[科普中國(guó)]-1年10箭18星，北斗建設(shè)中國(guó)速度

2018年11月19日凌晨2點(diǎn)，隨著長(zhǎng)征三號(hào)乙火箭和遠(yuǎn)征一號(hào)上面級(jí)組合順利從西昌衛(wèi)星發(fā)射中心升空，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)第42、43顆衛(wèi)星進(jìn)入組網(wǎng)階段。這標(biāo)志著今年10次北斗發(fā)射任務(wù)圓滿結(jié)束，其中8次為一箭兩星任務(wù)，共計(jì)布置了18顆衛(wèi)星進(jìn)入軌道，且所有發(fā)射任務(wù)均獲成功。

今天的發(fā)射標(biāo)志著今年的北斗建設(shè)大潮告一段落（圖源：中國(guó)航天科技集團(tuán)）

**按照北斗35顆衛(wèi)星的設(shè)計(jì)布局，今年無(wú)疑是北斗建設(shè)史上最核心的一年，也創(chuàng)下了全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)組網(wǎng)最快紀(jì)錄。**世界四大系統(tǒng)中，美國(guó)GPS系統(tǒng)最快紀(jì)錄為一年6星，蘇聯(lián)/俄羅斯格洛納斯（GLONASS）系統(tǒng)為一年9星，歐洲伽利略（Galileo）系統(tǒng)為一年6星。

毫不夸張地講，北斗今年的建設(shè)速度是空前的，隨著2019年繼續(xù)布網(wǎng)剩余衛(wèi)星、且前期衛(wèi)星陸續(xù)度過(guò)調(diào)試期正式服役，北斗將徹底點(diǎn)亮全球。

2018年11月16日北斗衛(wèi)星全球可見(jiàn)情況，目前亞太地區(qū)已經(jīng)逐步點(diǎn)亮，全球建網(wǎng)仍在進(jìn)展中（圖自：beidou.gov.cn）

一、 為什么建設(shè)北斗系統(tǒng)？

想必會(huì)有很多人問(wèn)起這個(gè)問(wèn)題：成熟的GPS系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展了30多年，商業(yè)規(guī)?；龅梅浅Ａ畠r(jià)、高效，為什么還要花巨額資金建設(shè)自己的北斗系統(tǒng)？

事實(shí)上，GPS本質(zhì)是一個(gè)軍用衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，隸屬于美國(guó)空軍，常年保持32顆在軌工作。這個(gè)系統(tǒng)主要包含軍用碼和民用碼兩種信號(hào)，顯而易見(jiàn)，軍碼和民碼的精度級(jí)別不在一個(gè)量級(jí)，前者是毫米級(jí)別，后者是分米級(jí)別（還是美國(guó)取消信號(hào)干擾后）。

依賴GPS導(dǎo)航的戰(zhàn)斧式巡航導(dǎo)彈是“外科手術(shù)式打擊”的著名武器之一（圖自：Wikipedia）

GPS的出現(xiàn)，為人類戰(zhàn)爭(zhēng)史貢獻(xiàn)了一個(gè)新詞“外科手術(shù)式打擊”，該詞起源于1990年的海灣戰(zhàn)爭(zhēng)，GPS精密制導(dǎo)武器嶄露頭角。最典型的例子是原本需要數(shù)十架轟炸機(jī)、投彈數(shù)百噸才能完成的水壩轟炸任務(wù)，變成僅需2枚導(dǎo)彈在數(shù)百公里外突襲發(fā)射即可，甚至第二枚可以通過(guò)第一枚炸開(kāi)的大壩缺口鉆進(jìn)去。后續(xù)戰(zhàn)爭(zhēng)中，各種精準(zhǔn)打擊的例子比比皆是。目前，美軍除了子彈以外幾乎所有會(huì)動(dòng)的武器、裝備、士兵都攜帶了GPS定位模塊。

它對(duì)于民用的意義也極大。我們?nèi)粘Ｉ钪杏玫降亩ㄎ环?wù)，包括但不限于地圖導(dǎo)航、共享單車/打車等，都依賴GPS。大型電網(wǎng)、金融交易、電信通訊等都需要星上原子鐘精密授時(shí)?？茖W(xué)領(lǐng)域，很多研究地球重力場(chǎng)、磁場(chǎng)、板塊運(yùn)動(dòng)、大氣、海洋、冰川、自然災(zāi)害的衛(wèi)星，都需要GPS系統(tǒng)幫助衛(wèi)星精密定軌。大型基建工程，例如高鐵、大橋、機(jī)場(chǎng)建設(shè)，也需要GPS標(biāo)定。新興技術(shù)中自動(dòng)駕駛、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)亦是如此。

