二十六載終組網，十問北斗你真行！
2020年6月23日9時43分，北斗衞星導航系統第55顆衞星搭乘長征三號乙運載火箭從西昌衞星發射中心成功升空。自1994年開始預研的北斗衞星導航系統終於完成全部組網星座發射任務，正式建成！
圖片來源：央視新聞、我們的太空
北斗衞星導航系統（以下用北斗指代），將中國人千百年來“尋路靠北斗七星”的經驗變成現實，也在方方面面徹底改變了中國人的生活方式。本文將圍繞關於北斗的十個經典問題，詳細解讀這個宏大工程的意義。
一、為什麼有GPS還要做北斗？
美國的GPS起步於70年代，經過多年發展、尤其商業運作以後，已經走入人們日常生活中。但是，它的本質是軍用衞星導航系統，隸屬於美國空軍，毫無疑問會時刻以本國利益為第一位。在實踐中，衞星工程師不僅能在信號方面增加干擾、欺騙手段等，還能停掉某一地區的服務，芯片定價權和使用權限等也在他們手中。
例如，GPS開放民用服務後，普通用户只能使用定位精度更差且增加了選擇可用性（干擾）的民用碼定位服務。2000年5月2日，為打壓俄羅斯GLONASS（格洛納斯，俄羅斯軍民兩用衞星導航系統）的商業化空間，GPS系統選擇主動去掉干擾參與競爭，定位精度瞬間提高10倍以上。但這也意味着，它可以隨意恢復任何干擾、甚至徹底停止區域服務。這類事情在近些年印巴衝突、中東地區衝突中屢見不鮮。
當天06:00時GPS系統去除干擾後，定位精度大大提高（圖源：schlaggo.de）
GPS目前幾乎用在了美軍任何一種需要定位的武器中，民用方面也佔據着全世界千億美元計的巨大市場。因而，無論是事關國家國防安全，還是導航應用市場的巨大商業利益，中國都必須擁有自己的衞星導航系統，這個領域不會存在真正意義的國際合作。
目前，只有美國、俄羅斯、中國、歐盟先後建立了全球衞星導航系統，日本、印度建有區域衞星導航系統，這幾個國家/地區都把相應系統作為發展中的重中之重，意義可見一斑。
二、為什麼北斗有三種軌道？
美國、俄羅斯和歐洲的星座只部署在距離地球約20000千米的中遠地球軌道（MEO），以實現軌道週期（約12小時）與信號覆蓋範圍的最佳平衡。為達到全球任一點都能收到4顆衞星信號以實現定位授時的目標，至少需要24顆衞星保證服務質量。
日本和印度星座僅服務本國，選擇了軌道週期與地球自轉同步的軌道，距離地面35786千米，從地面觀測相對穩定。其中，日本QZSS高度依賴美國GPS系統，使用至少3顆衞星運行在傾斜地球同步軌道（IGSO），保障日本高緯度地區和城市高樓林立環境下的使用。印度由於更加靠近赤道，在IGSO之外還使用了定位於赤道上空的靜止/同步地球軌道（GEO）。
北斗衞星軌跡在地面投影：藍色8字形軌跡為IGSO衞星，紅色定點為GEO衞星，綠色為MEO衞星（未全部展示所有衞星，圖源：doi.org/10.1038/srep04692）
而對於北斗而言，“小孩子才做選擇，我全都要”！北斗兼具了MEO、GEO和IGSO三種軌道。MEO(傾角55度、高21500千米)，保證全球高精度定位。主要運行在亞太地區的GEO（傾角0度，高35786千米）和IGSO（傾角55度，高35786千米）則保證亞太和“一帶一路”地區更高精度定位。
三、為什麼北斗有一號、二號、三號？
衞星導航系統是一個龐大的工程，它是大型航天載荷發射技術、大型星座運營維護技術、高水平通用導航衞星平台研發技術、無線電遠距離通訊技術、高精度星載原子鐘技術等諸多高精尖技術的集大成者，門檻極高，其中任何一項都面臨嚴苛的技術封鎖。但困難從來都不是“造不如買”的藉口，從1994年開始，中國航天人一步一個腳印，篳路藍縷……攻堅克難啃硬骨頭，把整個北斗建設過程分成了三步走策略，也就對應北斗一號、二號和三號。
北斗一號主要是試驗系統。在2000-2007年間發射了4顆試驗性質衞星，全在地球靜止軌道，它以區域測試服務為主要目標，目前已全部退役，不算入正式星座。
北斗二號主要是區域導航系統。在2007-2019年間共計發射了20顆（包含備份星），8顆為GEO衞星、7顆為IGSO衞星，主要服務亞太。5顆為MEO衞星，僅能提供有限的全球覆蓋。系統總體上服務於亞太地區。
