四顧回望，不知故土他鄉；星輝萬丈，無懼山海蒼茫。6月23日上午，我國全球衛星導航系統北鬥三號最後一顆衛星成功發射，標誌北鬥星座正式以「完全體」形態登上世界舞臺。國家信息安全從此不再受制於人。
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作者 | 祁敏 北京航空航天大學
編輯 | 張昊 責編 | 高佩雯
置身於燈影繁華的都市，當你感到迷茫，找不到前進的方向，是否也曾經……打開了你的定位導航？
……別笑，「迷失」是我們生活的常態。隨著各類地圖軟體發展完善，導航已經作為必不可少的部分融入了我們的生活。
十多年前，人們印象中的導航系統只有美國的GPS。一部當時最新潮的手機，包裝盒上標註的「GPS」三個字母足以讓人感到顏面有光。如今，GPS一枝獨秀的時代早已過去，四大導航系統的其他三個——格洛納斯（GLONASS，俄羅斯）、伽利略（GALILEO，歐空局）和北鬥（BeiDou，中國）相繼部署。中國北鬥更是成了國人之光。
6月23日上午9時43分，北鬥三號收官之星成功發射，正式完成對全球的覆蓋，為世界用戶提供實時的定位、導航、授時服務。這比原計劃提前了半年。
一路走來，北鬥系統在十餘年間完成高效組網，並增加諸多讓「前輩」們側目的絕技，未來，北鬥系統也將以開放的姿態，與其他導航系統展開協作與競爭。
十餘年發展，成就國人之光
古時候人們為了辨別方向，仰望北鬥七星。如今，城市燈火掩蓋了星光，但我們卻將前方的路看得更清楚了。這一切都是全球衛星導航系統的功勞。
全球衛星導航系統（Global Navigation Satellite System）簡稱GNSS，是利用衛星進行自主地理定位的系統。它允許人們通過終端（手機、汽車等）接收高精度定位信號，並實時提供導航、測量和跟蹤定位等服務，能告訴你自己在哪兒，旁邊都有什麼。
中國北鬥系統自1994年開始部署，先後完成三代建設，包括為中國境內提供服務的北鬥一號，為亞太地區提供服務的北鬥二號，以及為全球提供服務的北鬥三號。
北鬥系統三代衛星對比，可以看到「從無到有」的過程 |作者自製
目前，北鬥一號已經退役，北鬥二號和三號仍在服役中，後續還會再發射幾顆衛星作為補充。北鬥二號和三號分屬不同的系統，其中，北鬥三號包括5顆靜止軌道衛星和30顆非靜止軌道衛星，是真正意義上的全球衛星導航系統。除了自己特有的頻段外，它還兼容北鬥二號的信號，進而實現在區域導航定位方面的相互協同。
不依賴於其他國家的導航系統，意味著在衛星導航系統領域，我國信息安全得到了實質性保障。並且，衛星導航涉及眾多工業門類，一個獨立自主的導航系統平臺，也為商業開發提供了更廣闊的空間。
身懷絕技的後起之秀
作為導航系統中的後起之秀，與前輩相比，北鬥系統實現了諸多新功能、新突破，這些先進、便利的服務，受到用戶廣泛好評。
● 短報文功能：知道我在哪，也能讓你知道我在哪
北鬥導航最具特色的服務，首推短報文（通信）功能。該功能可以讓用戶通過（手機等）終端，一次傳送幾十個漢字的短報文信，同時還能向周邊千公裡範圍內播報自己的位置，極大減少信息傳送所消耗的時間。
短報文是其他導航系統無法做到的絕活。其受益者之一就是漁民，通過短報，出海漁民可以在海上及時向家中報平安，也可以在上岸前就告知買家自己的收穫，提前談好價格，避免臨時尋找買家而導致漁獲變質。
有了短報文（通信）功能，海上作業諸事不愁 | pixabay
