北斗上天“拯救路癡”，衛星導航遠不止收發信號

中奇 萬鐸 黃陽 發自 凹非寺

鵝板凳 | 公眾號 ebandeng

經歷了一番波折，本周我國北斗衛星導航系統終于成功發射了最后一顆組網衛星，中國終于用上了自己的全球導航系統。

作為中國迄今規模最大、覆蓋最廣、性能最強也是最復雜的巨型航天系統，北斗導航和其他國家的全球衛星導航系統有什么區別？我們又是如何通過衛星實現導航和定位的？

今天大鵝就和大家一起聊聊這些問題。

我們如何在地圖上定位？

衛星定位早就不新鮮了，打開手機地圖查看自己的方位已經是大家每天的日常。極端情況下，甚至不聯網也能勉強定位一下。

但你想過這一切是怎么實現的么？

你肯定會說了：“這還不簡單？我向衛星定位系統發個查詢請求，系統再返回一個坐標，完事兒。”

但要真按這個方法，全世界那么多人挨個找衛星查位置，衛星可不得累死？

所以實際上，衛星是通過向地面發送廣播，然后手機再接收來實現的。

先舉個簡單的例子。

假如你穿越回了第二次工業革命前，也就是沒有電子產品的時代，這時候你身上只有一張紙質地圖，但并不知道自己在哪。

于是你開始詢問身邊的人，第一個人不是本地人、也不知道這是哪里，但他是從七俠鎮溜達著過來的，走了大概有40里地。

那么你的位置，一定在以七俠鎮為圓心，40里地為半徑的圓上對吧？

但這樣的地點太多了，你還是不知道自己在哪，于是你問了第二個人。他也不是本地的、也不知道這是哪，但他是從十八里鋪趕著馬車過來的，走了100里地。

那么現在你的位置肯定也在以十八里鋪為圓心，100里地為半徑的圓上。

根據地圖一合計，這個圓和之前七俠鎮那個圓有兩個交點，所以你肯定是在這兩個點上，范圍雖然縮小了，但你仍然不知道自己在哪，于是你問了第三個人。

第三個人，這不巧了么，也不是本地的，他不知道這是哪，但他是從左家莊坐著驢過來的，走了20里地。

那么現在你就在以左家莊為圓心，20里地為半徑的圓上，跟剛才的信息一綜合，三個圓交叉在一個點上，你就知道了，原來自己來了平谷飛龍影視基地……

衛星定位的原理和這個差不多。

只不過現實生活中我們除了平面位置上的（x，y）信息之外，還能得到高度信息，也就是z軸坐標，衛星定位就是通過這三個球面的交點，來確定你的位置信息的。

搞懂了原理，我們接著往下說。

首先我們需要找到三個球心的位置。

導航系統里的衛星們都是一直在繞著地球轉的，每時每刻都在向地面發送著自己的三維坐標，也就是經度、緯度以及高度三個信息，咱們用（x，y，z）表示。

光確定球心還不夠，要算出來你所在的位置還需要知道半徑。這時候我們就需要另一個參數，也就是時間。

衛星里面還有一個很重要的部件，叫做原子鐘，說白了，它就是一個時間非常精確的……鐘。每次衛星發射自己坐標的時候，其實除了xyz軸的數據，它還會連帶著把時間t也一塊播報出去。

