一文讀懂北鬥全球衛星導航系統建成:華為們都在用 和GPS不相上下

現在，在華為、小米、魅族、三星等很多款手機中都有北鬥系統。當然如果用的是蘋果手機，那不用試了，蘋果手機沒有使用北鬥系統。但是我們也希望，在2020年北鬥系統覆蓋全球之後，蘋果手機當中也會有北鬥系統。

出品："格致論道講壇"公眾號（ID：SELFtalks）

2020年7月31日上午10時30分，北鬥三號全球衛星導航系統建成暨開通儀式在人民大會堂舉行。北鬥系統的發展，不僅與我們的日常生活息息相關，更與我們的國家安全、社會進步相掛鈎。因為每個國家都希望把自己國家的主權和國家的經濟命脈，建立在自己的衛星導航系統基礎之上。衛星導航定位系統是一把守護國門的金鑰匙，一定要握在自己人手中。

中國科學院空天信息研究院研究員徐穎撰文，從起源、應用以及技術難點等多方面，對北鬥系統做了全面的解讀，以下內容為徐穎演講實錄：

北鬥系統，這個名字從何而來呢？北鬥七星。北鬥七星是中華民族的指極星，也是中華民族的導航星，在很早的時候，人們就開始對北鬥七星進行觀測和利用。北半球的人們通常用北鬥七星和北極星來辨別方向。

在《史記·天官書》當中就有記載：「分陰陽，建四時，均五行，移節度，定諸紀，皆繫於鬥。」這裡的「鬥」指的就是北鬥。在古代，有北鬥七星為我們指引方向，今天我們也有北鬥系統和我們的生活密切相關。

關於北鬥的「3」的故事

對於北鬥系統來說，有一個數字非常重要，這個數字就是「3」。大家應該都聽過一生二，二生三，三生萬物。要講清楚北鬥系統的工作原理，就要先給大家講清楚「3」的故事。

首先要介紹的是三球定位。衛星導航定位系統最基本的定位原理叫作三球定位。我們同時有三顆衛星，測量我和衛星之間的距離，我就一定知道我的位置是以衛星的位置為球心，以這個距離為半徑的球體上面。

而三個球交匯於一點，這就是衛星導航定位的最基本的原理，我們把它叫作三球定位。但是實際上，因為我們還需要測量時間信息，所以我們至少需要四顆衛星才能實現最基本的定位。

在衛星導航系統當中有三大組成。第一個是我們都非常熟悉的衛星。

第二個是地面站，有地面的監測站、測定軌站等站點。

第三個是終端，比如手機，其實也是衛星的一個終端。

有些人在網上會問這樣一個問題：「從1983年陳芳允院士提出北鬥一代開始，北鬥系統已經建了這麼多年了，什麼時候我們才能用上北鬥系統呢？」其實在我們很多人的手機中已經有了北鬥系統。

如果用的是華為的手機，回去之後，可以在手機的應用商店裡面下載一個小軟體，叫北鬥助手或者叫北鬥伴。

把這個軟體下載下來之後，找一個空曠的地方打開你的手機，然後你就會發現，在衛星天頂視圖當中，有帶著中國國旗的圖標被點亮，那就說明你的手機中是有北鬥系統在為你提供服務的。

現在在華為、小米、魅族、三星等很多款手機中都有北鬥系統。當然如果用的是蘋果手機，那不用試了，蘋果手機沒有使用北鬥系統。但是我們也希望，在2020年北鬥系統覆蓋全球之後，蘋果手機當中也會有北鬥系統。

導航系統幫助我們的車輛從一個地方到另一個地方，但是事實上導航提供的服務不僅是定位，導航服務一般分為三類。

第一類服務是給你一個精確的位置。這是大家最常用的，比如手機上的滴滴打車、微信的位置共享，都是基於導航的這一服務。

第二類服務是可以給你一個非常精確的時間。從剛才講的衛星導航的三球定位上來，我們需要測量我和衛星之間的距離。一般在生活當中，我們要測量兩個點的距離，我們可以拿一根尺子，就能夠測量兩個點的距離。

