徐颖：卫星导航定位系统一定要握在自己人手中

出品：SELF格致论道

作者：徐颖

 中国科学院空天信息研究院研究员

“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。”

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。

“SELF格致论道”讲坛是中国科学院全力推出的科学文化讲坛，致力于精英思想的跨界传播，由中国科学院计算机网络信息中心和中国科学院科学传播局联合主办。SELF是 Science, Education, Life, Future的缩写，旨在以“格物致知”的精神探讨科技、教育、生活、未来的发展。关注微信公众号/微博获取更多信息：SELFtalks、SELF格致论道讲坛。

本文链接：https://www.bjjcc.cn/kepu/42562.html，文章来源：科普之家，作者：SELF格致论道，版权归作者所有，如需转载请注明来源和作者，否则将追究法律责任！