一文搞懂北鬥定位原理，衛星怎麼確定你的位置？北鬥有什麼優勢

如果我問你你現在在哪裡，一般情況下你都可以很快的說出來自己的位置。比如XX市XX街道某個小區多少號。

但是如果你在外面的話，就不太好說出自己的位置，如果旁邊沒有很出名的建築，也沒有路牌，那你就沒法告訴我你到底在哪。

如果你在野外的話那就更麻煩了，你總不能說自己在哪個大樹旁邊吧，這樣誰都找不到。

甚至如果把你放到一個陌生的野外，你都不知道自己在哪個國家，哪個省。

所以，定位自古以來就是一個難題。

2020年6月62日，隨著北鬥三號最後一顆組網衛星在西昌衛星發射中心的升空，北鬥三號正式組建完成。7月31日，北鬥三號全球衛星導航系統正式開通。

導航衛星

使用衛星導航大家在生活中已經習慣了，打開手機地圖就可以知道自己的位置，但是為什麼發射幾顆衛星就可以知道我們的位置？衛星定位導航究竟是怎麼做到的？

定位方式限制著人類對世界的探索，比如在原始社會，人類的祖先想獲取遠處的獵物，就要到遠一些的地方去。但是沒有好的定位方法，走遠了之後很容易迷路。

所以如果到不太遠的地方去狩獵，可以憑著自己的記憶，或者做一些特殊的標記找到回家的路，再遠了之後就沒有好的辦法了。

隨著社會的發展，人類學會了牽星術和使用指南針，可以在適當的情況下指引方向。

但是衛星導航出現之前，人類社會還是依靠記憶加地圖定位。比如村東頭的大槐樹、街上的十字路口往東50米、某個建築物的門口等等。如果對當地不熟的人，還是不知道具體在哪。

所以聰明的人把地球表面看成一個球面，給地球畫了坐標，經線和緯線，只要知道兩個坐標經度和維度，就可以知道你的準確位置了。

克羅狄斯·託勒密於公元120年就發明了簡易的經緯度，國際上將通過英國倫敦格林尼治天文臺原址的那條經線稱為0°經線，也叫本初子午線。如果是中國發明的話，應該把紫禁城中線作為本初子午線。

這個時候我們就可以說自己在東經XX度，北緯XX度，大家就都知道我們在哪了。

但是怎麼知道自己的經緯度呢？為了更好的解決地球上定位的問題，美國1964年投入使用的GPS系統，2020年中國完成了北鬥三導航系統的上線。

衛星導航的原理是什麼呢？其實很簡單。

比如有一個特殊的燈塔A，它可以精確地探測到一個物體和它之間的距離，但是不知道具體的方向。比如這個燈塔探測到一個物體距離它1000米，那麼這個物體就在以燈塔為球心，半徑為1000米的球面上，具體在哪一點不知道。

一個燈塔定位

現在再加一個燈塔，假設為燈塔B，燈塔B同樣探測到了這個物體，距離自己900米，那麼這個物體就在以燈塔B為球心，半徑為900米的球面上。

這兩個球面相交的點為一個圓，那麼探測的物體就有可能在這個圓上任何一點，這個物體的位置範圍縮小了。

兩個燈塔定位物體可能的位置

現在再加一個燈塔，假設為燈塔C，燈塔C同樣探測到了這個物體，距離自己1600米，那麼這個物體就在以燈塔C為球心，半徑為1600米的球面上。

那麼這三個球面相交，就會相交於兩個點。再用地球地理位置排除一個，剩下的一個就是這個物體的精確位置。

三個燈塔確定物體的位置

把三個燈塔換成三個導航衛星，就是目前的衛星導航系統原理。

目前幾個主流的衛星定位系統：北鬥、GPS、伽利略、格洛納斯都是用的這個原理。

比如一個衛星9點整給你發了一個電磁波信號，你的手機9.001秒收到了這條電磁波信號，由於電磁波速度為299792458 m/s，所以電磁波從這個衛星走到你的手機用了0.001秒，差不多走了299792.458 m，也就是這顆衛星距離你299792.458 m，接下來就可以跟燈塔定位原理一樣確定你的位置。

衛星定位原理搞清楚了，但是理論到實用，中間差距還是很大的，我們來看一下實施過程中主要會遇到哪些困難。

導航衛星發射。發射衛星雖然是一件很複雜的事，但是很多國家已經有了非常成熟的經驗，所以難度不是很大。

建立空間坐標。為了確定位置，導航衛星和物體必須採用統一的坐標系。空間坐標系的建立離不開時空基準，可以理解為一個坐標系的圓點，這就需要很可靠的天文觀測技術來測量。

標準時間。在計算空間坐標的時候離不開統一的標準時間，時間差距1毫秒在定位的時候可能偏差幾公裡，這在導航系統中是肯定不能接受的。目前中國科學院國家授時中心位於山西省西安市，目前可做到地波定時精度=±（0.5-0.7）微秒天波定時精度=±（1-2）微秒，基本可以滿足導航衛星的需求。

同時導航衛星上也需要精確的時鐘，最先進的時鐘為氫原子鐘，每天誤差小於1納秒，約600萬年誤差1秒。目前我國北鬥三號大部分導航衛星都攜帶了氫原子鐘，使用壽命可達10年以上。

你的手機上也需要精確的時鐘，不過手機自帶的振蕩器不穩定，所以產生的時間長時間會存在誤差，一般都會定時聯網獲取標準時間。

剛才說了時間對定位準確度非常重要，時間差距0.0001秒，定位都會相差幾十公裡以上，所以衛星的時間也要考慮相對論的效應，為了協調各個導航衛星及手機的時間，整個導航系統需要一個時間同步衛星，專職負責同步時間。

雷射測距。雷射測距技術也是限制導航精度的瓶頸，雖然導航衛星的軌道相對穩定，但是隨著時間的推移，軌道還是會產生變動，而這些變動會直接影響到定位位置的計算。

目前我國已發展出各種測距手段，包括固定和移動的，可全天時監測衛星軌道。

因為地球是球形，所以在全球每個面上都要設立衛星監測站，不然衛星運動到地球的背面，就監測不到了。但是由於地緣限制，美國可以通過全球軍事基地或者盟友國家來設立監測站，中國就沒有這個條件，因為沒有海外軍事基地，也沒有可以放置監測站的盟友。

所以之前我們看國家衛星發射直播的時候，從點火升空開始過了一段時間，會聽到遠望號監測船接管監測，就是因為在地球的另一邊，我們只能用船去監測衛星的位置。

但是用船去監測很難達到區域和全天候的要求，所以我們使用了星鏈法去監測地球背面的衛星，就是使用在我們國家可以「看」到的幾顆衛星，去監測地球背面我們「看」不到的衛星。

所以別看衛星定位的原理簡單，但是裡面涉及的技術非常多，特別依賴於基礎科學研究。

北鬥和其它定位相比，優勢在於可以發送短報文，長達120個字，在發生自然災害其它通信中斷的時候，北鬥可以不斷地反應現場情況變化，為救援做出決策依據。