但GPS是不以你的利益為第一位的，它是以美國(guó)利益為第一位，無(wú)可厚非。早期，GPS系統(tǒng)在所有的民用信號(hào)上放了干擾。后來(lái)為應(yīng)對(duì)俄羅斯/蘇聯(lián)的格洛納斯系統(tǒng)挑戰(zhàn)，取消了這個(gè)干擾（2000年5月2日），然后定位精度就得到極大提高。

去除主動(dòng)干擾后，GPS定位精度大大提高（圖自：schlaggo.de）

作為運(yùn)營(yíng)者，停止GPS服務(wù)、增加干擾、乃至提供虛假位置服務(wù)信息，都具有可執(zhí)行性，這不僅對(duì)于民用，對(duì)于軍用更是致命的。1999年印巴Kaigil戰(zhàn)爭(zhēng)期間，美國(guó)直接關(guān)停了印巴戰(zhàn)區(qū)的所有GPS服務(wù)，導(dǎo)致雙方依賴GPS的設(shè)備無(wú)法使用，給雙方造成巨大損失。這件事情之后，印度徹底放棄了原本依賴GPS增強(qiáng)印度地區(qū)服務(wù)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)，決心自己做一套獨(dú)立的系統(tǒng)（現(xiàn)在僅有日本的QZSS/準(zhǔn)天頂系統(tǒng)是依賴GPS）。

歐盟亦是如此想法，可是中國(guó)曾經(jīng)拋出橄欖枝后并沒(méi)有所以然，核心技術(shù)對(duì)我們依然是封鎖的。**那么問(wèn)題來(lái)了，中國(guó)不依賴GPS、改成依賴伽利略系統(tǒng)就是好事情了？**印度都在搞自己家的系統(tǒng)，我們要不要自己搞一套？

于是過(guò)去20多年內(nèi)，中國(guó)航天人篳路藍(lán)縷，以啟山林，從實(shí)驗(yàn)階段開(kāi)始走，逐漸實(shí)現(xiàn)區(qū)域有源定位（2004）、區(qū)域無(wú)源定位（2012）和全球無(wú)源定位（2020），這就是北斗一代、二代和三代，逐步掌握獨(dú)立自主的核心技術(shù)?，F(xiàn)在是北斗三代建設(shè)的核心期，大概將在2020年完成全部建設(shè)。

二、 北斗有哪幾個(gè)特點(diǎn)？

在我國(guó)長(zhǎng)期航天技術(shù)積累和導(dǎo)航系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的后發(fā)優(yōu)勢(shì)下，我國(guó)采取了一套與其他任一導(dǎo)航系統(tǒng)都截然不同的思路。

1. 三種軌道

目前另外三個(gè)全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)都采用距離地面20000千米左右的中圓衛(wèi)星軌道，而北斗是唯一采用三種軌道搭配的星座：27顆衛(wèi)星處在距離地面21500千米的中圓軌道，分布在三個(gè)軌道面上，保持55度傾角；5顆衛(wèi)星采取赤道上空35800千米高的地球靜止軌道；3顆衛(wèi)星處在地球同步軌道（也接近35800千米高）、保持約55度傾角。

GPS星座（左）和北斗星座（右）的對(duì)比（左圖來(lái)源：Wikipedia）

這樣帶來(lái)一定好處：衛(wèi)星定位需要接收機(jī)收到至少4顆衛(wèi)星信號(hào)。27顆中圓軌道衛(wèi)星為主力，圍繞地球一圈的軌道周期約為12小時(shí)，可以保持對(duì)全球范圍內(nèi)任一點(diǎn)的穩(wěn)定覆蓋，在任意時(shí)間、任意地點(diǎn)觀測(cè)到6顆星以上，符合常規(guī)衛(wèi)星定位系統(tǒng)需求。55度傾角的設(shè)計(jì)，也增加了對(duì)人口稠密的地球中低緯度區(qū)域覆蓋。

