杜骏豪

为什么要建设北斗

在北斗之前，全球使用最为广泛的导航系统是美国20世纪70年代开始研制，1994年正式建成的全球定位系统，也就是我们熟知的GPS。GPS经过几十年的建设已经非常成熟，使用成本也十分低廉。但是，GPS本质上是美国军方的定位系统，其最核心的功能是不可能对我国开放的。若是一个国家没有自己的卫星导航系统，那么在军事领域便处于被动地位——如果战争发生，美国将这一地区的GPS突然关闭，会使该地区陷入无助的混乱之中，不少依赖GPS定位的导弹、飞机会在瞬间失灵，变成无头苍蝇。这并非危言耸听，类似的场景已经在1999年印巴军事冲突等事件中发生过了，所以建设我国自己的卫星導航系统十分必要。

我国在1994年正式启动北斗一号系统工程建设，并于2000年10月31日发射了北斗一号卫星的第一颗，随后在同年12月、2003年5月和2007年2月发射了其余三颗北斗一号卫星，初步建成了覆盖全中国的初级导航系统，向特殊用户开放授时和定位功能。

与此同时，欧盟也意识到没有自己的卫星导航系统将会受制于人，1999年终于下定决心建设自己的卫星导航系统——伽利略，打破美国GPS的垄断，并邀请中国加入该计划。当时中国的卫星技术还比较薄弱，因此我国对与欧盟的合作非常期待，希望能通过合作学到一些卫星领域的核心技术。然而，在我国提供了2.7亿美元的科研经费后，却遭到欧盟方面的排挤，很多核心技术的研究都把中国排除在外。最终在2007年，欧盟正式把我国从伽利略项目中排除出去。

我国再次感受到了自力更生的重要性，下定决心要建设完全具有中国自主知识产权的全新卫星导航系统，北斗二号应运而生。北斗二号实现了覆盖亚太地区的无源定位，在技术上比伽利略系统更为先进，令欧盟震惊不已。时至今日，我国已经建成了覆盖全球的无源定位系统——北斗三号，达到了与GPS比肩的世界顶尖水平。

导航卫星的基本原理

简单来说，导航的主要目的就是为了确定“几点了”以及“我在哪儿”。为了解决这两个问题，导航卫星分为“有源定位”与“无源定位”两种基本技术手段。其中，北斗一号属于有源定位，北斗二号与北斗三号属于无源定位。

两种定位的基本原理都是“解方程组”。卫星会以电磁波的方式不断发射自己的位置坐标（经度、维度、海拔高度）和时间。如果是有源定位，用户接收到信号后可以给卫星回复信号，这样一来一去的时间乘以光速，就可以计算出用户到卫星的距离，几颗卫星同时计算，就可以得出用户的准确位置。如果是无源定位，用户一般没有向卫星回复信息的能力，那如何计算呢？这就需要每一颗卫星都有非常统一的时钟，接收设备接收到每一颗卫星的坐标和时间，电脑就会了解到多颗卫星的坐标和这些卫星信号到达接收设备的时间差，把这些数据代入方程，就可以计算出准确的坐标和时间了。

卫星都运行在确定的轨道上，因此经度、纬度和海拔高度都可以较简单地确定。那么时间应当如何确定呢？我们日常生活中使用的手表或者手机里的时钟是不行的，因为这些钟表的精度达不到定位需求。在卫星导航系统中，1微秒（百万分之一秒）的时间误差将导致300米的距离误差，真可谓差之毫厘，谬以千里。能够满足卫星定位的时钟非“原子钟”莫属——最好的铯原子钟可以达到2000万年相差1秒的极高精度。

北斗一号

在研制北斗一号的年代，我国的原子钟技术还比较落后，只能依赖进口。但是进口的原子钟价格高昂，精度也不够理想。受限于预算不足，北斗一号只能采取有源定位技术。

有源定位技术首先需要拥有原子钟的地面总站向卫星发送具有时间信息的第一段信号，而后卫星向用户转发带有时间信息的第二段信号，收到信号的用户向导航卫星回复第三段信号，收到回复的卫星向地面总站转发第四段信号，地面总站收到信号之后就可以计算出总的信号传输时间，利用光速计算用户与卫星的距离，最终告知用户的具体位置。简单来看，信号的传输流程为：地面总站→卫星→用户→卫星→地面总站→用户。这种定位方式里，卫星与用户需要兼具发射信号与接收信号的功能，因此卫星能够一次性处理的信号较少，再加上用户需要使用的能发射信号的终端设备较为昂贵，所以难以向公众推广。此外，该技术需要进行多次数据传输，定位速度慢、精度较低，定位精度在100米左右。

北斗一号总共发射了四颗卫星，都位于地球静止轨道（GEO）。在这种轨道上能够保持与地面（特别是地面总站）相对静止，使数据处理量降低。虽然北斗一号的总体技术水平较低，覆盖范围小、定位精度一般、用户数量有限制，但是它成功打破了美国GPS的技术垄断，使我国建成了覆盖全国的初级卫星导航系统。在2008年汶川地震后的抗震救灾中，北斗一号起到了不可替代的作用。如今，北斗一号已经完成了历史使命，功成身退。

