图片来源：央视新闻、我们的太空
北斗卫星导航系统（以下用北斗指代），将中国人千百年来“寻路靠北斗七星”的履历变成现实，也在方方面面彻底改变了中国人的生活办法。本文将环绕关于北斗的十个经典问题，详细解读这个伟大工程的意义。
一、为什么有GPS还要做北斗？
美国的GPS起步于70年代，经由多年景长、尤其商业运作往后，已经走入人们日常生活中。但是，它的实质是军用卫星导航系统，从属于美国空军，毫无疑问会时候以本国利益为第一位。在实践中，卫星工程师不仅能在旗子暗记方面增加滋扰、欺骗手段等，还能停掉某一地区的做事，芯片定价权和利用权限等也在他们手中。
例如，GPS开放民用做事后，普通用户只能利用定位精度更差且增加了选择可用性（滋扰）的民用码定位做事。2000年5月2日，为打压俄罗斯GLONASS（格洛纳斯，俄罗斯军民两用卫星导航系统）的商业化空间，GPS系统选择主动去掉滋扰参与竞争，定位精度瞬间提高10倍以上。但这也意味着，它可以随意规复任何干扰、乃至彻底停滞区域做事。这类事情在近些年印巴冲突、中东地区冲突中习认为常。
当天06:00时GPS系统去除滋扰后，定位精度大大提高（图源：http://schlaggo.de）
GPS目前险些用在了美军任何一种须要定位的武器中，民用方面也霸占着全天下千亿美元计的巨大市场。因而，无论是事关国家国防安全，还是导航运用市场的巨大商业利益，中首都必须拥有自己的卫星导航系统，这个领域不会存在真正意义的国际互助。
目前，只有美国、俄罗斯、中国、欧盟先后建立了环球卫星导航系统，日本、印度建有区域卫星导航系统，这几个国家/地区都把相应系统作为发展中的重中之重，意义可见一斑。
二、为什么北斗有三种轨道？
美国、俄罗斯和欧洲的星座只支配在间隔地球约20000千米的中远地球轨道（MEO），以实现轨道周期（约12小时）与旗子暗记覆盖范围的最佳平衡。为达到环球任一点都能收到4颗卫星旗子暗记以实现定位授时的目标，至少须要24颗卫星担保做事质量。
日本和印度星座仅做事本国，选择了轨道周期与地球自转同步的轨道，间隔地面35786千米，从地面不雅观测相对稳定。个中，日本QZSS高度依赖美国GPS系统，利用至少3颗卫星运行在倾斜地球同步轨道（IGSO），保障日本高纬度地区和城市高楼林立环境下的利用。印度由于更加靠近赤道，在IGSO之外还利用了定位于赤道上空的静止/同步地球轨道（GEO）。
北斗卫星轨迹在地面投影：蓝色8字形轨迹为IGSO卫星，赤色定点为GEO卫星，绿色为MEO卫星（未全部展示所有卫星，图源：http://doi.org/10.1038/srep04692）
而对付北斗而言，“小孩子才做选择，我全都要”！
北斗兼具了MEO、GEO和IGSO三种轨道。MEO(倾角55度、高21500千米)，担保环球高精度定位。紧张运行在亚太地区的GEO（倾角0度，高35786千米）和IGSO（倾角55度，高35786千米）则担保亚太和“一带一起”地区更高精度定位。
三、为什么北斗有一号、二号、三号？
卫星导航系统是一个弘大的工程，它是大型航天载荷发射技能、大型星座运营掩护技能、高水平通用导航卫星平台研发技能、无线电远间隔通讯技能、高精度星载原子钟技能等诸多高精尖技能的集大成者，门槛极高，个中任何一项都面临严苛的技能封锁。但困难从来都不是“造不如买”的借口，从1994年开始，中国航天人一步一个脚印，筚路蓝缕，攻坚克难啃硬骨头，把全体北斗培植过程分成了三步走策略，也就对应北斗一号、二号和三号。
北斗一号紧张是试验系统。在2000-2007年间发射了4颗试验性子卫星，全在地球静止轨道，它以区域测试做事为紧张目标，目前已全部退役，不算入正式星座。
北斗二号紧张是区域导航系统。在2007-2019年间共计发射了20颗（包含备份星），8颗为GEO卫星、7颗为IGSO卫星，紧张做事亚太。5颗为MEO卫星，仅能供应有限的环球覆盖。系统总体上做事于亚太地区。
北斗星座示意图（图源：北斗办）
