一文读懂北斗全球卫星导航系统建成：华为们都在用，和GPS不相上下

水手111

2020 年 7 月 31 日上午 10 时 30 分，北斗三号全球卫星导航系统建成暨开通仪式在人民大会堂举行。北斗系统的发展，不仅与我们的日常生活息息相关，更与我们的国家安全、社会进步相挂钩。因为每个国家都希望把自己国家的主权和国家的经济命脉，建立在自己的卫星导航系统基础之上。卫星导航定位系统是一把守护国门的金钥匙，一定要握在自己人手中。
中国科学院空天信息研究院研究员徐颖撰文，从起源、应用以及技术难点等多方面，对北斗系统做了全面的解读，以下内容为徐颖演讲实录：
北斗系统，这个名字从何而来呢？北斗七星。北斗七星是中华民族的指极星，也是中华民族的导航星，在很早的时候，人们就开始对北斗七星进行观测和利用。北半球的人们通常用北斗七星和北极星来辨别方向。
在《史记 · 天官书》当中就有记载：" 分阴阳，建四时，均五行，移节度，定诸纪，皆系于斗。" 这里的 " 斗 " 指的就是北斗。在古代，有北斗七星为我们指引方向，今天我们也有北斗系统和我们的生活密切相关。


关于北斗的 "3" 的故事
对于北斗系统来说，有一个数字非常重要，这个数字就是 "3"。大家应该都听过一生二，二生三，三生万物。要讲清楚北斗系统的工作原理，就要先给大家讲清楚 "3" 的故事。
首先要介绍的是三球定位。卫星导航定位系统最基本的定位原理叫作三球定位。我们同时有三颗卫星，测量我和卫星之间的距离，我就一定知道我的位置是以卫星的位置为球心，以这个距离为半径的球体上面。


而三个球交汇于一点，这就是卫星导航定位的最基本的原理，我们把它叫作三球定位。但是实际上，因为我们还需要测量时间信息，所以我们至少需要四颗卫星才能实现最基本的定位。
在卫星导航系统当中有三大组成。第一个是我们都非常熟悉的卫星。


第二个是地面站，有地面的监测站、测定轨站等站点。


第三个是终端，比如手机，其实也是卫星的一个终端。


有些人在网上会问这样一个问题：" 从 1983 年陈芳允院士提出北斗一代开始，北斗系统已经建了这么多年了，什么时候我们才能用上北斗系统呢？" 其实在我们很多人的手机中已经有了北斗系统。
如果用的是华为的手机，回去之后，可以在手机的应用商店里面下载一个小软件，叫北斗助手或者叫北斗伴。
把这个软件下载下来之后，找一个空旷的地方打开你的手机，然后你就会发现，在卫星天顶视图当中，有带着中国国旗的图标被点亮，那就说明你的手机中是有北斗系统在为你提供服务的。
现在在华为、小米、魅族、三星等很多款手机中都有北斗系统。当然如果用的是苹果手机，那不用试了，苹果手机没有使用北斗系统。但是我们也希望，在 2020 年北斗系统覆盖全球之后，苹果手机当中也会有北斗系统。
导航系统帮助我们的车辆从一个地方到另一个地方，但是事实上导航提供的服务不仅是定位，导航服务一般分为三类。
第一类服务是给你一个精确的位置。这是大家最常用的，比如手机上的滴滴打车、微信的位置共享，都是基于导航的这一服务。




第二类服务是可以给你一个非常精确的时间。从刚才讲的卫星导航的三球定位上来，我们需要测量我和卫星之间的距离。一般在生活当中，我们要测量两个点的距离，我们可以拿一根尺子，就能够测量两个点的距离。


