关于北斗的那些事

6月23日上午，在西昌卫星发射中心，随着发射指令的发出，长征三号乙运载火箭载着第55颗北斗导航卫星直上云霄，将卫星送入预定轨道。至此，长征三号甲系列运载火箭完成了北斗导航工程的全部发射任务。之后，我国将进行北斗全系统联调联试，择机面向全球用户提供完整的全天时、全天候、高精度全球定位导航授时服务。北斗系统是我国自主建设、独立运行的全球卫星导航系统，是全球唯一由3种轨道卫星构成的导航系统。

这是一个里程碑式的时刻，而此时，这些关于北斗的硬核知识，你知道吗？

为什么有GPS还要做北斗

美国的GPS起步于20世纪70年代，经过多年发展，尤其商业运作以后，已经走入人们日常生活中。但是，它的本质是军用卫星导航系统，隶属于美国空军，毫无疑问会时刻以本国利益为第一位。在实践中，卫星工程师不仅能在信号方面增加干扰、欺骗手段等，还能停掉某一地区的服务，芯片定价权和使用权限等也在他们手中。

例如，GPS开放民用服务后，普通用户只能使用定位精度更差且增加了选择可用性（干扰）的民用码定位服务。2000年5月2日，为打压俄罗斯GLONASS（格洛纳斯，俄罗斯军民两用卫星导航系统）的商业化空间，GPS系统选择主动去掉干扰参与竞争，定位精度瞬间提高10倍以上。但这也意味着，它可以随意恢复任何干扰，甚至彻底停止区域服务。这类事情在近些年印巴冲突、中东地区冲突中屡见不鲜。

2020 年6 月23 日，北斗三号最后一颗全球组网卫星在西昌卫星发射中心点火升空。（来源：人民视觉）

GPS目前几乎用在了美军任何一种需要定位的武器中，民用方面也占据着全世界千亿美元计的巨大市场。因而，无论是事关国家国防安全，还是导航应用市场的巨大商业利益，中国都必须拥有自己的卫星导航系统，这个领域不会存在真正意义的国际合作。

目前，只有美国、俄罗斯、中国、欧盟先后建立了全球卫星导航系统，日本、印度建有区域卫星导航系统，这几个国家/地区都把相应系统作为发展中的重中之重，意义可见一斑。

为什么北斗有一号、二号、三号

卫星导航系统是一个庞大的工程，它是大型航天载荷发射技术、大型星座运营维护技术、高水平通用导航卫星平台研发技术、无线电远距离通信技术、高精度星载原子钟技术等诸多高精尖技术的集大成者，门槛极高，其中任何一项都面临严苛的技术封锁。

但困难从来都不是“造不如买”的借口，从1994年开始，中国航天人一步一个脚印，筚路蓝缕……攻坚克难啃硬骨头，把整个北斗建设过程分成了三步走策略，也就对应北斗一号、二号和三号。

北斗一号主要是试验系统。在2000年至2007年发射了4颗试验性质卫星，全在地球静止轨道，它以区域测试服务为主要目标，目前已全部退役，不算入正式星座。

北斗二号主要是区域导航系统。在2007至2019年共计发射了20颗（包含备份星），8颗为GEO卫星、7颗为IGSO卫星，主要服务亚太。5颗为MEO卫星，仅能提供有限的全球覆盖。系统总体上服务于亚太地区。

北斗三号是全球卫星导航系统。从2015年至今共计发射了35颗，其中5颗为测试性质，不提供服务。正式星座中，3颗为GEO卫星，3颗为IGSO卫星，24颗为MEO卫星，向全球提供高精度、全天候、全天时的导航定位授时服务。

与此同时，卫星平台也在不断大幅改进，不同北斗卫星（包含试验星）在东方红3号等卫星平台基础上反复改进，演化出了10余个版本，难度可想而知。目前北斗二号大部分卫星依然在正常工作中，因而实际处在运行状态的北斗星座超过40颗，大幅超过了GPS的32颗，未来随着北斗二号部分卫星逐渐退役，总数会降低，但会维持在30颗以上。