北斗二号

2004年，我国启动了北斗二号系统工程建设。目前已经成功发射了20颗卫星，其中6颗为试验和备份卫星，其余14颗卫星仍在役。这20颗卫星中包含了8颗地球静止轨道（GEO）卫星、7颗倾斜地球同步轨道（IGSO）卫星和5颗中圆地球轨道（MEO）卫星。与美国的GPS、俄罗斯的格洛纳斯、欧盟的伽利略三大定位系统相比，北斗二号同时采用了三种不同轨道的卫星搭配，而其余三者只有一种。

北斗二号使用了更为先进的无源定位技术，这项技术要求每一颗卫星都拥有原子钟。2006年9月，“实践八号”卫星携带着约215千克种子和一台国产铷原子钟飞向太空，这台属于中国的铷原子钟工作一切正常，为北斗二号按时升空奠定了坚实的技术基础。在攻克一系列技术难关后，2007年4月14日，首颗北斗二号卫星搭载着四枚国产铷原子钟发射升空，这四枚铷原子钟就是北斗二号的心脏。此后，一枚枚火箭托举着一颗颗拥有中国心的卫星直冲蓝天，我国逐步建立起覆盖亚太地区的无源定位系统。

在无源定位技术中，每颗卫星都携带着高精度原子钟，因此无须建设地面总站，其处理机制比有源定位技术简洁快速。如果在太空中同时有多颗卫星，这些卫星就可以不断向地面发射信号：我的时间是多少、我的位置在哪里。而后地面的手机、汽车、军用设备等终端就可以接到所有卫星的信号，通过分析信号的时间差，计算出与卫星的距离。最少只需要四颗卫星，就可以列出四个方程，从而求解时间、经度、纬度、海拔高度这四个未知数。因为只需要地面用户终端接收卫星信号，所以理论上来说，无源定位技术可以为无数终端提供定位服务。

北斗二号的定位精度达到了国际先进水平，除此之外，还具备了短报文通信服务，一次可传送多达120个汉字的信息——别看仅有短短的一百多字，在地震、洪涝等灾害发生后，地面的手机信号完全中断的情况下，北斗的短报文通信服务将会是最有力的对外联络通道。

北斗三号

2009年，北斗三号工程启动。截至2020年6月23日，我国成功完成了5颗北斗三号试验卫星和30颗北斗三号卫星的发射组网工作，已经全面建成了北斗三号系统。

与北斗二号类似，北斗三号也包含了三种不同轨道的卫星：3颗地球静止轨道（GEO）卫星、5颗倾斜地球同步轨道（IGSO）卫星（包含2颗试验星）和27颗中圆地球轨道（MEO）卫星（包含3颗试验星）。从地球上来看，这三种轨道的形态各异：GEO卫星与地面保持相对静止，IGSO卫星在亚洲上方畫着大大的“8”，MEO卫星则每天绕地球飞行2圈。

在北斗二号的基础上，北斗三号配备了更高性能的星载铷原子钟和氢原子钟，与北斗二号协同合作，通过3颗GEO卫星播发精密单点定位信号，使定位精度提高到水平方向优于20厘米，垂直方向优于35厘米，测速精度优于0.2米/秒，授时精度优于20纳秒。目前，北斗三号已经全天候为全球提供授时与定位服务，步入世界一流行列。后续，我国还将继续发射北斗三号的备份星，进一步提高北斗三号的稳定性与精确性。在短报文通信服务方面，北斗三号相较北斗二号也有了质的提升，最大单次报文长度可以达到1000个汉字。

如今，北斗三号已经为全球一百多个国家与地区提供服务，影响了我们生活的方方面面：在日常生活领域，北斗系统提供的手机导航已经成为我们日常出行不可或缺的工具;在自动驾驶领域，北斗系统为自动驾驶汽车提供了高精度、安全可靠的定位服务;在自然灾害预警领域，通过在易滑坡的山区地带布设北斗终端，检测山体的微小变形，可以预测山体滑坡、泥石流等重大灾害，提前疏散群众。2020年7月6日，湖南省常德市石门县雷家山发生特大型山体滑坡，300万立方米的山体向山村崩塌而去，房屋与道路在几秒钟内被埋，却没有造成一人伤亡，在这背后北斗系统功不可没。有了北斗系统的预警，受灾地区的群众才能提前撤离，人民群众的生命财产安全才能得到保障。

“北斗”这样一个充满诗意的名字背后，是中国航天人自强不息的精神。在不断的努力之下，中国已经成为世界上第三个独立拥有全球卫星导航系统的国家。全球已经有120多个国家和地区正在使用北斗卫星导航系统。可以预见的是，北斗卫星导航系统在我国建设社会主义现代化强国的过程中，在与“一带一路”沿线合作伙伴的团结协作中，在推动共建人类命运共同体的历程中将大有作为！