今天开始提供全球服务，中国的北斗卫星究竟牛在哪儿？

　　出品|网易新闻

　　作者|铁甲圣骑士，航天工程师

　　12月27日，中国卫星导航系统管理办公室宣布，北斗三号基本系统建成，从今天开始提供全球服务，这标志着北斗系统正式从区域走向全球，北斗系统正式迈入全球时代。

　　关于卫星导航以及中国的北斗卫星，下面我们就带大家一起来了解下。

　　（一）什么是卫星导航系统？

　　全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System, GNSS)，也被称为全球导航卫星系统，是航天技术和通信技术相结合的产物。

　　它利用卫星信号提供数据信息，对目标进行定位、检测、导航及管理，简而言之就是通过位置已知的卫星，来测量地球海陆空上的待求目标的距离，进而获得目标在地球上的具体坐标。

　　全球首个卫星导航系统诞生于美国，它就是我们常常提到的GPS系统，被称为继阿波罗登月、航天飞机之后现代航天领域的又一大奇迹。它的研制起步于20世纪70年代，在1994年完成了能够覆盖全球98%面积的系统建设。GPS系统为军民两用系统，完整的GPS星座由24颗在轨卫星（其中21颗工作卫星、3颗备用卫星）组成，位于距地表20200km高的轨道平面上，理想状态下，全球任意一点、任何时间都可观测到4颗以上的卫星。

　　第一代GPS系统的定位精度为10m以上，实时性较差，第二代GPS系统定位精度取得了长足的进步，最新的GPS II F对于动态物体的定位可以精确到米级。虽然GPS系统目前在世界上占据了领先地位，但美国还在不断的进行技术更新。第三代GPS预计将发射32颗卫星，计划到2020年能够全面投入使用，其精度比以往提高了三倍，抗干扰能力提高了八倍，卫星寿命将延长至15年。

　　除了美国的GPS系统以外，当前全球的卫星导航系统还有三个，分别是俄罗斯的GLONSS 系统、欧洲的伽利略系统以及中国的北斗系统。对于世界上很多无力建设自己的卫星导航系统的国家来说，最早投入使用，功能最完善的GPS系统也成为了他们获得卫星导航服务的首选。

　　（二）卫星导航系统有什么用？

　　卫星导航系统能提供全天候、高精度、实时的服务，已被广泛应用于商业及个人定位、交通运输、航空航海、资源勘探、抢险救援、战场指挥、精确制导等领域。

　　可能很多人有这样一种错觉，即只要手机上用不到的，似乎就很难说“来到了身边”。在进入信息化时代后，智能手机的卫星地图导航功能是最常用的功能之一，可以说，现在没有手机导航很多人就出不了门，我们每个人的日常生活几乎都离不开它。

　　既然导航卫星系统在国家安全和经济建设中扮演着重要的角色，GPS系统又已经非常成熟，那么为什么不直接用其他国家的系统而是要独立研制自己的卫星导航系统呢？

　　中国作为一个大国，民用卫星定位市场几乎可以说在全球位居首位，而商用和军事需求也非常旺盛。事实上，在国产卫星导航系统出现之前，国内民用和商业项目大部分都采用的是GPS系统，在使用时需要获得其授权，而且只提供10m级的精度，在安全方面更是存在漏洞。

　　在GPS系统建设之初，应美国军方的要求，GPS使用了选择可用性机制（SA），其定位信息被故意加入了误差。虽然在2001年美国宣称将关闭SA机制，而到了2007年更是声明GPS IIF及后续的所有GPS卫星都不再具备实施SA机制的能力。

　　可是，无论美国承诺如何，实际在使用其产品时都仍有很大的风险及不可预测性，且这种承诺在和平时期尚可相信，一旦国际形势有变化，特别在军事方面，若国产战机、战舰和精确制导武器使用的是GPS系统进行导航，那么作战效能将打上一个大大的问号。

　　正是基于上述安全性的考虑，中国开始发展自己的卫星导航技术。1994年，北斗卫星导航试验系统（北斗一号）开始研制，并在2000年发射了两颗静止轨道卫星，区域性的导航功能得以实现。2003年又发射了一颗备份卫星，完成了北斗卫星导航试验系统的组建。

　　北斗一号属于有源定位区域试验系统，该系统在进行定位解算时需要用户发送请求给卫星，然后由地面控制中心完成全部的计算任务，将用户需要的数据传回给用户，整个过程中卫星担任中继作用，覆盖范围主要在中国境内地区以及周边。