北斗的地球靜止軌道和傾斜同步軌道則是為中國(guó)乃至亞太地區(qū)特殊定制而來(lái)。日本擁有四顆傾斜同步軌道的準(zhǔn)天頂系統(tǒng)，用以提高GPS在日本的應(yīng)用精度，我國(guó)相當(dāng)于在設(shè)計(jì)之初就有亞太專屬服務(wù)。兩種高軌衛(wèi)星的軌道周期與地球自轉(zhuǎn)24小時(shí)周期完全同步，因而相對(duì)而言5顆衛(wèi)星靜止在赤道上空，3顆衛(wèi)星由于傾角設(shè)置相對(duì)地面做固定周期的運(yùn)動(dòng)，投影軌跡始終留在亞太及沿赤道對(duì)稱區(qū)域，抗遮擋能力強(qiáng)。因而在亞太地區(qū)可以幾乎永久保持至少12顆衛(wèi)星可見(jiàn)，大幅提高該區(qū)域定位精度。在配合地面建設(shè)的增強(qiáng)基站情況下，實(shí)現(xiàn)分米乃至厘米級(jí)定位亦很現(xiàn)實(shí)。

可以從衛(wèi)星軌跡在地面投影看出北斗的亞太服務(wù)專屬：藍(lán)色8字形軌跡為傾斜同步衛(wèi)星，紅點(diǎn)為地球靜止衛(wèi)星，綠色為服務(wù)全球的中圓軌道衛(wèi)星（未全部展示）（圖自：參考文獻(xiàn)1）

其中，高軌衛(wèi)星軌道發(fā)射和入軌要求比較高，目前只能執(zhí)行一箭一星任務(wù)。但對(duì)于中圓軌道衛(wèi)星而言，隨著我國(guó)遠(yuǎn)征系列火箭上面級(jí)的逐漸成熟，相當(dāng)于有了衛(wèi)星載荷送入太空后的可多次點(diǎn)火啟動(dòng)“太空擺渡車”，能夠?qū)崿F(xiàn)一箭雙星，大大提高了效率。因而，今年中8次任務(wù)成功部署了16顆中圓軌道衛(wèi)星，2次任務(wù)完成2顆高軌衛(wèi)星，能夠搭載遠(yuǎn)征一號(hào)的長(zhǎng)三乙火箭也成為了“金牌火箭”。

北斗一箭雙星的功臣：長(zhǎng)征三號(hào)乙火箭（左）和遠(yuǎn)征一號(hào)上面級(jí)（右）（圖源見(jiàn)水?。?/p>

2. 三種工作頻率

電離層會(huì)影響電磁波傳播，是衛(wèi)星導(dǎo)航定位的最大誤差源，必須消除。電離層的干擾與衛(wèi)星信號(hào)頻率相關(guān)，因而采用至少雙頻信號(hào)可以構(gòu)建電離層延遲修正模型最大限度去除這部分干擾因素，對(duì)定位精度的提升非常顯著，三頻則可以構(gòu)建更復(fù)雜模型消除高階影響。

此外，在三個(gè)頻段上發(fā)射也增加了不同信號(hào)（軍用、民用）的調(diào)制選項(xiàng)，抗干擾能力得到提升，也提高定位可靠性，對(duì)于厘米級(jí)乃至毫米級(jí)定位中最核心的載波相位模糊度解算也大有益處。正因如此，近些年來(lái)原本雙頻信號(hào)的GPS系統(tǒng)也在擴(kuò)展成三頻系統(tǒng)?？梢?jiàn)，北斗的后發(fā)優(yōu)勢(shì)不言而喻。

3. 短報(bào)文系統(tǒng)

北斗還有一個(gè)獨(dú)門(mén)絕活：短報(bào)文系統(tǒng)，簡(jiǎn)而言之是通過(guò)衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)天地雙向通信。其他三大系統(tǒng)都不存在接收機(jī)和衛(wèi)星之間的雙向通訊，只是單向接收。北斗這功能意味著衛(wèi)星可以向擁有此項(xiàng)授權(quán)服務(wù)的接收機(jī)發(fā)送專屬訊息，例如大洋之上、深山老林等特殊情況并沒(méi)有任何手機(jī)信號(hào)，發(fā)生緊急情況時(shí)高軌北斗衛(wèi)星可以及時(shí)與地面互動(dòng)。對(duì)于軍事行動(dòng)的意義更是無(wú)法形容。

此外，部分北斗衛(wèi)星還攜帶了國(guó)際Cospas-Sarsat衛(wèi)星輔助搜索和應(yīng)急救援計(jì)劃的有效載荷，在發(fā)生緊急情況時(shí)可以參與國(guó)際合作的應(yīng)急救災(zāi)工作中。