這些信息通過電磁波被手機接收之后，拿手機的時間和衛星上原子鐘中的時間一對比，就知道電磁波飛了多久。

根據小學二年級知識我們知道，電磁波的速度是固定的，時間乘以速度就等于距離，這樣一來半徑就弄清楚了，就可以確定我們在地球上的坐標了。

但實際的衛星定位是通過四顆衛星的信息來確定坐標的，之所以比上面理論上多一個衛星信息，是為了驗證準確性。

比如現在我們已經知道了第一組和第二組的圓心和半徑，那么第三組的圓心恰好在一二兩個交點點連線的中間，那么第三組數據就沒用了，這時候就需要第四組的數據來工作了。

那么也許你會問，如果第四組數據的圓心恰好也在這咋辦？

現實生活中這種現象是不可能出現的。因為這代表著倆衛星已經撞在一起了，這是在衛星發射階段就已經完全杜絕的事情。所以我們說，想確定自己的定位最少需要四顆衛星。

當然上面這些只是理論，實際生活中還會有許多其他因素影響定位的準確性，比如云太厚阻擋信號；比如大廈太多反射信號；又或者你生活在重慶這種導航軟件克星之城……

為了解決這些問題，現實生活中的衛星定位，往往還會通過手機基站、WiFi固定的Mac地址、數據模型預判等一系列操作來幫助進一步定位，這里我們就不展開講了。

北斗和GPS有什么區別？

在開始談差別之前，我們首先需要明白，構建了衛星定位系統的國家不只中國和美國，全球范圍內還有一些友商。這些友商主要包括區域性衛星定位和全球衛星導航兩個大類。

咱們先說個大家最熟悉的，美國的GPS。

這套系統由美國政府于1970年代開始進行研制，并于1994年全面建成，設計衛星數量24顆，實際在軌31顆。

它的強大主要來自于研發早、技術積累多。說人話就是精度高。民用級別定位的的空間誤差從2001年的1.6米一路下降到了2014年的0.7米。

發展早、精度高使得它占據了衛星定位市場很大一部分份額，目前全球范圍內絕大多數民用的衛星定位都是基于GPS來運行的。

第二個咱們要說的就是俄羅斯的衛星定位系統——格洛納斯

這套系統最早是蘇聯在1982年開始研發的，蘇聯解體后一度喪失了大多數衛星與功能。后來俄羅斯接過了衣缽，縫縫補補又接著用了。

格洛納斯系統設計衛星數量24顆，實際在軌衛星有27顆。

這里插一句，衛星定位這件事吧，最開始是給打仗準備的，后來發現日常生活中也存在需求，逐漸開放了民用層面的業務。

而且由于前蘇聯采用了頻分多址體制（FDMA），讓衛星信號抗干擾能力更強了。于是乎這個格洛納斯的精度一度比GPS還高。

除了二戰后美蘇兩大勢力以外，其他國家和地區也不想在這個領域受制于人，歐盟琢磨著自己也該來一套衛星定位系統，于是有了2002年的伽利略計劃。

該系統由歐盟通過歐洲空間局和歐洲導航衛星系統管理局建造，總部設在捷克共和國的布拉格。

整個衛星定位系統有兩個地面操控站，分別位于德國慕尼黑附近的奧伯法芬霍芬和意大利的富齊諾，現有22顆在軌衛星。

中國一開始也有加入這個計劃，尋思著跟歐洲一塊做。錢啊、資源啊都沒少砸。

結果發現歐洲這幫人啥都不帶我們玩，核心技術也不讓我們看，一氣之下咱們就另起爐灶了，那之后才有了北斗二代、三代。

說完全球衛星導航系統，咱們來聊聊區域性的。啥叫區域性？就是沒錢、沒技術，只能覆蓋特定區域的衛星定位。

首先是印度區域導航衛星系統，簡稱IRNSS、NAVIC。它是一個由印度空間研究組織（ISRO）發展的自由區域型衛星導航系統，印度政府對這個系統有完全的掌控權。

它的誕生還有一段故事，說的是1999年，在印度和巴基斯坦戰爭期間，印度這邊優勢本來比較明顯。

然后美國看到了，覺得不能讓印度太得瑟，于是就直接關閉了印巴戰區的所有GPS服務。導致印度的武器和士兵瞬間拉垮，遭受了巨大的損失。

印度人氣不過，覺得還是自己弄的靠譜，于是乎就有了現在的IRNSS，現有在軌工作衛星7顆，計劃在未來將在軌工作衛星提高到11顆。

美國在這方面沒吃過虧的另一個小弟日本，則走向了另一個方向。

日本的許多城市高樓密布，衛星信號很容易在各種光滑垂直的墻面上形成反射，造成“城市峽谷”效應，這就造成了GPS的定位精度在日本大大下降。

日本人一琢磨，那咱們就做個GPS補完計劃吧，于是有了準天頂衛星系統。基本上就是往天上多發射幾個衛星，彌補GPS在日本使用上的不足。

準天頂衛星發送的GPS可用性增強信號和現代化的GPS信號兼容，因此確保了兩系統的互通性，通過這種方法提高GPS在亞太地區定位能力的穩定性和準確性。

日本這個準天頂衛星系統最初是計劃發四顆衛星就完事兒，實際上也在18年全部發射完畢了。

但是后來想想感覺光靠美國還是不太靠譜，于是17年時宣布打算再發射三顆衛星，以保證哪天GPS信號用不了了，自己手頭還能有個備份。

印度人默默點了個贊。

說了這么多，終于到了我們自己的北斗衛星導航系統。

從2000年發射的第一顆北斗衛星開始到現在，北斗衛星導航系統一共走過三代，今年最后一顆組網衛星發射完成，北斗全球星座的布局就算是完成了。

剛說到我們的北斗二號和三號是因為發現歐洲人不靠譜所以我們回來自己弄出來的，這里還有個小插曲，就是能夠給衛星定位系統使用的頻段是有限的，好的頻段之前都被美國蘇聯占得差不多了，所以之前和伽利略合作的時候，和歐盟一起申請的是同一信號頻段。

但后來不是鬧掰了么，就這個信號頻段的問題跟歐盟也鬧了8年。

鬧歸鬧，集中力量干大事的咱們可是沒閑著，截止到2012年底我們的北斗二代已經發射了16顆衛星，并正式提供了亞太區的定位服務。相比之下歐盟的伽利略才發射了6顆衛星。

歐洲人不得不服，也只好按照規矩跟咱們協商著來，最后中歐在2015年達成了頻率共用共識。

到了現在的北斗三代，無論是衛星本身的硬件水平，還是定軌、運控等方面都有了大幅提高，衛星的服務范圍也從原來的區域性定位提高到了現在的全球服務水平。

總結

北斗是不是很強？

是，我們花了二十多年的時間就走完了其他國家四十多年的路。

從剛開始步履蹣跚，三年才發射了四顆衛星，到后來技術大爆發，單單2018年就進行了十次火箭發射任務，將總計十八顆衛星放到了預定軌道，這也創下了全球衛星導航系統組網最快紀錄。

光是定位精度，北斗已經和GPS不相上下了。

北斗三號系統中的導航衛星單機和關鍵元器件，國產化率也已經達到100%。

這一系列成功使得我們在國家安全層面不再受制于人，這也是為什么GPS已經很好用了，我們還要自己下大功夫研究一套衛星定位系統的原因。

當然我們也要看到不足，在穩定性、衛星質量和使用壽命上，我們和最新的GPS仍有差距。

特別是在GPS已經有了非常成熟的、龐大的商用規模情況下，北斗較高的芯片成本讓我們短時間內不容易打開市場局面。

當然啦，我們既然能只花一半的時間就完成了別人寫了四十年的作業，大鵝相信這些困難的解決也只是時間的問題。

 

-完-