但是用这个方式，能够测量和卫星之间的距离吗？要拿一个多大的尺子，才能把我和卫星连接在一起呢？在卫星导航当中，其实有一个小秘密，就是我们从来不直接测量距离，而是通过测量时间来测量距离。
我们在卫星上发射一个电磁波，然后测算这个电磁波从卫星传递到我们之间的一个时间差。这个时间差乘上光速，就得到了距离。
所以在卫星导航当中，我们是通过测时间来测距离的。这也是我们可以为大家提供精确时间的一个主要的原因。距离除以时间等于速度，我们可以得到速度。所以，卫星导航的三种业务就是能够给你精确的位置、精确的时间和精准的速度。
当然，北斗系统在这三种业务之外，还有一种附加的业务——通信，它也是全世界唯一一个能够用来做通信的卫星导航定位系统。
全球卫星导航系统
世界上不是只有北斗系统。目前，只有美国的 GPS、俄罗斯的 GLONASS、欧盟的伽利略（GALILEO）和中国的北斗，这四大系统才能被称为全球卫星导航定位系统，因为它们实现了全球覆盖。


除了这 4 个全球覆盖的系统之外，目前世界上还有两个区域定位系统，日本的准天顶系统（QZSS）和印度的 IRNSS 系统。


日本准天顶系统（QZSS）


印度的 IRNSS 系统
日本的准天顶系统在宣布提供服务的时候，网上就开始有文章说，日本的准天顶，精度拳打 GPS，脚踢北斗。但是事实上，准天顶系统是一个区域定位的系统，它最核心的点是依赖于 GPS 建立的。


如果 GPS 不能用，那么准天顶的增强功能就不能用，它就没有办法做到高精度、厘米级定位等一系列的功用。
在全球的四大卫星导航定位系统当中，现在用于导航的卫星数量非常多，截止到 2018 年 7 月 22 日，所有能用的卫星数量已经超过了 100 颗，还不包括我们的备份星和测试星。
所以，其实天上是有很多卫星的，而在民用服务中，也是把所有的卫星导航系统组合在一起使用的。


GPS 在 1991 年的时候就建成了，精度一直也很高。但是我们国家还需要专门建北斗系统，俄罗斯还要建 GLONASS 系统，北斗系统从 1983 年提出到现在，已经走过 30 多年，我们为什么要花这么多时间和精力来建北斗系统呢？
建北斗系统的原因
以前我们在为北斗系统拍纪录片的时候，编导曾经说过这样的一句话：卫星导航定位系统是一把守护国门的金钥匙，自己家的这把金钥匙，一定要握在自己人的手中，这就是为什么我们要建北斗系统。
俄罗斯虽然经历了经济滑坡、苏联解体等一系列事件，但是他们依然在持续地更新和建设 GLONASS 系统。欧盟的伽利略系统建设之初经历了非常漫长的被美国强烈反对、欧盟内部意见的不一致，在建设过程中，天上的原子钟还彻底坏了一批。
前一段时间伽利略系统还出现了全线的断线，但他们还是在一直坚持发展伽利略系统。每一个国家都希望把自己国家的主权和国家的经济命脉，建立在自己的卫星导航系统基础之上。
可见，如果一个系统不是我国自主建设的，那我们对它其实是没有任何掌控权的，它随时可能会发生一些你所不知道的变化。这也就是为什么我们要建北斗系统的一个最主要的原因。
在军用方面，我们都是用北斗系统来保障国防安全的，但是在民用方面，目前是一个多系统联合的趋势。
在你们的手机软件当中，找一下我刚才说的软件，就会发现，你的手机不仅用了北斗来为你进行定位，也用了 GPS 和 GLONASS 来进行定位。在民用领域，各个导航系统是彼此兼容协调发展的，所以，北斗不仅是中国的北斗，也是世界的北斗。
北斗系统的发展
北斗系统的发展，也经历了三段历程，和 "3" 这个数字真的特别有缘。北斗一号系统是在 2000 年左右建成的，它只有两颗星，它叫北斗一号，也叫北斗双星。它主要是解决我国卫星导航系统的有无问题。
北斗二号系统是在 2012 年 12 月 27 日宣布提供服务的。它从北斗一号的有源系统，变成了一个无源系统，主要为我国和周边亚太地区提供服务。
北斗三号系统，是在 2018 年 12 月 27 日宣布开始提供服务的，在 2020 年将会实现北斗三号系统的完全建设。北斗三号系统主要是从区域系统扩展到了一个全球系统。
北斗三号系统的建设过程也包括三步。2018 年底，它主要是服务我国和 " 一带一路 " 地区，到 2020 年底的时候就会服务全球。
北斗系统正处在全球组网的快速建设过程中。这是北斗系统的一个卫星组成。北斗系统是 30 颗卫星覆盖全球，其中有 3 颗静止轨道卫星，24 颗中轨道卫星，3 颗小倾角轨道卫星。


