為什麼北鬥三號衛星採用新一代原子鐘後，定位精度能提升10倍？

原子鐘如同衛星的心臟，離開原子鐘，衛星的定位功能將毫無實義。

為什麼這麼說？

當我們在地面拿著一部手機，之所以可以通過GPS、北鬥等導航系統獲得自己準確的位置，主要就是依賴手機內置的導航模塊。

運行在地球上空軌道的導航衛星，時刻不停地會向地面發送自己的位置坐標。

手機導航模塊接收到衛星的信號後，通過換算，可以獲得手機所在點的準確坐標。

具體是怎麼算出來的？

眾所周知，在立體空間中，已知一顆衛星1的位置，如果測算出手機到衛星1的距離r1，就可以得到一個以衛星1為球心，r1為半徑的球面1。

顯然，在只有一顆衛星的情況下，無法確定手機的坐標。因為手機有可能出現在球面1任何一點上。

如果再增加一顆衛星2，通過衛星2的位置，以及手機到衛星2的距離r2，又可以得到一個球面2。

這時候，兩個球面相交的部分，是手機可能的位置。

實際上，兩球相交會得到一個圓，此時手機的位置可能在圓弧1上的任何一個點上。

兩顆衛星仍然無法確定手機的坐標，但相比一顆衛星，兩顆衛星可以把手機坐標可能的範圍縮小很多了。

再增加一顆衛星3，通過衛星3的位置，以及手機到衛星3的距離r3，又可以得到一個球面3。

此時，手機準確位置就在上面得到的圓弧1與球面3的交點。

一般會有兩個交點，但位於高空與衛星接近的坐標是不合理的，去除不合理數據後，留下的交點坐標就是手機的準確坐標。

所以，要定位手機的坐標至少需要3顆衛星。

從這個計算原理中也可以看到，手機到衛星的距離，是關鍵數據，如果不準確，將大大影響手機定位的準確性。

如何測定手機到衛星的距離？

目前的方法是通過時間差來計算。

即衛星發出信號的時間t1與地面手機接收到衛星信號的時間t2，兩者有個時間差。

然後，因為無線電傳播速度與光速相同，都為C（C約等於30萬公裡/秒）。

手機到衛星的距離就是C*(t2-t1)

在理想情況下，這樣計算就可以了。

不過，因為我們個人使用的手機，時間不太可能很準確。誤差是常有的事，以我們手機端的時間來計算距離，誤差就會千奇百怪。

這就需要再引入一顆衛星，作為時間校正。

計算原理就是假定手機與真實的時間有個時間差t0。

再多引入一顆衛星後，把t0作為未知變量，引出數學方程，就可以計算出t0。

具體計算過程我們就不用管了。

從以上衛星定位的大致描述中，我們可以看到衛星的時間準確性非常關鍵。

任何一顆衛星時鐘沒有與其他衛星同步，偏差哪怕只有1秒，按照光速來計算距離，那也將是非常驚人的誤差，對地面導航系統產生巨大影響。

換句話說，現在的衛星定位是利用信號傳播時間來換算距離，最終得到地面終端的準確坐標。導航定位準不準，很關鍵的一點就是看原子鐘的準確性。

舉個例子：

北鬥二代系統中，我們的原子鐘誤差率，每1萬秒誤差10 -14秒。

電磁波每傳播1萬秒時間，其誤差與30萬公裡/秒的光速相乘後，仍然會有10 -5級別的距離誤差。

當然，這還只是單距離估算，如果是多顆衛星數值綜合運算後，誤差會更大。

經過綜合估算，北鬥二代系統的精度大致是10米級，與原子鐘的精度有很大關係。

而在北鬥三代中，使用了新型原子鐘，每1萬秒誤差降為10 -15秒，差不多是老原子鐘的10倍。

相應的北鬥系統定位精度也從10米級跨向米級，大致原理如上所說。

當然，實際測量中還需要考慮電磁波在空氣中、電離層中的延遲，地面還會增加基準站，可以提高北鬥系統定位的精度。