北斗當空

文｜馬 迪

為什么人類需要如此多的衛(wèi)星？這是個既科學又政治的問題。

地圖，不管是紙質的還是電子化的，都在我們的生活中扮演著非常重要的角色。尤其是擁有了GPS與智能移動設備的雙重加持之后，即使是在陌生的城市里，我們也很少會迷路了。

方向和距離是繪制地圖最核心的要素。古代的人們靠指南針、司南、天體方位、樹木年輪、枝葉長勢等等分辨方向；靠步數(shù)、交通工具的計數(shù)來計算距離。中國古代還發(fā)明過一種叫做“記里鼓車”的器械，可以通過里面的一套齒輪系統(tǒng)記錄行駛的里程，是名副其實的“計程車”。這種純靠人力（有時輔以馬力）的地圖，只要肯下功夫、精細測量，就可以得到小范圍的精細地圖。

當人們開始意識到地球是球形的，以托勒密為代表的古代科學家不僅著手計算地球的半徑和周長，還開始使用經(jīng)緯度來確定坐標，地球上任意一個平面上的點都可以用一組經(jīng)緯度來表示。有了這套系統(tǒng)的輔佐，地圖變得更加準確和精致，達到了前航天時代的高峰。

再后來，傳統(tǒng)的繪制方法終于被人造衛(wèi)星替代。1957年10月4日，蘇聯(lián)發(fā)射了世界上第一顆人造衛(wèi)星，開創(chuàng)了人類的空間世紀。美國不甘落后，也于1958年發(fā)射了第一顆衛(wèi)星。人們將衛(wèi)星照片與地圖結合，誕生了歷史上第一張衛(wèi)星地圖。

經(jīng)過20多年的排星布陣，2020年6月23日，中國西昌衛(wèi)星發(fā)射中心，長征火箭搭載著最后一顆北斗組網(wǎng)衛(wèi)星成功升空，隨后到達距離地表約36000千米的軌道，開始穩(wěn)定運行。至此，中國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)全面建成。

這是一個龐大的工程，堪稱“天羅地網(wǎng)”：8萬多名工作人員、300多家研發(fā)單位、前后奮戰(zhàn)20多年，送入太空中的46顆導航衛(wèi)星晝夜不停地環(huán)繞在地球周圍，地面上2700多個基準站分布于大江南北。建成后的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)（BDS）與美國的全球定位系統(tǒng)（GPS）、俄羅斯的格洛納斯系統(tǒng)（GLONASS）、歐盟的伽利略系統(tǒng)（Galileo）并稱全球四大衛(wèi)星導航系統(tǒng)（GNSS）。

為什么人類需要如此多的衛(wèi)星？這是個既科學又政治的問題。

要想獲取我們在地球上的準確位置，需要在太空中布置至少3顆導航衛(wèi)星，這就是“三球交會定位原理”。衛(wèi)星從空中向地面發(fā)射電磁波信號，地面上的人利用導航設備接收信號，這樣一發(fā)一收之間產(chǎn)生的時間差再乘以電磁波的傳播速率（光速），便可以計算出我們與衛(wèi)星的距離。當只有1顆導航衛(wèi)星時，我們與衛(wèi)星的距離為半徑得到一個球面，球面上的任何一點都可能是我們的位置。若有2顆導航衛(wèi)星，兩個球面相交得到一個圓周，圓周上任何一點都可能是我們的位置。若有3顆導航衛(wèi)星，三個球面相交得到A、B兩個點，兩點中任何一點也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。

在實際測量中會產(chǎn)生各種誤差，往往還需要第4顆衛(wèi)星的輔助。同時為了保證我們隨時隨地都能接收到4顆以上的導航衛(wèi)星信號，環(huán)繞地球的衛(wèi)星總數(shù)往往遠高于4顆。例如美國GPS和俄羅斯GLONASS系統(tǒng)，衛(wèi)星數(shù)量都在24顆以上。經(jīng)此修正和處理之后，整個系統(tǒng)的誤差一再減小，精度持續(xù)增加，可以是米級、分米級、厘米級……

自2010年起，西昌衛(wèi)星發(fā)射中心變得非常熱鬧。在不到3年的時間里，有14顆導航衛(wèi)星從這里陸續(xù)發(fā)射升空。2010年發(fā)射5顆，2011年發(fā)射3顆，2012年發(fā)射6顆……同時，運算和控制等地面配套系統(tǒng)也鋪展開來，衛(wèi)星與地面的調整測試也在同步進行，一箭雙星的發(fā)射技術逐漸“爐火純青”。2017年底發(fā)射1箭2星，2018年發(fā)射9箭17星，2019年發(fā)射6箭8星，2020年發(fā)射3箭3星……不到3年時間，30顆衛(wèi)星以前所未有的速率發(fā)射升空，完成組網(wǎng)。

過去幾年，北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)如何改變了我們的生活？你是否發(fā)現(xiàn)，你在手機上可以精準地找到附近的共享單車，了解外賣騎手的位置、公車距離自己還有幾站……其實在看不見的地方，北斗可以精確到閱兵方陣中各型裝備方隊等速行進，各個飛行梯隊距離誤差在正負10厘米以內；可以精確到監(jiān)測大壩、大橋等工程的外觀變形；可以裝備到各種運輸工具上（目前有超過650萬輛營運車輛、4萬輛郵政和快遞車輛、3200多座內河導航設施、2900余座海上導航設施均已裝備北斗系統(tǒng)，成為全球最大的營運車輛動態(tài)監(jiān)管系統(tǒng)）；甚至在空氣中，行蹤不定的污染物被納入環(huán)境監(jiān)測信息系統(tǒng)，從此將逃不過北斗的“慧眼”。

北斗系統(tǒng)的成功建立，不僅可以產(chǎn)生顯著的社會效益和經(jīng)濟效益，影響世界通訊衛(wèi)星系統(tǒng)市場與5G技術加速融合。未來，北斗系統(tǒng)將向全世界開放，也會成為70多億人生活的一部分。