但是用這個方式，能夠測量和衛星之間的距離嗎？要拿一個多大的尺子，才能把我和衛星連接在一起呢？在衛星導航當中，其實有一個小秘密，就是我們從來不直接測量距離，而是通過測量時間來測量距離。

我們在衛星上發射一個電磁波，然後測算這個電磁波從衛星傳遞到我們之間的一個時間差。這個時間差乘上光速，就得到了距離。

所以在衛星導航當中，我們是通過測時間來測距離的。這也是我們可以為大家提供精確時間的一個主要的原因。距離除以時間等於速度，我們可以得到速度。所以，衛星導航的三種業務就是能夠給你精確的位置、精確的時間和精準的速度。

當然，北鬥系統在這三種業務之外，還有一種附加的業務——通信，它也是全世界唯一一個能夠用來做通信的衛星導航定位系統。

全球衛星導航系統

世界上不是只有北鬥系統。目前，只有美國的GPS、俄羅斯的GLONASS、歐盟的伽利略（GALILEO）和中國的北鬥，這四大系統才能被稱為全球衛星導航定位系統，因為它們實現了全球覆蓋。

除了這4個全球覆蓋的系統之外，目前世界上還有兩個區域定位系統，日本的準天頂系統（QZSS）和印度的IRNSS系統。

日本準天頂系統（QZSS）

印度的IRNSS系統

日本的準天頂系統在宣布提供服務的時候，網上就開始有文章說，日本的準天頂，精度拳打GPS，腳踢北鬥。但是事實上，準天頂系統是一個區域定位的系統，它最核心的點是依賴於GPS建立的。

如果GPS不能用，那麼準天頂的增強功能就不能用，它就沒有辦法做到高精度、釐米級定位等一系列的功用。

在全球的四大衛星導航定位系統當中，現在用於導航的衛星數量非常多，截止到2018年7月22日，所有能用的衛星數量已經超過了100顆，還不包括我們的備份星和測試星。

所以，其實天上是有很多衛星的，而在民用服務中，也是把所有的衛星導航系統組合在一起使用的。

GPS在1991年的時候就建成了，精度一直也很高。但是我們國家還需要專門建北鬥系統，俄羅斯還要建GLONASS系統，北鬥系統從1983年提出到現在，已經走過30多年，我們為什麼要花這麼多時間和精力來建北鬥系統呢？

建北鬥系統的原因

以前我們在為北鬥系統拍紀錄片的時候，編導曾經說過這樣的一句話：衛星導航定位系統是一把守護國門的金鑰匙，自己家的這把金鑰匙，一定要握在自己人的手中，這就是為什麼我們要建北鬥系統。

俄羅斯雖然經歷了經濟滑坡、蘇聯解體等一系列事件，但是他們依然在持續地更新和建設GLONASS系統。歐盟的伽利略系統建設之初經歷了非常漫長的被美國強烈反對、歐盟內部意見的不一致，在建設過程中，天上的原子鐘還徹底壞了一批。

前一段時間伽利略系統還出現了全線的斷線，但他們還是在一直堅持發展伽利略系統。每一個國家都希望把自己國家的主權和國家的經濟命脈，建立在自己的衛星導航系統基礎之上。

可見，如果一個系統不是我國自主建設的，那我們對它其實是沒有任何掌控權的，它隨時可能會發生一些你所不知道的變化。這也就是為什麼我們要建北鬥系統的一個最主要的原因。

在軍用方面，我們都是用北鬥系統來保障國防安全的，但是在民用方面，目前是一個多系統聯合的趨勢。

在你們的手機軟體當中，找一下我剛才說的軟體，就會發現，你的手機不僅用了北鬥來為你進行定位，也用了GPS 和GLONASS來進行定位。在民用領域，各個導航系統是彼此兼容協調發展的，所以，北鬥不僅是中國的北鬥，也是世界的北鬥。

北鬥系統的發展

北鬥系統的發展，也經歷了三段歷程，和「3」這個數字真的特別有緣。北鬥一號系統是在2000年左右建成的，它只有兩顆星，它叫北鬥一號，也叫北鬥雙星。它主要是解決我國衛星導航系統的有無問題。