　　不过，有源模式使得系统在定位精度、用户容量、定位的频率次数、隐蔽性等方面均受到限制，而且无测速功能，无法满足精确制导武器的要求，投入民用市场也不具备可行性。因此，中国的卫星导航发展在经历了有源定位区域试验系统，即北斗一代系统阶段后，第二步是无源定位的起步阶段，即北斗二代，第三步则实现能够实现全球任意地区定位的能力，也就是北斗三代。

　　（三）中国北斗卫星导航系统有何独特之处？

　　2007 年，中国首颗无源定位卫星在西昌发射场发射成功，标志着国产卫星定位系统进入了一个新的时代。无源定位是北斗一代向北斗二代进步的关键技术，用户无需发送信号即可由自身完成定位，在原理上与GPS 系统基本相同，但是在如星座分布、使用频率等方面还是有很大差别的。此外北斗系统除了与其他卫星具有相同的导航定位和授时服务外，它还具有短信通信服务功能。

　　当前北斗系统的信号分为两个波段，一个是L波段，一个是S波段。北斗卫星导航系统使用码分多址技术，与GPS系统和伽利略定位系统一致，而不同于格洛纳斯系统的频分多址技术。相比之下，码分多址有更高的频谱利用率，在由L波段的频谱资源非常有限的情况下，选择码分多址是更妥当的方式。此外，码分多址与其他卫星导航系统的兼容性能更佳。

　　和GPS系统类似的是，北斗卫星也提供授权和公开两种服务，相应的提供两类相应的信号。其中公开服务提供的信号，卫星在其覆盖的范围内可向用户提供无需授权、无需交费的定位，电文通信等服务，其定位能够精确到10 米，单向授时能够达到 50ns。测速能够达到 0.2m/s。

　　北斗二代系统在2012年完成了对亚太大部分地区的覆盖并正式提供卫星导航服务，此时北斗二代系统拥有16颗卫星，其中14颗组网并提供服务，分别为5颗静止轨道卫星、5颗倾斜地球同步轨道卫星（均在倾角55°的轨道面上）、4颗中地球轨道卫星（均在倾角55°的轨道面上），在中国境内使用卫星导航服务可以不再受到国外系统的限制。

　　而值得一提的是，在北斗系统关键技术上，中国也取得了重大突破。导航卫星本身来说，极高精度的时间系统就是最核心、最关键的设备之一，一旦失去准确的计时能力，一颗卫星就无法再提供可靠的定位服务，因此在卫星中用于计时的星载原子钟成为了国产化必须要突破的关口。

　　（北斗导航卫星上所搭载的星载铷原子钟。）

　　星载原子钟结构复杂，需要满足卫星发射及在轨运行时需要面对的振动、温度、辐照等环境要求，而且对体积和重量指标极为苛刻。北斗一号系统的卫星原子钟是由瑞士进口，而到了北斗二号时，星载原子钟开始使用中国航天科工提供的国产原子钟，自2012年开始，北斗已经开始全部使用国产原子钟，其性能与进口产品相当。

　　在北斗二代系统建成后，北斗三代系统也很快提上日程。2015年3月30号，长征三号丙运载火箭携带北斗三号-I1-S卫星在西昌发射场升空，拉开了北斗三代系统建设的序幕。北斗三代系统的建成目标瞄准实现全球定位能力，到 2020 年中国预计将能够实现北斗三代系统的建设，届时整个北斗卫星星座会有 35 颗卫星，包括5颗静止轨道卫星、27颗中地球轨道卫星、3颗倾斜同步轨道卫星。

　　结语

　　中国的北斗系统起步随晚，但是进展却迅速，超越GLONSS 系统和Galileo 系统成为全球第二已经毫无悬念。

　　中国有约4万艘渔船安装了北斗卫星导航系统的终端，高峰时每月发送70万条。当前制约北斗导航民用的最大瓶颈是芯片价格，相对于GPS系统，北斗系统的起步晚，用户量还不够多，也使得终端设备的芯片成本较高，相信随着北斗三代系统的建成，兼容北斗系统的终端数量将迎来爆发增长，价格有望降低到和GPS系统终端相当的水平。

　　北斗系统作为中国实施建设的重大信息基础设施项目，它的发展和应用对于国家安全、科学研究、经济发展与国防建设等方面都具有深远影响。系统用户端设备的不断更新与完善，对于整个卫星导航系统的进步与发展起到了推进作用。这也从一个侧面反映出中国综合国力的提升，成为中国制造的一张闪亮的名片。

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　　编辑| 史文慧