北斗星座示意圖（圖源：北斗辦）
北斗三號是全球衞星導航系統。從2015年至今共計發射了35顆，其中5顆為測試性質，不提供服務。正式星座中，3顆為GEO衞星，3顆為IGSO衞星，24顆為MEO衞星，向全球提供高精度、全天候、全天時的導航定位授時服務。
於此同時，衞星平台也在不斷大幅改進，不同北斗衞星（包含試驗星）在東方紅3號等衞星平台基礎上反覆改進，演化出了10餘個版本，難度可想而知。目前北斗二號大部分衞星依然在正常工作中，因而實際處在運行狀態的北斗星座超過40顆，大幅超過了GPS的32顆，未來隨着北斗二號部分衞星逐漸退役，總數會降低，但會維持在30顆以上。
四、為什麼北斗都用長征三號系列火箭發射？
長征三號系列火箭是我國的王牌火箭，最大特點是第三級採用了比衝（衡量發動機的指標，越大越好）更高的液氧液氫發動機，因而它也是長征火箭家族用於發射更高更遠任務的專屬火箭，例如嫦娥、風雲（二/四）、各種通訊衞星等，北斗家族同樣如此。
從左至右：長征三號基本型、甲型、乙型和丙型火箭對比（圖改自：GW_Simulations）
經過多年成熟發展，長征三號火箭形成了四種主要構型，基本型已於2000年退役。目前現有長征三號甲、乙和丙三種主要型號服役，以及近10種改進版本。相比較長三甲，長三乙/丙增加了助推器，且做了大幅升級，能力更強。其中長三乙不僅攜帶了4個助推器（長三丙2個）、還可攜帶遠征上面級，能夠執行北斗一箭兩星任務，能力最強。北斗所有發射任務中，長三乙實現了15次一箭兩星任務，運送了30顆衞星入軌，可以説是王牌中的王牌！
五、為什麼北斗能服務無限個用户？
北斗三號是一種無源定位系統，每一顆導航衞星的本質就是告訴你這麼一個事情：現在幾點了（時間ts），我在哪裏（xs，ys，zs）。當你（接收機）收到信號時，可以通過比對，得到接收機上時間與接收到的衞星信息顯示時間之間的差值，這個差值乘以光速就是你和衞星之間的距離。還有一個方法是數中間隔了多少個信號波長。衞星由於有專門的科學家維持，它的位置極其精確，誤差在1釐米級別；衞星上搭載的鐘是原子鐘，幾百萬年才可能錯1秒，因此，它的所有信息幾乎可以被認為無誤差。
那麼你只需要解出四個參數：在地球上的三維座標x，y，z和鐘差t（畢竟用户的石英鐘不可能和原子鐘精度相比，需要把它的誤差做一個未知數解出來）。觀測到四個衞星，就可以構建四個方程，解出四個未知數。
用户只需接收到四顆衞星信號，即可精確確定自身位置和時間（圖源：doi.org/10.9790/0661-17333441）
所以，對衞星而言，永遠只做一件事情：往地面發信號，一直在説我在哪兒，幾點了，衞星不需要做任何輔助你的計算。用户只要能收到信號進行解算即可，與這些衞星沒有任何交流，也不消耗它們任何一絲能量，這也就意味着，理論上用户量是無限的。而且，每一位用户都可以享受米級定位精度和納秒級授時精度。
2020年6月14日全球可以看見的北斗衞星數量分佈圖，可以看出能實現全球定位（>3），且亞太地區數量更大、定位精度更高（圖源：北斗辦）
六、北斗有哪些特色絕活？
北斗有一系列特色技術，舉三個小例子。
星間鏈路技術，各個衞星之間可以彼此通信聯絡。這樣僅需在中國境內對衞星進行主控、監控和信息注入，既解決了全球建站安全性的問題，也可以降低運營成本，衞星之間可以互為校正，也有助於提高服務質量，增強抗干擾能力。
2008年汶川地震災難時，15勇士在通信完全中斷的情況下完成了“驚天一跳”，他們就帶有北斗系統接收機（圖源：央視網）
短報文系統，通過衞星實現天地雙向通信，而其他幾個系統僅能單向接收衞星信號。這意味着衞星可以向擁有此項授權服務的接收機發送專屬訊息，特殊環境（大洋，荒漠，深山、極地）、災難救援和軍用環境下價值意義巨大。
部分北斗衞星還攜帶了國際Cospas-Sarsat衞星輔助搜索和應急救援計劃的有效載荷，在發生緊急情況時，可以參與國際合作的應急救災工作中。
七、北斗能怎樣服務於國防安全？