4. 星間鏈路通信

導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)需要長(zhǎng)期維持，這意味著需要地面監(jiān)控站、主控站、注入站等系列部分。對(duì)于全球性導(dǎo)航定位系統(tǒng)而言，這些站點(diǎn)位置分布也有要求，但這會(huì)進(jìn)一步增加系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)成本。例如GPS就擁有5個(gè)監(jiān)控站，1個(gè)主控站和3個(gè)注入站，幾乎均勻分布在全球的美國(guó)領(lǐng)土/軍事基地中，每年開(kāi)銷不菲。

對(duì)于北斗而言，不僅有全球建站安全性的問(wèn)題，還有運(yùn)營(yíng)成本的問(wèn)題，有必要最大限度開(kāi)發(fā)自身優(yōu)勢(shì)：高中軌道搭配的衛(wèi)星星座，使它們之間可以互相聯(lián)絡(luò)，彼此不再孤立。這意味著北斗只需實(shí)現(xiàn)中國(guó)境內(nèi)主控、監(jiān)控和注入，而高軌衛(wèi)星“登高望遠(yuǎn)”可以與系統(tǒng)內(nèi)其他衛(wèi)星進(jìn)行星間鏈路鏈接。此外，星間鏈路本身也可以用來(lái)測(cè)距，對(duì)于提高星座軌道精度大有裨益。系統(tǒng)內(nèi)部的自我通信也可以使得整體抗干擾能力大大增強(qiáng)。

三、 北斗到底能服務(wù)多少用戶？

對(duì)于需要天地通信的短報(bào)文服務(wù)而言，數(shù)量取決于衛(wèi)星容量，這個(gè)數(shù)字目前尚不確定，但肯定會(huì)逐漸提升滿足用戶需求。實(shí)際上需要此功能的用戶極其有限，對(duì)于絕大部分僅需知道自身位置信息的用戶而言，北斗衛(wèi)星定位的理論使用數(shù)量上限就是：沒(méi)有數(shù)量上限，無(wú)數(shù)個(gè)。

因?yàn)楸倍啡竟δ苁且环N無(wú)源定位系統(tǒng)，每一顆導(dǎo)航衛(wèi)星的本質(zhì)就是告訴你這么一個(gè)事情：現(xiàn)在幾點(diǎn)了（時(shí)間t0），我在哪里（x0，y0，z0）。

用戶只需接收到四顆衛(wèi)星信號(hào)，即可精確確定自身位置和時(shí)間（圖自：參考文獻(xiàn)2）

當(dāng)你（接收機(jī)）收到信號(hào)時(shí)，可以比對(duì)得到接收機(jī)上時(shí)間與接收到的衛(wèi)星信息顯示時(shí)間之間差距，這個(gè)差距乘以光速就是你和衛(wèi)星之間的距離（還有一個(gè)方法是數(shù)中間隔了多少個(gè)信號(hào)波長(zhǎng)）。衛(wèi)星由于有專門(mén)的科學(xué)家維持，它的位置極其精確，在1厘米級(jí)別；它的鐘是原子鐘，幾千萬(wàn)年才可能錯(cuò)1秒，它的所有信息可以認(rèn)為無(wú)誤差。

那么你只需要解出四個(gè)參數(shù)：在地球上的三維坐標(biāo)x，y，z和鐘差（畢竟用戶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(gè)未知數(shù)解出來(lái)）。觀測(cè)到四個(gè)衛(wèi)星，就可以構(gòu)建四個(gè)方程，解出四個(gè)未知數(shù)。北斗建成后在亞太地區(qū)則完全可以保證到12顆以上，數(shù)量越多，精度越高。

所以，對(duì)衛(wèi)星而言，永遠(yuǎn)只做一件事情：往地面發(fā)信號(hào)，一直在說(shuō)我在哪兒，幾點(diǎn)了，衛(wèi)星不需要做任何輔助你的計(jì)算。用戶只要能收到信號(hào)進(jìn)行解算即可，與這些衛(wèi)星沒(méi)有任何交流，也不消耗它們?nèi)魏我唤z能量，因而理論上無(wú)限用戶量。

