為全球導航，中國如何做到的？

2020年6月23日

中國西昌衛星發射中心

長徵火箭搭載著最後一顆北鬥組網衛星

劃破長空

（9時43分，北鬥三號最後一顆全球組網衛星發射升空，攝影師@南勇）

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隨後

衛星將到達距離地表約36000千米的軌道

它的穩定運行

標誌著

中國北鬥衛星導航系統全面建成

這是一個龐大的工程

太空中46顆導航衛星

晝夜不停地環繞在地球周圍

地面上2700多個基準站

分布於大江南北

一張「天羅地網」鋪展開來

（北鬥「完全體」，包括北鬥二號衛星16顆，北鬥三號衛星30顆，製圖@鄭伯容/星球研究所）

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這也是一個艱難的工程

8萬多名工作人員

300多家研發單位

前前後後奮戰20多年

終於夢想成真

（20年間，長徵火箭作為北鬥衛星的唯一運載工具，發射次數多達44次，下圖為裝載第39和第40顆北鬥衛星的長三乙火箭靜待發射的場景，攝影師@史悅）

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這更是一個必需的工程

如今北鬥已經廣泛應用於

電力、金融、通信、交通

農業、測繪、減災救災等

生產和生活的方方面面

中國將徹底擺脫

對美國全球定位系統（GPS）的依賴

（以350公裡時速行駛的京張高鐵，可以實現從駕駛一次制動到停車的停準誤差不到10釐米，下圖為自動駕駛的京張高鐵，攝影師@趙斌）

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而且藉助北鬥

中國飛彈擁有了超高精度的制導能力

國防利器愈加鋒利

（2019年10月1日，慶祝中華人民共和國成立70周年大會閱兵式中的巨浪-2飛彈方隊，圖片來源@人民視覺）

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如今

北鬥系統（BDS）已經覆蓋全球

與美國的全球定位系統（GPS）

俄羅斯的格洛納斯系統（GLONASS）

歐盟的伽利略系統（Galileo）

並稱全球四大衛星導航系統（GNSS）

20年磨一劍

中國是如何做到的？

01

導航衛星的秘密

要想獲取我們的位置

太空中需要布置

至少3顆導航衛星

它們不斷地發射電磁波信號

我們利用導航設備接收信號

信號在一發一收之間產生的時間差

再乘以電磁波的傳播速率（光速）

便可以計算出我們與衛星的距離

只有1顆導航衛星時

以衛星為中心

我們與衛星的距離為半徑

便得到一個球面

球面上的任何一點

都可能是我們的位置

（光速約等於3×108m/s，一顆導航衛星確定的位置——球面，製圖@鄭伯容/星球研究所）

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若有2顆導航衛星

兩個球面相交得到一個圓周

圓周上任何一點

都可能是我們的位置

（兩顆導航衛星確定的位置——圓周，製圖@鄭伯容/星球研究所）

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若有3顆導航衛星

三個球面相交得到A、B兩個點

兩點中任何一點

也都可能是我們的位置

（三顆導航衛星確定的位置——兩個點，製圖@鄭伯容/星球研究所）

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而兩點之中

僅有B點位於地表附近

於是便鎖定了我們唯一的位置

（與地表的交點有且只有一個，製圖@鄭伯容/星球研究所）

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這就是導航衛星的秘密

即三球交會定位原理

實際上

在測量時間的時候

會產生各種誤差

為了消除誤差

往往還需要第4顆衛星的輔助

同時為了保證我們隨時隨地

都能接收到4顆以上的導航衛星信號

環繞地球的衛星總數往往遠遠高於4顆

例如美國GPS和俄羅斯GLONASS系統

導航衛星的數量都在24顆以上

（GPS系統定位示意，同一點上空的衛星多在4顆以上，原圖來源@維基百科，重製@鄭伯容/星球研究所）

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可是

在上世紀90年代

想要短期內發射同等數量的導航衛星

對於航天及導航技術相對落後的中國來講

幾乎是一個不可能實現的夢想

能否用最少的衛星

實現定位的目標？

02

蹣跚起步

一個大膽的方案

橫空出世

陳芳允

「兩彈一星」功勳、著名電子學家

首次提出了由兩顆衛星組成的

雙星定位系統

其巧妙之處在於

在地面設置了一個「大腦」

即地面控制中心

利用地面控制中心

人們可在地球周圍「虛擬」出一個球體

並通過控制中心、衛星、用戶三者之間的交互

計算得到用戶的位置

（地面控制中心可以提供用戶的高程等已知數據，且擁有超強的解算能力。雙星定位原理示意，製圖@鄭伯容/星球研究所）