北斗三号是环球卫星导航系统。从2015年至今共计发射了35颗，个中5颗为测试性子，不供应做事。正式星座中，3颗为GEO卫星，3颗为IGSO卫星，24颗为MEO卫星，向环球供应高精度、全天候、全天时的导航定位授时做事。
于此同时，卫星平台也在不断大幅改进，不同北斗卫星（包含试验星）在东方红3号等卫星平台根本上反复改进，蜕变出了10余个版本，难度可想而知。目前北斗二号大部分卫星依然在正常事情中，因而实际处在运行状态的北斗星座超过40颗，大幅超过了GPS的32颗，未来随着北斗二号部分卫星逐渐退役，总数会降落，但会坚持在30颗以上。
四、为什么北斗都用长征三号甲系列火箭发射？
长征三号系列火箭是我国的王牌火箭，最大特点是第三级采取了比冲（衡量发动机事情效率的指标，越大越好）更高的液氧液氢发动机，因而它也是长征火箭家族用于发射更高更远任务的专属火箭，例如嫦娥、风云（二/四）、各种通讯卫星等，北斗家族同样如此。
从左至右：长征三号基本型、甲型、乙型和丙型火箭比拟（图改自：GW_Simulations）
经由多年景熟发展，长征三号火箭形成了四种紧张构型，基本型已于2000年退役。目前现有长征三号甲、乙和丙三种紧张型号服役，以及近10种改进版本。比较较长三甲，长三乙/丙增加了助推器，且做了大幅升级，能力更强。个中长三乙不仅携带了4个助推器（长三丙2个）、还可携带远征上面级，能够实行北斗一箭两星任务，能力最强。北斗所有发射任务中，长三乙实现了15次一箭两星任务，运送了30颗卫星入轨，可以说是王牌中的王牌！
五、为什么北斗能做事无限个用户？
北斗三号是一种无源定位系统，每一颗导航卫星的实质便是见告你这么一个事情：现在几点了（韶光ts），我在哪里（xs，ys，zs）。当你（吸收机）收到旗子暗记时，可以通过比对，得到吸收机上韶光与吸收到的卫星信息显示韶光之间的差值，这个差值乘以光速便是你和卫星之间的间隔。还有一个方法是数中间隔了多少个旗子暗记波长。卫星由于有专门的科学家坚持，它的位置极其精确，偏差在1厘米级别；卫星上搭载的钟是原子钟，几百万年才可能错1秒，因此，它的所有信息险些可以被认为无偏差。
那么你只须要解出四个参数：在地球上的三维坐标x，y，z和钟差t（毕竟用户的石英钟不可能和原子钟精度比较，须要把它的偏差做一个未知数解出来）。不雅观测到四个卫星，就可以构建四个方程，解出四个未知数。
用户只需吸收到四颗卫星旗子暗记，即可精确确定自身位置和韶光（图源：http://doi.org/10.9790/0661-17333441）
以是，对卫星而言，永久只做一件事情：往地面发旗子暗记，一贯在说我在哪儿，几点了，卫星不须要做任何赞助你的打算。用户只要能收到旗子暗记进行解算即可，与这些卫星没有任何互换，也不消耗它们任何一丝能量，这也就意味着，理论上用户量是无限的。而且，每一位用户都可以享受米级定位精度和纳秒级授时精度。
2020年6月14日环球可以瞥见的北斗卫星数量分布图，可以看出能实现环球定位（>3），且亚太地区数量更大、定位精度更高（图源：北斗办）
六、北斗有哪些特色绝活？
北斗有一系列特色技能，举三个小例子。
星间链路技能，各个卫星之间可以彼此通信联结。这样仅需在中国境内对卫星进行主控、监控和信息注入，既办理了环球建站安全性的问题，也可以降落运营本钱，卫星之间可以互为校正，也有助于提高做事质量，增强抗滋扰能力。
2008年汶川地震灾害时，15勇士在通信完备中断的情形下完成了“惊天一跳”，他们就带有北斗系统吸收机（图源：央视网）
短报体裁系，通过卫星实现天地双向通信，而其他几个别系仅能单向吸收卫星旗子暗记。这意味着卫星可以向拥有此项授权做事的吸收机发送专属讯息，分外环境（大洋，荒原，深山、极地）、灾害接济和军用环境下代价意义巨大。
部分北斗卫星还携带了国际Cospas-Sarsat卫星赞助搜索和应急接济操持的有效载荷，在发生紧急情形时，可以参与国际互助的应急救灾事情中。
七、北斗能若何做事于国防安全？
