭，例如嫦娥系列、風(fēng)云（二/四）衛(wèi)星以及各種通信衛(wèi)星等，北斗家族同樣如此。

經(jīng)過多年成熟發(fā)展，長征三號火箭形成了四種主要構(gòu)型，基本型已于2000年退役，目前服役的有長征三號甲、乙和丙三種主要型號，以及近10種改進(jìn)版本。相比長三甲，長三乙/丙增加了助推器，且做了大幅升級，能力更強(qiáng)。其中長三乙不僅攜帶4個(gè)助推器（長三丙為2個(gè)），還可攜帶遠(yuǎn)征上面級，能夠執(zhí)行北斗一箭兩星任務(wù)，能力最強(qiáng)。在北斗所有發(fā)射任務(wù)中，長三乙實(shí)現(xiàn)了15次一箭兩星任務(wù)，運(yùn)送了30顆衛(wèi)星入軌，可以說是“王牌中的王牌”。

五問：為什么北斗能服務(wù)無限個(gè)用戶

北斗三號是一種無源定位系統(tǒng)，每一顆導(dǎo)航衛(wèi)星的本質(zhì)就是告訴你這么一個(gè)事情：現(xiàn)在幾點(diǎn)了（時(shí)間ts），我在哪里（xs，ys，zs）。當(dāng)用戶（接收機(jī)）收到信號時(shí)，可以通過比對，得到接收機(jī)上時(shí)間與接收到的衛(wèi)星信息顯示時(shí)間之間的差值，這個(gè)差值乘以光速c就是用戶和衛(wèi)星之間的距離。還有一個(gè)方法是數(shù)中間隔了多少個(gè)信號波長。衛(wèi)星由于有專門的科學(xué)家在維護(hù)，它的位置極其精確，誤差在1厘米；衛(wèi)星上搭載的是原子鐘，幾百萬年才可能差1秒。因此，衛(wèi)星的所有信息幾乎可以被認(rèn)為是無誤差的。

用戶只需要解出四個(gè)參數(shù)：在地球上的三維坐標(biāo)x，y，z和鐘差t（畢竟用戶的石英鐘不可能和原子鐘精度相比，需要把它的誤差作為一個(gè)未知數(shù)解出來）。用戶只需接收到4顆衛(wèi)星信號，通過構(gòu)建4個(gè)方程，解出4個(gè)未知數(shù)，即可精確確定自身的位置和時(shí)間。

衛(wèi)星要做的只有一件事：往地面發(fā)信號，報(bào)告說我在哪兒、幾點(diǎn)了。除此之外，衛(wèi)星不需要做任何輔助計(jì)算一類的事。用戶只要能收到信號，并對其進(jìn)行計(jì)算即可，與這些衛(wèi)星沒有任何交流，也不消耗它們?nèi)魏文芰?。這就意味著，用戶數(shù)量理論上是無限的，而且每一位用戶都可以享受米級定位精度和納秒級授時(shí)精度。

六問：北斗有哪些特色絕活

星間鏈路技術(shù) 導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)要長期維持下去，需要地面監(jiān)控站、主控站、注入站等站點(diǎn)的配合。對于全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)而言，這些站點(diǎn)位置分布也有要求。例如GPS就擁有5個(gè)監(jiān)控站、1個(gè)主控站和3個(gè)注入站，幾乎均勻分布在美國領(lǐng)土和海外軍事基地中，每年開銷不菲。

對于北斗而言，全球建站不僅存在安全性的問題，還有運(yùn)營成本的問題。所以，該系統(tǒng)最大限度地利用了自身優(yōu)勢，即高、中軌道搭配的衛(wèi)星星座，開發(fā)出星間鏈路技術(shù)，使各個(gè)衛(wèi)星之間可以彼此通信聯(lián)絡(luò)。這樣僅需在我國境內(nèi)對衛(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題，也可以降低運(yùn)營成本。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。