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與此同時

兩顆衛星均位於地球靜止軌道

其軌道高度在35786千米

運行周期與地球自轉周期保持一致

可始終朝向地球的同一面

保證了全時段的信號覆蓋

（地球靜止軌道示意，製圖@鄭伯容/星球研究所）

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從1994年方案獲得正式立項

到2000年兩顆北鬥衛星成功入軌

歷時6年多的研發

北鬥雙星的設想

終於變成了現實

這便是北鬥一號

它的信號

可以覆蓋中國全境

（北鬥一號的覆蓋範圍為東經70°-145°，北緯5°-55°，製圖@王朝陽&鄭伯容/星球研究所）

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用戶不僅能接收位置信息

還能像「發簡訊」一樣主動發送文字消息

這在求救和援助時尤為關鍵

而對於如同「收音機」般

單向接收數據的GPS等系統

這是無法做到的

（「發簡訊」的優勢在於，既能知道自身的位置，也可以告訴他人，這在地震、遠洋等一些險境中意義重大，下圖是2008年汶川地震中救援的場景，攝影師@賈君洋）

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這項功能屬於國際首創

美國GPS之父帕金森教授

後來對此功能讚譽有加

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既能夠知道你在哪裡，也能夠知道我在哪裡

這是多麼美妙的體驗

不過

北鬥一號的缺陷

同樣顯而易見

它的定位精度為20-100米

時間精度為20-100納秒

與同期GPS的10米和20納秒差距明顯

而且僅支持150個用戶同時在線

與全球覆蓋的目標也相差甚遠

還有

「發簡訊」式的交互模式

過程較為繁瑣、信號易被攔截

不僅導致定位中存在1秒左右的時延

還容易暴露自身位置

而對於高速運動的飛機、飛彈來說

每1秒都生死攸關

軍事行動中保密性更是至關重要

（北鬥一號和GPS系統定位操作對比，製圖@鄭伯容/星球研究所）

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北鬥一號

儘管性能有些簡易

但基本解決了我們導航系統從無到有的問題

北鬥的夢想已經在蹣跚中起步

接下來會一帆風順嗎？

03

攻堅克難

自2010年起

西昌衛星發射中心變得非常熱鬧

在不到3年的時間裡

將有14顆導航衛星從這裡陸續發射升空

2010年發射5顆

2011年發射3顆

2012年發射6顆

（2007年和2009年各有一顆北鬥二號實驗星已經發射升空，下圖是西昌衛星發射中心的兩個發射塔架與火箭運輸機車的同框，攝影師@餘明）

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同時

運算和控制等地面配套系統也鋪展開來

衛星與地面的調整測試也在同步進行

2012年底

新系統組網成功

這就是北鬥二號

（北鬥二號系統運行示意，製圖@鄭伯容/星球研究所）

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與北鬥一號相比

其覆蓋範圍明顯擴大

擴大至亞太地區的大部分區域

定位精度也從20米提升至10米

時間精度達到10納秒

（北鬥二號的覆蓋範圍為東經70°-150°，南緯55°-北緯55°，製圖@王朝陽&鄭伯容/星球研究所）

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北鬥一號獨特的通信功能

也被完整繼承了下來

可在應急通訊中幫助更多的人

（2015年4月25日尼泊爾發生8.1級地震，救援人員曾藉助北鬥實施搜救，下圖為尼泊爾新圖巴尓恰克地區的震後場景，圖片來源@人民視覺）

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然而這樣的升級

並非一帆風順

擋在科學家面前的是

重重難關

難關之一在於

衛星如何布局

最適宜導航衛星的軌道

是高度約20000千米的

中圓軌道

是實現全球覆蓋的最優選擇

GPS等系統的衛星便分布於此

（不同軌道類型及衛星示意，製圖@陳思琦&陳隨/星球研究所）

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可是

中圓軌道衛星

飛越目標區域的時間較短

這意味著

想要實現此區域的穩定覆蓋

必須發射足夠多的衛星

然而彼時

發射此類衛星的技術

在我國還尚未成熟

倘若全部使用中圓軌道

無疑是充滿風險

為了短期內實現目標

中國科學家另闢蹊徑

首次開創了「混搭」的衛星布局方式

通過排兵布陣

14顆衛星分布於三種軌道

除了4顆中圓軌道衛星外

還有5顆傾斜同步軌道衛星

保證信號對亞太地區的長時間覆蓋

5顆地球靜止軌道衛星

實現此區域的全時段穩定覆蓋