● 「兩客一危」與地基增強：以極高的精度管控車輛
「兩客一危」是指這類需要嚴格管控的車輛：道路班線客運車、旅行包車、危險貨物運輸車。國家規定此類車輛必須安裝電子定位裝置，並將運行信息及時接入到全國聯網聯控系統中。
因為通用GPS系統的定位精度偏低，這類車輛以前還有逃脫監管的可能，但北鬥系統的「地基增強」技術，將讓「兩客一危」在違反交規時有所忌憚。
「地基增強」是指將北鬥的天基系統（空中設施）和地基系統（地面配套設施，如電線桿、固定建築等）相結合，從而極大提高定位精度的技術。當前，北鬥系統能夠在定位對象的時速高達80公裡時，將定位誤差控制在2釐米，精度遠高於GPS系統。
這意味著大貨車再也不敢長期佔用超車道了，因為車道寬度比2釐米大多了，違章行為將被非常清晰地界定出來。而GPS民用領域（開放服務）的定位精度在10米，根本無法區分車道。
2釐米定位精度，車道安排得明明白白 | imgur
使用該功能還可以進行駕照考試的檢測，無需工作人員參與，即可知道考生的操作，車輛任何細微的位置變化都不會逃脫它的法眼。
而且，給孩子戴的定位手錶也會更加精準，顯示信息將不再是「在某地附近」,而是能精確到孩子站在哪塊地板磚上。
其他諸如野生動物遷徙跟蹤、精準農業、搶險救災、工程輔助（橋梁、公路、隧道施工等），種種場景當然也不在話下。
● 形變監測：通過累積測量，檢測毫釐變化
北鬥還可以進行微小形變的監測，精度可達到動態檢測釐米級，即檢測一個動的物體，得到的尺寸和真實的尺寸偏差只有幾釐米；靜態檢測達到毫米級，即檢測一個靜止的物體，得到的尺寸和真實的尺寸偏差僅幾毫米，遠高於GPS的測量精度。
這在一些和形變有關的場景，例如水利工程監測（如大橋變形、高樓歪斜）、災害預警（如山體變形、大壩移位）中，都有重要作用。
而這樣的高精準定位，都要歸功於北鬥採用的差分算法技術。這種算法通過將多次測量後的結果取平均，可有效減少誤差。在北鬥衛星定位中，假設一次定位的精度是10米,通過將成千上萬次的定位數據進行合併處理，即可將結果精確到毫米以下。
中國三峽工程，毫釐形變，都逃不過衛星法眼 | pickyview
● 衛星的「微信群」：星間鏈路，擺脫地面站限制
「星間鏈路」是北鬥三號全球組網衛星最突出的亮點之一，它的存在極大地提高了衛星獨立運轉的能力。通俗點說，星間鏈路就像是一個衛星的「微信群」，衛星們可以通過星載設備相互通訊，彼此實時共享位置，大家「口耳相傳」，很快就能知道所有衛星與自己的相對位置。
該技術最大的優勢是，不再依靠衛星地面站，就可以實現全天候全天時通訊。如果沒有這個「群」，地面站就要像「領導」一樣，一個一個地對單顆衛星發布指令。但有了「群」，大家就可以在群裡相互討論、彼此定位，不僅擴大了覆蓋範圍，還極大提高了效率，甚至可以脫離「領導」（不需要在全球遍布地面站），獨自組網，成為地面網的備份。
目前，除北鬥三號之外，美國的GPS和俄羅斯GLONASS都有星間鏈路系統，但歐洲的GALILEO則沒有，這也使得其頹勢盡顯。
性能位列世界第二，北鬥前景可期
眼下，全世界的衛星定位導航系統一共有四個，分別是美國的GPS、歐洲的GALILEO、俄羅斯的GLONASS和中國的北鬥。
四大導航系統中，GPS發展最早，成熟度最高。它在上世紀五六十年代即開始研製（那時還不叫GPS），原本是為軍事服務，之後逐漸演變、完善，在1991年的海灣戰爭中直接影響了戰局，當時美軍在戰場上表現出的精確打擊能力，令世界矚目，這也成為我國發展北鬥系統的契機。目前，GPS在軌衛星24顆，可為全球用戶提供低成本、高質量的定位導航服務，商業應用開發最深入。