短報(bào)文系統(tǒng) 這是北斗的一個(gè)獨(dú)門絕活。短報(bào)文系統(tǒng)簡而言之就是通過衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)天地雙向通信。其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)都不存在接收機(jī)和衛(wèi)星之間的雙向通信，只是單向接收。北斗的這一功能意味著衛(wèi)星可以向擁有此項(xiàng)授權(quán)服務(wù)的接收機(jī)發(fā)送專屬信息，例如在大洋之上、深山老林之中等沒有任何手機(jī)信號的環(huán)境下，發(fā)生緊急情況時(shí)高軌北斗衛(wèi)星可以及時(shí)與地面互動。

此外，部分北斗衛(wèi)星還攜帶了國際Cospas-Sarsat衛(wèi)星輔助搜索和應(yīng)急救援計(jì)劃的有效載荷，在發(fā)生緊急情況時(shí)，可以參與到國際合作的應(yīng)急救災(zāi)工作中。

七問：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和差分技術(shù)等輕松實(shí)現(xiàn)厘米級定位精度和毫米級基線精度。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)，使得人類對地球重力場、地球磁場、大陸板塊運(yùn)動、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)星信號需要穿過復(fù)雜的電離層和對流層等抵達(dá)地面，北斗有三個(gè)主要頻率，每種信號受到的影響不同。它們集合在一起時(shí)，就提供了有助大氣研究的海量信息。再如，北斗的高精度原子鐘，可以用來同步大型科學(xué)實(shí)驗(yàn)和精準(zhǔn)授時(shí)。除此之外，北斗還會帶動一系列通信、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。

八問：北斗如何服務(wù)于普通大眾

普通人的生活已經(jīng)離不開導(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)。最典型的莫過于定位服務(wù)，例如地圖導(dǎo)航、共享單車/打車、快遞查詢等，徹底改變了現(xiàn)代人的生活。

交通系統(tǒng)高精度時(shí)刻表、國家大型電網(wǎng)輸電、金融系統(tǒng)超高頻交易、通信終端永遠(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、氣象預(yù)報(bào)、地理測繪、森林防火、電力調(diào)度、救災(zāi)減災(zāi)、應(yīng)急搜救、面積測算等，都需要高精度衛(wèi)星定位服務(wù)。目前很多新技術(shù)，例如自動駕駛、無人碼頭、自動化農(nóng)業(yè)、無人機(jī)植保等，也離不開北斗的強(qiáng)大支撐。

九問：北斗的未來是什么

北斗在完全建成之后，將會繼續(xù)保持一定頻率的衛(wèi)星發(fā)射活動，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，以提供更好的定位服務(wù)。與此同時(shí)，在低軌（數(shù)百千米高的軌道）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的環(huán)境中，可以建設(shè)輔助站點(diǎn)，最終實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)動態(tài)厘米級定位精度，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，隨著人類社會對物流和定位的需求越來越高，北斗的商業(yè)應(yīng)用價(jià)值也會被極大開發(fā)。按照歐洲全球定位研究中心的估計(jì)，2025年左右世界范圍內(nèi)的衛(wèi)星導(dǎo)航定位設(shè)備需求量將超過92億部，年產(chǎn)值將超過2680億歐元，這是個(gè)海量的市場，其中亞太市場的增長速度更將傲視全球，年增速可以達(dá)到40%以上。在這片紅海中，北斗無疑是最有潛力抗衡GPS系統(tǒng)的一個(gè)。規(guī)?；膽?yīng)用會大幅降低硬件收費(fèi)水平，進(jìn)一步確定商業(yè)市場領(lǐng)先優(yōu)勢，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)長盛不衰的同時(shí)依然能快速迭代。

人類已經(jīng)進(jìn)入衛(wèi)星導(dǎo)航的時(shí)代，且永遠(yuǎn)無法離開導(dǎo)航衛(wèi)星了。