（傾斜同步軌道衛星的運行周期和軌道高度與地球靜止衛星相同。把傾斜同步軌道衛星用於定位，屬於中國首創。下圖是北鬥二號系統三種軌道的示意，製圖@鄭伯容/星球研究所）

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難關之二在於

精度如何提高

電磁波以光速傳播

哪怕存在1納秒的時間誤差

產生的距離誤差也會有0.3米

所以衛星導航定位的精確度

主要取決於衛星上的原子鐘精度

以及衛星、地面站、用戶之間的

時間同步

國際上通用的星載原子鐘

精度需要達到10-13

相當於每過10萬年才會產生1秒的誤差

而當時擁有此項技術的國家

僅有美國、俄羅斯和瑞士

（下圖為美國GPS衛星的藝術想像圖，圖片來源@NASA）

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北鬥一號所用的原子鐘

便是從瑞士進口

但到了北鬥二號時

引進原子鐘的合作卻被迫中斷

所以

北鬥二號要想順利完成

中國人必須爭分奪秒地

實現原子鐘的自主研製

（北鬥衛星導航系統的衛星與運載火箭，分別由中國航天科技集團有限公司所屬的中國空間技術研究院和中國運載火箭技術研究院研製生產，下圖為中國空間技術研究院的工作人員正在調試設備，攝影師@苟秉宸）

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時間的緊迫性遠不止於此

難度之三

便是衛星

如何按時發射

根據國際電信聯盟的規則

衛星運行的軌道和信號頻率

在使用前必須提前申請

且必須在申請通過後的7年內

完成衛星發射入軌和信號接收

否則相關資源會被回收

2000年4月18日

中國的申請獲得通過

這意味著在接下來的7年裡

衛星以及火箭必須做到萬無一失

（衛星與火箭對接後的整流罩，因廣角拍攝，畫面的邊緣有拉伸變形，攝影師@南勇）

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科學家們夜以繼日地

反覆實驗和測試

7年內掌握相關衛星技術

2年內攻克原子鐘的難關

甚至僅用10多天

完成衛星取出、測試、再到裝回等

一系列複雜操作

修復了臨發射前的突發故障

（衛星的發動機出現故障，專家們在仔細檢查設備，其中從右邊起第二個人是北鬥一號和二號系統的總設計師孫家棟院士，攝影師@南勇）

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2007年4月17日晚八點

當人們成功接收到信號時

距離軌道失效的截止時間

僅僅只剩下4個小時

至此

歷盡磨練、突破技術封鎖

一個覆蓋亞太地區的衛星導航系統就此建成

而距離實現全球導航

只差最後一步

04

天羅地網

最後一步

將是一次全方位的升級

北鬥三號衛星

使用壽命從8年增至10年以上

其組成部件

全部實現中國造

其中原子鐘性能持續升級

精度已經達到1000萬年差1秒

此時火箭技術

也已不再成為掣肘

一箭雙星的發射已經「爐火純青」

2017年底

發射1箭2星

2018年

發射9箭17星

2019年

發射6箭8星

2020年

發射3箭3星

不到3年時間

30顆衛星

以前所未有的速率

發射升空，完成組網

（2020年6月23日，北鬥三號最後一顆全球組網衛星發射升空，攝影師@史悅）

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於是

太空之中

3顆地球靜止軌道衛星

分布在赤道正上空

3顆傾斜同步軌道衛星

穩定覆蓋亞太地區

24顆中圓軌道衛星

則晝夜不停地圍繞地球奔跑

它們共同組成

一個龐大的衛星網絡

懸掛於太空

堪稱一張浩大的天網

從此

無論白天還是黑夜

無論身處地球的任何角落

人們抬頭便可以看見5-6顆北鬥衛星

全球覆蓋的目標

終於實現

（北鬥三號系統運行示意，製圖@鄭伯容/星球研究所）

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這樣還不夠

當衛星飛越中國境外時

在缺少地面控制指令的的情況下

衛星無法保證在正常軌道運行

為此

人們在衛星之間搭建起橋梁

彼此間能進行通信和測距

互相監督、自動保持隊形

組成錯綜複雜的

星間鏈路

這大大減少了

系統對地面站的依賴

即使地面站點全部失效

北鬥系統依然可以通過星間鏈路

保持自主運行長達60天之久

（星間鏈路示意，製圖@鄭伯容/星球研究所）

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同時

中國境內的

地面之上

2700多個地面參考站點

和數個數據處理中心

也在中國大地上鋪展開來

組成一張地面數據加工網絡

即便衛星信號受到

各種地形、建築物遮擋和反射

也能提供額外的地面信息補充

人稱地基增強系統

（北鬥地基增強系統包括框架網和區域加強密度網兩部分，其中框架網基準站共155個，區域加強密度網基準站超過2700個，下圖為框架網站點分布示意，製圖@王朝陽&鄭伯容/星球研究所）