北鬥二號系統是在2012年12月27日宣布提供服務的。它從北鬥一號的有源系統，變成了一個無源系統，主要為我國和周邊亞太地區提供服務。

北鬥三號系統，是在2018年12月27日宣布開始提供服務的，在2020年將會實現北鬥三號系統的完全建設。北鬥三號系統主要是從區域系統擴展到了一個全球系統。

北鬥三號系統的建設過程也包括三步。2018年底，它主要是服務我國和「一帶一路」地區，到2020年底的時候就會服務全球。

北鬥系統正處在全球組網的快速建設過程中。這是北鬥系統的一個衛星組成。北鬥系統是30顆衛星覆蓋全球，其中有3顆靜止軌道衛星，24顆中軌道衛星，3顆小傾角軌道衛星。

北鬥系統的服務區域，重點區域是在我國和周邊地區，實現的是全球覆蓋。

北鬥是一個開放的系統，除了公開的服務，還有授權的服務、廣域差分服務和位置報告服務。

2020年之後，北鬥系統在有了廣域差分的情況下，和GPS服務的性能是相當的。在重點地區，會有1~1.5米的精度，其實是比GPS的性能要高的。

與北鬥二號相比，北鬥三號到底有什麼新亮點呢？首先要講的是星間鏈路。顧名思義就是衛星和衛星之間是可連接的，能夠形成一個衛星網絡。

有星間鏈路之後，如果在地面站之間發生了摧毀性的損失，所有的地面站都沒有了，我們還可以用星間鏈路來實現衛星的自主運行。所以，星間鏈路可以保障衛星的可用性和穩健性。

其次北鬥系統有高精度的氫原子鐘。北鬥一號、北鬥二號在建設過程中，當時我們是準備從瑞士進口原子鐘的，瑞士人表做得很好，鍾做得也不錯。但是瑞士當時提出，需要有一個歐洲對華的許可證。

怎樣才能獲得這個許可證，通過什麼方式才能獲得這個許可證，都沒有任何的約定。所以，後來在北鬥二號系統的建設過程中，關鍵的核心攻關就是星載原子鐘技術，北鬥三號則使用了更高精度的氫原子鐘。它的精度可以做到110-15這麼高，也就是說要過去很長很長時間，它的誤差才有一秒。

這是北鬥三號的另一個創新點。剛才講到了，從別的國家進口原子鐘是不現實的，所以北鬥系統有一個很重要的指標叫作100%國產化。北鬥系統所有晶片，所有核心器件，包括天線、射頻、基帶，都有一個國產化的指標要求。

我們都說北鬥系統是一個獨立自主的系統。第一是它不依賴於任何別的系統而運行。第二，它所有的核心技術都是自己的智慧財產權，不依賴於別國的核心技術而運行，這是大國重器的國產化。最後一個創新點是，北鬥三號有一個搜救功能。北鬥三號加入了海事搜救組織。

以前伽利略系統的搜救過程是，你給伽利略衛星發了一個搜救信號，然後你就開始等待。你不知道你的信號有沒有被收到，你也不知道，是不是會有人來救你。

北鬥系統在收到你的搜救信號之後，會給你一個反饋，告訴你信號已經收到了，安心等待吧，很快就會有人來救你了。所以這也是北鬥三號的一個升級功能。

其實北鬥系統遠遠不止這些功能，它有很多「首次」，讓我們一起期待2020年北鬥系統建設完成，正式開始為大家提供服務。

北鬥系統的作用

天上有這麼多衛星，衛星導航在我的生活當中，有什麼作用呢？好像每天除了用它來打車，就沒有別的用處了。其實，在衛星導航系統業內有這樣的一句名言：衛星導航定位系統的應用，只受制於人們想像力的限制。

假設有一位A先生，假設他是做金融的。看一看他半天的生活，有多少是和衛星導航相關的。

作為現代手機重度依賴症的患者，我早上起來第一件事情，就是給我的手機充電。事實上，在我們國家的電力系統當中，都是用衛星導航來為電站之間實現時間和頻率的同步的，以前用GPS，現在用北鬥。