北斗有哪些特色绝活

北斗有一系列特色技术，举三个小例子。星间链路技术，各个卫星之间可以彼此通信联络。这样仅需在中国境内对卫星进行主控、监控和信息注入，既解决了全球建站安全性的问题，也可以降低运营成本，卫星之间可以互为校正，也有助于提高服务质量，增强抗干扰能力。

2008年汶川地震灾难时，15勇士在通信完全中断的情况下完成了“惊天一跳”，他们就带有北斗系统接收机短报文系统，通过卫星实现天地双向通信，而其他几个系统仅能单向接收卫星信号。这意味着卫星可以向拥有此项授权服务的接收机发送专属讯息，特殊环境（大洋、荒漠、深山、极地）、灾难救援和军用环境下价值意义巨大。

北斗能怎样服务于科学研究

北斗最大的特点是高精度授时和定位，对于科学应用而言，高精度接收机可以利用载波相位信号和差分技术等轻松实现厘米级定位精度和毫米级基线精度。笔者从事低轨卫星精密定轨技术研究，本質就是用星载的接收机给卫星确定位置，也可以实现1厘米级定轨精度。

在高精度卫星轨道的辅助下，卫星上的精密仪器也可以大展身手。因此，卫星导航系统的出现，使得人类对地球重力场、地球磁场、大陆板块运动、地球自转、海洋潮汐、冰川极地、自然灾害等地球科学的研究达到了前所未有的高度。

除了助力地球科学的研究，在其他领域，北斗也有极大的促进作用。例如，卫星信号需要穿过复杂的电离层和对流程等抵达地面，北斗更是有三个主要频率，每种信号受到的影响不同。当它们集合在一起，就提供了能帮助大气研究的海量信息。又如，北斗的高精度原子时，可以用来同步大型科学试验，精准授时。除此之外，北斗还会带动一系列通讯、电子、芯片等产业的大发展，促进多个行业的科学研究。

北斗能怎样服务于普通大众

普通人的生活已经离不开导航卫星了，北斗也在迅速融入，为大家提供更好的服务。最典型的莫过于定位服务，例如地图导航、共享单车/打车、快递查询等，彻底改变了现代人类的生活。

交通系统高精度时刻表、国家大型电网输电、金融系统超高频交易、通讯终端永远准确的时间，都有北斗原子钟的身影。大型基建工程，高铁、大桥、机场建设，都需要北斗定位。农林牧渔，交通运输、水文监测、气象预报、地理测绘、森林防火、电力调度、救灾减灾、应急搜救，面积测算等，都需要高精度卫星定位服务。而目前很多新技术，例如自动驾驶、无人码头，自动化农业，无人机植保等，也离不开北斗的强大支撑。

北斗的未来是什么

北斗在完全建成之后，将会继续保持一定频率的卫星发射活动，以替换逐渐退役的老卫星，常态维持至少30颗的全球服务星座。北斗卫星也将不断升级，提供更好的定位服务。与此同时，在低轨（数百千米高轨道）可以建设导航增强星座，在地面，尤其是城市高楼林立环境中，可以建设辅助站点，最终实现实时动态厘米级定位精度，大大提高北斗的定位精度，实现空天地信息一体化。

在备受关注的商业方面，随着人类社会对物流和定位的需求越来越高，北斗的商业应用价值也会被极大开发。按照欧洲全球定位研究中心的估计，2025年前后世界范围内的卫星导航定位设备需求量将超过92亿部，年产值将超过2680亿欧元，这是个海量的市场，其中亚太市场的增长速度更将傲视全球，年增速可以达到40%以上。

在这片红海中，北斗无疑是最有潜力狙击GPS系统的一个。规模化的应用会大幅降低硬件收费水平，进一步确定商业市场领先优势，从而形成正循环，最终达到一个理想的状态——实现系统长盛不衰的同时依然能快速迭代。（文章来源：科学大院）