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經此修正和處理之後

整個系統的誤差一再減小

精度持續增加

可以是米級、分米級

甚至是釐米級、毫米級

可以精確到

建立電子圍欄

保證共享單車停在指定範圍內

（湖北省襄陽市的一處共享單車臨時存放點，圖片來源@VCG）

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可以精確到

閱兵方陣中

各型裝備方隊等速行進

各個飛行梯隊米秒不差

距離誤差在正負10釐米以內

（2019年9月23日，國慶閱兵預演時的飛行梯隊，攝影師@拾城 田衛濤）

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可以精確到

監測大壩、大橋等

工程的外觀變形

（請橫屏觀看，畫面左下方是中國第二大水電站溪洛渡水電站。目前已經有超過150個監測點安裝於水電站兩側的邊坡，並且不間斷提供毫米級精度的數據，以便及時發現安全隱患，攝影師@柴俊峰）

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此外

北鬥晶片

可以植入手機

截至2019年第三季度

中國市場申請入網的400餘款手機中

支持北鬥導航的便有近300款

（司機正在使用手機導航，攝影師@任炳旭）

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可以裝備運輸工具

截至2019年12月

超過650萬輛營運車輛

4萬輛郵政和快遞車輛

3200多座內河導航設施

2900餘座海上導航設施

均已裝備北鬥系統

成為全球最大的營運車輛動態監管系統

（重慶市牛角沱輕軌站外，一輛公交車行使於高架橋上，攝影師@拾城 崔力）

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至此

天羅加地網組合而成

這便是北鬥系統進化的終極形態

北鬥三號

05

北鬥20年

2000-2020

從北鬥一號的首星發射

到北鬥三號的末星入軌

已是整整20年

20年間

面對重重困難

科學家們不曾退卻

他們步步為營，循序漸進

第一步，為中國

第二步，為亞太

第三步，為世界

今天

中國終於有了

自己的衛星導航系統

未來

它將向全世界開放

也會成為70多億人生活的一部分

（在電力線路中安裝北鬥線路故障指示儀，準確發現事故地點，及時排除故障，減少停電時間。下圖為山谷中此起彼伏的輸電塔，攝影師@邱會寧）

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空氣中

行蹤不定的汙染物

被納入環境監測信息系統

從此將逃不過北鬥的「慧眼」

（利用北鬥系統可以獲取大氣汙染物相關監測點的實時位置，並利用北鬥的通訊功能將信息發送至監控中心。下圖為正在排放的工廠煙囪，作示意，攝影師@邱會寧）

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田地間

通過北鬥系統與農業器械的配合

可實時掌握耕種深度、行距等信息

令作業效率提高50%

產量提高5%-8%

（下圖為安裝有北鬥導航系統的播種機工作的場景，位於吉林省，攝影師@邱會寧）

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還有國境線上

山高、林密、谷深的惡劣環境

導致通訊設施無法全部覆蓋

而邊防官兵們憑藉北鬥系統

依然可以及時、穩定地傳遞信息

（在手機基站等無法覆蓋的地區，北鬥的定位和通信功能變得至關重要，下圖為邊防官兵在邊境巡邏，攝影師@李含軍）

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但是

這些還遠遠不夠

正如中國衛星之父

北鬥一號和二號系統的總設計師

孫家棟所說

▼

我們建設北鬥關鍵還是在用，只有用得更加普及，更加深入，這才是贏家。

是的

科學家們排星布陣20年

終於織就一張「天羅地網」

中國自己的衛星導航系統

也終於從設想變為現實

而這

僅僅只是故事的開端

未來的每一天

才是中國北鬥衛星導航系統

責任和使命的真正所在

創作團隊

撰文：艾藍星

編輯：楨公子

圖片：任炳旭

設計：鄭伯容，陳隨

地圖：王朝陽，陳思琦

審校：黃超，王朝陽

專家審核

中國科學院計算技術研究所 羅海勇 博士

【致謝】本文在創作中得到了清華大學經管學院校友劉運操的大力支持，特此感謝。

【參考文獻】

[1]中國衛星導航系統管理辦公室. 北鬥衛星導航系統發展報告（4.0版）, 2019.

[2]中國衛星導航系統管理辦公室. 北鬥衛星導航系統應用案例, 2018.

[3]謝軍,王海紅等. 衛星導航技術[M]. 北京理工大學出版社, 2018.

[4]田建波,陳剛. 北鬥導航定位技術及其應用[M]. 中國地質大學出版社, 2017.

[5]劉天雄. 衛星導航系統概論[M]. 中國宇航出版社, 2018.

[6]袁樹友. 下安物望-北鬥應用100例[M]. 解放軍出版社, 2017.

[7]王金鋒. 空中指南-中國成功發射系列導航衛星[M]. 吉林出版集團, 2009.

[8]《開講啦：北鬥系統總設計師楊長風》,2017.

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... The End ...

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