北斗系统的服务区域，重点区域是在我国和周边地区，实现的是全球覆盖。
北斗是一个开放的系统，除了公开的服务，还有授权的服务、广域差分服务和位置报告服务。
2020 年之后，北斗系统在有了广域差分的情况下，和 GPS 服务的性能是相当的。在重点地区，会有 1~1.5 米的精度，其实是比 GPS 的性能要高的。
与北斗二号相比，北斗三号到底有什么新亮点呢？首先要讲的是星间链路。顾名思义就是卫星和卫星之间是可连接的，能够形成一个卫星网络。
有星间链路之后，如果在地面站之间发生了摧毁性的损失，所有的地面站都没有了，我们还可以用星间链路来实现卫星的自主运行。所以，星间链路可以保障卫星的可用性和稳健性。
其次北斗系统有高精度的氢原子钟。北斗一号、北斗二号在建设过程中，当时我们是准备从瑞士进口原子钟的，瑞士人表做得很好，钟做得也不错。但是瑞士当时提出，需要有一个欧洲对华的许可证。
怎样才能获得这个许可证，通过什么方式才能获得这个许可证，都没有任何的约定。所以，后来在北斗二号系统的建设过程中，关键的核心攻关就是星载原子钟技术，北斗三号则使用了更高精度的氢原子钟。它的精度可以做到 110-15 这么高，也就是说要过去很长很长时间，它的误差才有一秒。
这是北斗三号的另一个创新点。刚才讲到了，从别的国家进口原子钟是不现实的，所以北斗系统有一个很重要的指标叫作 100% 国产化。北斗系统所有芯片，所有核心器件，包括天线、射频、基带，都有一个国产化的指标要求。
我们都说北斗系统是一个独立自主的系统。第一是它不依赖于任何别的系统而运行。第二，它所有的核心技术都是自己的知识产权，不依赖于别国的核心技术而运行，这是大国重器的国产化。最后一个创新点是，北斗三号有一个搜救功能。北斗三号加入了海事搜救组织。
以前伽利略系统的搜救过程是，你给伽利略卫星发了一个搜救信号，然后你就开始等待。你不知道你的信号有没有被收到，你也不知道，是不是会有人来救你。
北斗系统在收到你的搜救信号之后，会给你一个反馈，告诉你信号已经收到了，安心等待吧，很快就会有人来救你了。所以这也是北斗三号的一个升级功能。
其实北斗系统远远不止这些功能，它有很多 " 首次 "，让我们一起期待 2020 年北斗系统建设完成，正式开始为大家提供服务。
北斗系统的作用
天上有这么多卫星，卫星导航在我的生活当中，有什么作用呢？好像每天除了用它来打车，就没有别的用处了。其实，在卫星导航系统业内有这样的一句名言：卫星导航定位系统的应用，只受制于人们想象力的限制。
假设有一位 A 先生，假设他是做金融的。看一看他半天的生活，有多少是和卫星导航相关的。