四、 什么時(shí)候能建好？

目前，在最早期的4顆實(shí)驗(yàn)性質(zhì)衛(wèi)星之外，自2007年起北斗系統(tǒng)已經(jīng)布網(wǎng)了43顆衛(wèi)星，其中有一些已經(jīng)失效退役，保持運(yùn)行狀態(tài)的有約20顆，同時(shí)今年發(fā)射的絕大部分衛(wèi)星依然處在調(diào)試狀態(tài)，需要到2019年才能投入使用。

經(jīng)過(guò)一年的快速建設(shè)，北斗三代的中圓軌道衛(wèi)星已經(jīng)布置大半，今天發(fā)射的兩顆是北斗三代中圓軌道第18、19星，地球靜止軌道衛(wèi)星已經(jīng)布置一顆。在2019-2020年，我國(guó)還將發(fā)射3顆靜止軌道衛(wèi)星、3顆傾斜同步軌道衛(wèi)星和6顆中圓軌道衛(wèi)星，屆時(shí)完整的北斗將會(huì)建設(shè)完畢。對(duì)于全球民用定位而言，可以實(shí)現(xiàn)不亞于GPS的定位精度，而在亞太地區(qū)由于高軌衛(wèi)星的存在定位精度將會(huì)更高。

五、 面對(duì)的挑戰(zhàn)是什么？

實(shí)事求是講，北斗雖然具有后發(fā)優(yōu)勢(shì)，但并不意味著能夠短期實(shí)現(xiàn)后發(fā)制人。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)一經(jīng)建成便需要長(zhǎng)期維持、持續(xù)投資，**最有效的方式便是軍民融合、從民用市場(chǎng)盈利。**經(jīng)過(guò)幾十年的布局和規(guī)?；瘧?yīng)用，GPS在民用市場(chǎng)領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)明顯，依然處在絕對(duì)領(lǐng)先定位。越大規(guī)模服務(wù)價(jià)格就會(huì)越低，總收入?yún)s由于規(guī)模效應(yīng)增加，進(jìn)一步促進(jìn)建一個(gè)更好的系統(tǒng)，進(jìn)一步壟斷。這也是原本軍用的GPS系統(tǒng)之所以長(zhǎng)盛不衰、甚至依然在快速迭代進(jìn)步的根本因素。

衛(wèi)星導(dǎo)航設(shè)備和附加設(shè)備產(chǎn)值估計(jì)（圖自：參考文獻(xiàn)3）

按照歐洲全球定位研究中心的估計(jì)，2025年左右世界范圍內(nèi)的衛(wèi)星導(dǎo)航定位設(shè)備需求量將超過(guò)92億部，而年產(chǎn)值甚至超過(guò)2680億歐元，這是個(gè)海量的市場(chǎng)，其中亞太市場(chǎng)的增長(zhǎng)速度傲視全球，年增速可以達(dá)到40%以上，遠(yuǎn)超歐美的10-20%左右。

對(duì)北斗而言，現(xiàn)在是一個(gè)最黃金的發(fā)展時(shí)期，但它最大的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手依然是GPS系統(tǒng)。與此同時(shí)，面對(duì)俄羅斯格洛納斯系統(tǒng)的重新復(fù)蘇和也在快速組網(wǎng)的歐洲伽利略系統(tǒng)，北斗只能做到更快。把今年比做是四大導(dǎo)航系統(tǒng)的決戰(zhàn)之年并不為過(guò)，中國(guó)和亞太有海量的市場(chǎng)，快速占據(jù)這個(gè)民用市場(chǎng)才是導(dǎo)致系統(tǒng)能夠長(zhǎng)期健康發(fā)展的最核心挑戰(zhàn)。

問(wèn)題既然已經(jīng)很明朗，中國(guó)航天人應(yīng)該如何回答？

今年，北斗系統(tǒng)用1年10箭18星100%成功的結(jié)果，給出了自己的答案！

參考文獻(xiàn)：

1. Lou, Yidong & Liu, Yang & Shi, Chuang & Yao, Xiuguang & Zheng, Fu. (2014). Precise orbit determination of BeiDou constellation based on BETS and MGEX network. Scientific reports. 4. 4692. 10.1038/srep04692.

2. Adeyemi, Sijuade & Omidiora, Elijah & Olabiyisi, Stephen & Okediran, Oladotun & Olufikayo, Adedapo. (2015). Development of a Global Positioning System-Enabled Electronic Voting System. 17. 2278-661. 10.9790/0661-17333441.

3. GNSS Market Report, Issue 5, copyright ? European GNSS Agency, 2017.

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