GPS系统的涌现，为人类战役史贡献了几个新词“外科手术式精准打击”、“定点打消”、“斩首行动”。在1990年的海湾战役中，GPS精密制导武器崭露锋芒，后来又在科索沃战役、阿富汗战役、伊拉克战役和利比亚战役中反复涌现，不断震荡众人。最范例的例子是原来须要数十架轰炸机、投弹数百吨、极度危险逼近才能完成的轰炸任务，现在采取数百公里外导弹突袭和高精度打击即可。目前，美军除了子弹以外，险些所有会动的武器、装备、士兵都携带了GPS定位模块。
依赖GPS的联合直接攻击弹药（JDAM）是“外科手术式打击”著名武器（开放版权）
而GPS系统又是极其随意马虎制造滋扰和欺骗的，乃至能整体关闭区域做事。GPS新一代的Block-IIIA卫星就大大增强了抗滋扰能力，也提升了掌握旗子暗记发送能力。一旦进入战时，只要完备割断对手长期依赖的GPS做事，战役自然进入信息不对称阶段。
因而，北斗的建成，意味着我们不仅能做所有GPS能做的事情，还能完备不受制于人，对国防安全的意义主要到无法形容。
八、北斗能若何做事于科学研究？
北斗最大的特点是高精度授时和定位，对付科学运用而言，高精度吸收机可以利用载波相位旗子暗记和差分技能等轻松实现厘米级定位精度和毫米级基线精度。笔者从事低轨卫星精密定轨技能研究，实质便是用星载的吸收机给卫星确定位置，也可以实现1厘米级定轨精度。在高精度卫星轨道的赞助下，卫星上的精密仪器也可以大展技艺。因此，卫星导航系统的涌现，使得人类对地球重力场、地球磁场、大陆板块运动、地球自转、海洋潮汐、冰川极地、自然磨难等地球科学的研究达到了前所未有的高度。
利用卫星导航系统对低轨卫星精密定轨已成为科学卫星运用的常态（图源：ESA）
除了助力地球科学的研究，在其他领域，北斗也有极大的促进浸染。例如，卫星旗子暗记须要穿过繁芜的电离层和对流程等抵达地面，北斗更是有三个紧张频率，每种旗子暗记受到的影响不同。当它们凑集在一起，就供应了能帮助大气研究的海量信息。再例如，北斗的高精度原子时，可以用来同步大型科学试验，精准授时。除此之外，北斗还会带动一系列通讯、电子、芯片等家当的大发展，促进多个行业的科学研究。
九、北斗能若何做事于普通大众？
普通人的生活已经离不开导航卫星了，北斗也在迅速融入，为大家供应更好的做事。最范例的莫过于定位做事，例如舆图导航、共享单车/打车、快递查询等，彻底改变了当代人类的生活。
依赖卫星导航的无人机和农用机器已经在逐步颠覆传统农业形式（图源：Pixabay）
交通系统高精度时候表、国家大型电网输电、金融系统超高频交易、通讯终端永久准确的韶光，都有北斗原子钟的身影。大型基建工程，高铁、大桥、机场培植，都须要北斗定位。农林牧渔，交通运输、水文监测、气候预报、地理测绘、森林防火、电力调度、救灾减灾、应急搜救，面积测算等，都须要高精度卫星定位做事。而目前很多新技能，例如自动驾驶、无人码头，自动化农业，无人机植保等，也离不开北斗的强大支撑。
十、北斗的未来是什么？
北斗在完备建成之后，将会连续保持一定频率的卫星发射活动，以更换逐渐退役的老卫星，常态坚持至少30颗的环球做事星座。北斗卫星也将不断升级，供应更好的定位做事。与此同时，在低轨（数百千米高轨道）可以培植导航增强星座，在地面、尤其是城市高楼林立环境中，可以培植赞助站点，终极实现实时动态厘米级定位精度，大大提高北斗的定位精度，实现空天地信息一体化。
在备受关注的商业方面，随着人类社会对物流和定位的需求越来越高，北斗的商业运用代价也会被极大开拓。按照欧洲环球定位研究中央的估计，2025年旁边天下范围内的卫星导航定位设备需求量将超过92亿部，年产值将超过2680亿欧元，这是个海量的市场，个中亚太市场的增长速率更将傲视环球，年增速可以达到40%以上。在这片红海中，北斗无疑是最有潜力偷袭GPS系统的一个。规模化的运用会大幅降落硬件收费水平，进一步确定商业市场领先上风，从而形成正循环，终极达到一个空想的状态——实现系统长盛不衰的同时依然能快速迭代。
人类已经进入卫星导航的时期，且永久无法离开导航卫星了。
出品：科普中国
制作：太空精酿
监制：中国科学院打算机网络信息中央