GPS系統的出現，為人類戰爭史貢獻了幾個新詞“外科手術式精準打擊”、“定點清除”、“斬首行動”。在1990年的海灣戰爭中，GPS精密制導武器嶄露頭角，後來又在科索沃戰爭、阿富汗戰爭、伊拉克戰爭和利比亞戰爭中反覆出現，不斷震驚世人。最典型的例子是原本需要數十架轟炸機、投彈數百噸、極度危險逼近才能完成的轟炸任務，現在採用數百公里外導彈突襲和高精度打擊即可。目前，美軍除了子彈以外，幾乎所有會動的武器、裝備、士兵都攜帶了GPS定位模塊。
依賴GPS的聯合直接攻擊彈藥（JDAM）是“外科手術式打擊”著名武器（開放版權）
而GPS系統又是極其容易製造干擾和欺騙的，甚至能整體關閉區域服務。GPS新一代的Block-IIIA衞星就大大增強了抗干擾能力，也提升了控制信號發送能力。一旦進入戰時，只要完全切斷對手長期依賴的GPS服務，戰爭自然進入信息不對稱階段。
因而，北斗的建成，意味着我們不僅能做所有GPS能做的事情，還能完全不受制於人，對國防安全的意義重要到無法形容。
八、北斗能怎樣服務於科學研究？
北斗最大的特點是高精度授時和定位，對於科學應用而言，高精度接收機可以利用載波相位信號和差分技術等輕鬆實現釐米級定位精度和毫米級基線精度。筆者從事低軌衞星精密定軌技術研究，本質就是用星載的接收機給衞星確定位置，也可以實現1釐米級定軌精度。在高精度衞星軌道的輔助下，衞星上的精密儀器也可以大展身手。因此，衞星導航系統的出現，使得人類對地球重力場、地球磁場、大陸板塊運動、地球自轉、海洋潮汐、冰川極地、自然災害等地球科學的研究達到了前所未有的高度。
利用衞星導航系統對低軌衞星精密定軌已成為科學衞星應用的常態（圖源：ESA）
除了助力地球科學的研究，在其他領域，北斗也有極大的促進作用。例如，衞星信號需要穿過複雜的電離層和對流程等抵達地面，北斗更是有三個主要頻率，每種信號受到的影響不同。當它們集合在一起，就提供了能幫助大氣研究的海量信息。再例如，北斗的高精度原子時，可以用來同步大型科學試驗，精準授時。除此之外，北斗還會帶動一系列通訊、電子、芯片等產業的大發展，促進多個行業的科學研究。
九、北斗能怎樣服務於普通大眾？
普通人的生活已經離不開導航衞星了，北斗也在迅速融入，為大家提供更好的服務。最典型的莫過於定位服務，例如地圖導航、共享單車/打車、快遞查詢等，徹底改變了現代人類的生活。
依賴衞星導航的無人機和農用機械已經在逐步顛覆傳統農業形式（圖源：Pixabay）
交通系統高精度時刻表、國家大型電網輸電、金融系統超高頻交易、通訊終端永遠準確的時間，都有北斗原子鐘的身影。大型基建工程，高鐵、大橋、機場建設，都需要北斗定位。農林牧漁，交通運輸、水文監測、氣象預報、地理測繪、森林防火、電力調度、救災減災、應急搜救，面積測算等，都需要高精度衞星定位服務。而目前很多新技術，例如自動駕駛、無人碼頭，自動化農業，無人機植保等，也離不開北斗的強大支撐。
十、北斗的未來是什麼？
北斗在完全建成之後，將會繼續保持一定頻率的衞星發射活動，以替換逐漸退役的老衞星，常態維持至少30顆的全球服務星座。北斗衞星也將不斷升級，提供更好的定位服務。與此同時，在低軌（數百千米高軌道）可以建設導航增強星座，在地面、尤其是城市高樓林立環境中，可以建設輔助站點，最終實現實時動態釐米級定位精度，大大提高北斗的定位精度，實現空天地信息一體化。
在備受關注的商業方面，隨着人類社會對物流和定位的需求越來越高，北斗的商業應用價值也會被極大開發。按照歐洲全球定位研究中心的估計，2025年左右世界範圍內的衞星導航定位設備需求量將超過92億部，年產值將超過2680億歐元，這是個海量的市場，其中亞太市場的增長速度更將傲視全球，年增速可以達到40%以上。在這片紅海中，北斗無疑是最有潛力狙擊GPS系統的一個。規模化的應用會大幅降低硬件收費水平，進一步確定商業市場領先優勢，從而形成正循環，最終達到一個理想的狀態——實現系統長盛不衰的同時依然能快速迭代。
人類已經進入衞星導航的時代，且永遠無法離開導航衞星了。
*作者：太空精釀
*本文由科普中國融合創作出品，太空精釀製作，中國科學院計算機網絡信息中心監製，“科普中國”是中國科協攜同社會各方利用信息化手段開展科學傳播的科學權威品牌。