如果電力系統不能實現時間和頻率同步，就有可能出現用電高峰期的時候，峰值疊加而導致整片區域斷電的情況。所以我們每天都用的電，其實是有衛星導航為電力系統提供保障的。

給手機充完電，打開手機之後，接下來就是吃飯。吃飯這件事情和衛星導航有關嗎？你需要用衛星導航，給你把米定位到嘴裡嗎？其實不需要。但是衛星導航確實和農業密切相關。

自動駕駛技術到今天一直沒有落地，但有一部分自動駕駛落地了，比如，自動駕駛的拖拉機、農業收割機。所以，在智能農業當中，衛星導航定位系統為自動駕駛提供了位置的保障。所以每天吃的米，也是離不開衛星導航定位系統提供的保障的。

吃完飯以後就要看電視了，在看電視的時候，經常會看到電視裡邊的新聞報導，某些國家、地區之間動武了這樣的情況，飛彈制導這件事情和衛星導航也是有關係的。

有時候我們也經常會在電視裡面看到，與動物保護有關的新聞，動物保護這件事情和衛星導航也有關係，說要把一個晶片，安在動物身上。

其實北鬥系統確實給長頸鹿、藏羚羊、熊貓都做過這樣的晶片。比如，藏羚羊生活在無人區，我們就需要用這樣的晶片為它提供保護服務。

看完電視之後要去上學，我們出門打車這個事情和衛星導航也有關係。這是大家最熟悉的應用。

我們在用滴滴打車的時候，有時候也會看到老人或者兒童走失的信息，讓你如果發現線索要及時上報。

老人兒童走失這件事情和衛星導航也有關係，因為北鬥系統曾經做過老少關愛，給小朋友們做過卡，做過鞋，做過手錶，如果發現老人和兒童走失，向系統提出請求，它會給你返回走失者最近一次出現的位置。

在打車之後，車輛行駛在路上，有時候會經過高架橋，橋梁的穩建性和衛星導航也有關係，事實上，在衛星導航系統中，有一個很重要的應用，叫作形變監測。

就是我們會用衛星導航的接收機，來觀察這個橋是不是已經發生了一些微小的變化。如果它發生了變化，就需要及時對它進行維護，以避免發生危險。

這個應用還可以用在山體滑坡、泥石流、鐵軌的路基沉降的監測上面，都是跟衛星導航相關的。大家有時候會在立交橋上看到特別大的貨車，我們把它叫作「兩客一危」系統，就是危險品車輛和大型客車。

我們國家其實做過「兩客一危」的項目，要求在這樣的車上，強制裝上衛星導航系統，以保障公共安全。

假設現在到機場了，在飛機的精密進近的過程當中，都是需要衛星導航系統來保障安全的。所以我們每次安全的出行，乘坐飛機，都有衛星導航在為你提供保障。

再回到這位先生的職業上來。他是一個做金融的先生。其實，在金融的結算當中，我們通常會通過衛星導航為金融結算提供非常精確的時間。因為在金融結算當中，如果結算的時間差出去一毫秒，結算的金額可能會差出去好幾千萬美元。

這也就是為什麼衛星導航系統對於民用也非常重要。除了軍事當中的打擊、精確制導需要衛星導航之外，在民用方面，衛星導航系統關係著國計民生，電力、金融、通信、天氣……衛星導航一直在各個領域發揮著非常重要的作用。

未來是否還有北鬥四號和北鬥五號其實我們不知道，但是我們正在做導航的「未來」，它叫作中國國家PNT體系。北鬥系統已經經過了幾十年的發展，而且在2020年就會完成建設正式走向應用，但是它還有一些覆蓋不到的區域。

比如在室內，導航系統是沒有信號的，在地下，導航系統也是沒有信號的。在水下，現在只能利用聲吶導航。我們希望能夠構建一個以北鬥為核心的中國國家PNT體系，能夠真正實現我們說的5A，就是任何人，在任何時間，在任何地點，能夠用他所使用的任何導航手段，實現其所想要達到的任何導航服務。

這就是我們所努力的未來，雖然未來是未知的，但是我相信在科研人員的努力下，我們國家北鬥系統的未來一定可以被大家遇見，而且未來一定是光明的。

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