作为现代手机重度依赖症的患者，我早上起来第一件事情，就是给我的手机充电。事实上，在我们国家的电力系统当中，都是用卫星导航来为电站之间实现时间和频率的同步的，以前用 GPS，现在用北斗。
如果电力系统不能实现时间和频率同步，就有可能出现用电高峰期的时候，峰值叠加而导致整片区域断电的情况。所以我们每天都用的电，其实是有卫星导航为电力系统提供保障的。
给手机充完电，打开手机之后，接下来就是吃饭。吃饭这件事情和卫星导航有关吗？你需要用卫星导航，给你把米定位到嘴里吗？其实不需要。但是卫星导航确实和农业密切相关。
自动驾驶技术到今天一直没有落地，但有一部分自动驾驶落地了，比如，自动驾驶的拖拉机、农业收割机。所以，在智能农业当中，卫星导航定位系统为自动驾驶提供了位置的保障。所以每天吃的米，也是离不开卫星导航定位系统提供的保障的。
吃完饭以后就要看电视了，在看电视的时候，经常会看到电视里边的新闻报道，某些国家、地区之间动武了这样的情况，导弹制导这件事情和卫星导航也是有关系的。
有时候我们也经常会在电视里面看到，与动物保护有关的新闻，动物保护这件事情和卫星导航也有关系，说要把一个芯片，安在动物身上。


其实北斗系统确实给长颈鹿、藏羚羊、熊猫都做过这样的芯片。比如，藏羚羊生活在无人区，我们就需要用这样的芯片为它提供保护服务。
看完电视之后要去上学，我们出门打车这个事情和卫星导航也有关系。这是大家最熟悉的应用。


我们在用滴滴打车的时候，有时候也会看到老人或者儿童走失的信息，让你如果发现线索要及时上报。
老人儿童走失这件事情和卫星导航也有关系，因为北斗系统曾经做过老少关爱，给小朋友们做过卡，做过鞋，做过手表，如果发现老人和儿童走失，向系统提出请求，它会给你返回走失者最近一次出现的位置。
在打车之后，车辆行驶在路上，有时候会经过高架桥，桥梁的稳建性和卫星导航也有关系，事实上，在卫星导航系统中，有一个很重要的应用，叫作形变监测。
就是我们会用卫星导航的接收机，来观察这个桥是不是已经发生了一些微小的变化。如果它发生了变化，就需要及时对它进行维护，以避免发生危险。
这个应用还可以用在山体滑坡、泥石流、铁轨的路基沉降的监测上面，都是跟卫星导航相关的。大家有时候会在立交桥上看到特别大的货车，我们把它叫作 " 两客一危 " 系统，就是危险品车辆和大型客车。


我们国家其实做过 " 两客一危 " 的项目，要求在这样的车上，强制装上卫星导航系统，以保障公共安全。
假设现在到机场了，在飞机的精密进近的过程当中，都是需要卫星导航系统来保障安全的。所以我们每次安全的出行，乘坐飞机，都有卫星导航在为你提供保障。
再回到这位先生的职业上来。他是一个做金融的先生。其实，在金融的结算当中，我们通常会通过卫星导航为金融结算提供非常精确的时间。因为在金融结算当中，如果结算的时间差出去一毫秒，结算的金额可能会差出去好几千万美元。
这也就是为什么卫星导航系统对于民用也非常重要。除了军事当中的打击、精确制导需要卫星导航之外，在民用方面，卫星导航系统关系着国计民生，电力、金融、通信、天气 …… 卫星导航一直在各个领域发挥着非常重要的作用。
未来是否还有北斗四号和北斗五号其实我们不知道，但是我们正在做导航的 " 未来 "，它叫作中国国家 PNT 体系。北斗系统已经经过了几十年的发展，而且在 2020 年就会完成建设正式走向应用，但是它还有一些覆盖不到的区域。


比如在室内，导航系统是没有信号的，在地下，导航系统也是没有信号的。在水下，现在只能利用声呐导航。我们希望能够构建一个以北斗为核心的中国国家 PNT 体系，能够真正实现我们说的 5A，就是任何人，在任何时间，在任何地点，能够用他所使用的任何导航手段，实现其所想要达到的任何导航服务。
这就是我们所努力的未来，虽然未来是未知的，但是我相信在科研人员的努力下，我们国家北斗系统的未来一定可以被大家遇见，而且未来一定是光明的。