GLONASS在發展時間線上緊隨GPS之後，並在上世紀90年代就實現了全球組網。但由於受到蘇聯解體及俄羅斯經濟衰退等因素影響，一度沒有足夠資金進行衛星補網，最少時在軌衛星僅有六、七顆。所幸2010年前後，GLONASS逐漸恢復全球服務能力，由於具備一定先發優勢，它的商用開發程度目前仍優於北鬥。此外，由於採用了獨特的編碼體制，理論上來說，GLONASS系統的整體抗幹擾性更強，發生緊急事態時有潛在的安全性優勢。
GALILEO導航系統目前仍然在建設過程中，性能方面雖然民用精度表現良好，但系統穩定性和可靠性表現不佳。2017年，該系統18顆衛星72臺原子鐘中，高達9臺出現故障，2019年更是出現長達117小時的服務中斷，加劇了用戶使用其服務的疑慮。
就目前而言，我國北鬥系統的整體性能已經非常優秀，定位精度、可靠性和特色功能等方面都有不錯的表現。其綜合性能位列世界第二，僅次於GPS。
從維護國家地理情報安全的角度來說，與GPS不同，北鬥不追求對全球進行高精度監測，我們的思路是確保自身安全，而非充當世界警察的角色。就亞太地區尤其是中國及周邊地區而言，北鬥的定位精度將超過GPS。
很多在亞太地區發布的手機，已經採用了北鬥和GPS雙系統定位。但對全球範圍而言，北鬥的性能還有很大的推廣和成長空間。未來，北鬥將秉持開放的理念，與其他導航系統展開競爭與協作。
穿山越水，天涯可期！
即便深處戈壁沙漠，北鬥一樣帶你回家
註：手機導航系統不會標示現在使用的具體定位星座。蘋果手機暫不支持北鬥，安卓手機可下載北鬥伴APP，查詢自己手機使用的導航衛星。
小劇場
自力更生，搶佔先機
——北鬥系統與 GPS 和 GALILEO 的歷史情仇
北鬥全球衛星導航系統的建成，是一部「正宗風味」的揚眉吐氣史。
我國發展北鬥系統的契機，與1991年的海灣戰爭中GPS系統對戰局的巨大影響密不可分。當時美軍在戰場上表現出的精確打擊能力，讓世人看到了衛星導航系統的重要性，自那時起，北鬥一號的研製就被提上了日程。
而北鬥與GALILEO的淵源就更深了。可以說，沒有歐洲的處處針對和排擠，我國就不會建成現在的北鬥。
北鬥一號建成後，由於定位精度差而飽受詬病，於是我國生出與歐洲合作共建導航系統的意向。為此中國甘願提供巨額資金，只為在系統建成時能有自己的一席之地。然而歐洲不但處處限制技術出口，甚至還拉上了日本、印度等國家，他們出錢少，待遇卻一樣不少，同時這兩個國家還不時將中國作為自己的假想敵。
中國對此非常失望，毅然決定「單幹」，推出了北鬥二號衛星導航系統。之後又一路發展，推出了更先進北鬥三號系統。
不僅如此，憑藉強大的動員力和執行力，中國還提前發射衛星，於2018年4月17號，在資源頻率失效前的24小時，讓衛星向下發出信號，直接佔用了GALILEO的軌道頻率，讓已經入軌的GALILEO第一顆衛星成為廢鐵。
現在，歐洲GALILEO計劃問題頻出，在定位精度和服務範圍等方面，均被北鬥無情地遠拋身後。
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本文經授權轉自「科學闢謠平臺」（ID：Science_Facts）公眾號
原標題：北鬥三號今日收官，國家信息安全保障再升級
編輯：Dannis