出品：科普中國
製作：太空精釀
監製：中國科學院計算機網絡信息中心
2018年11月19日凌晨2點，隨著長征三號乙火箭和遠征一號上面級組合順利從西昌衛星發射中心升空，北斗衛星導航系統第42、43顆衛星進入組網階段。這標誌著今年10次北斗發射任務圓滿結束，其中8次為一箭兩星任務，共計佈置了18顆衛星進入軌道，且所有發射任務均獲成功。
今天的發射標誌著今年的北斗建設大潮告一段落（圖源：中國航天科技集團）
按照北斗35顆衛星的設計佈局，今年無疑是北斗建設史上最核心的一年，也創下了全球衛星導航系統組網最快紀錄。世界四大系統中，美國GPS系統最快紀錄為一年6星，蘇聯/俄羅斯格洛納斯（GLONASS）系統為一年9星，歐洲伽利略（Galileo）系統為一年6星。
毫不誇張地講，北斗今年的建設速度是空前的，隨著2019年繼續佈網剩餘衛星、且前期衛星陸續度過調試期正式服役，北斗將徹底點亮全球。
▲2018年11月16日北斗衛星全球可見情況，目前亞太地區已經逐步點亮，全球建網仍在進展中（圖自：beidou.gov.cn）
1、 為什麼建設北斗系統？
想必會有很多人問起這個問題：成熟的GPS系統已經發展了30多年，商業規模化做得非常廉價、高效，為什麼還要花鉅額資金建設自己的北斗系統？
事實上，GPS本質是一個軍用衛星導航系統，隸屬於美國空軍，常年保持32顆在軌工作。這個系統主要包含軍用碼和民用碼兩種信號，顯而易見，軍碼和民碼的精度級別不在一個量級，前者是毫米級別，後者是分米級別（還是美國取消信號干擾後）。
依賴GPS導航的戰斧式巡航導彈是"外科手術式打擊"的著名武器之一（圖自：Wikipedia）
GPS的出現，為人類戰爭史貢獻了一個新詞"外科手術式打擊"，該詞起源於1990年的海灣戰爭，GPS精密制導武器嶄露頭角。最典型的例子是原本需要數十架轟炸機、投彈數百噸才能完成的水壩轟炸任務，變成僅需2枚導彈在數百公里外突襲發射即可，甚至第二枚可以通過第一枚炸開的大壩缺口鑽進去。後續戰爭中，各種精準打擊的例子比比皆是。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。
它對於民用的意義也極大。我們日常生活中用到的定位服務，包括但不限於地圖導航、共享單車/打車等，都依賴GPS。大型電網、金融交易、電信通訊等都需要星上原子鐘精密授時。科學領域，很多研究地球重力場、磁場、板塊運動、大氣、海洋、冰川、自然災害的衛星，都需要GPS系統幫助衛星精密定軌。大型基建工程，例如高鐵、大橋、機場建設，也需要GPS標定。新興技術中自動駕駛、精準農業亦是如此。
但GPS是不以你的利益為第一位的，它是以美國利益為第一位，無可厚非。早期，GPS系統在所有的民用信號上放了干擾。後來為應對俄羅斯/蘇聯的格洛納斯系統挑戰，取消了這個干擾（2000年5月2日），然後定位精度就得到極大提高。
去除主動干擾後，GPS定位精度大大提高（圖自：schlaggo.de）
作為運營者，停止GPS服務、增加干擾、乃至提供虛假位置服務信息，都具有可執行性，這不僅對於民用，對於軍用更是致命的。1999年印巴Kaigil戰爭期間，美國直接關停了印巴戰區的所有GPS服務，導致雙方依賴GPS的設備無法使用，給雙方造成巨大損失。這件事情之後，印度徹底放棄了原本依賴GPS增強印度地區服務的衛星導航系統建設，決心自己做一套獨立的系統（現在僅有日本的QZSS/準天頂系統是依賴GPS）。
歐盟亦是如此想法，可是中國曾經拋出橄欖枝後並沒有所以然，核心技術對我們依然是封鎖的。那麼問題來了，中國不依賴GPS、改成依賴伽利略系統就是好事情了？印度都在搞自己家的系統，我們要不要自己搞一套？
於是過去20多年內，中國航天人篳路藍縷，以啟山林，從實驗階段開始走，逐漸實現區域有源定位（2004）、區域無源定位（2012）和全球無源定位（2020），這就是北斗一代、二代和三代，逐步掌握獨立自主的核心技術。現在是北斗三代建設的核心期，大概將在2020年完成全部建設。
2、 北斗有哪幾個特點？
在我國長期航天技術積累和導航系統技術發展的後發優勢下，我國採取了一套與其他任一導航系統都截然不同的思路。
1. 三種軌道
目前另外三個全球衛星定位系統都採用距離地面20000千米左右的中圓衛星軌道，而北斗是唯一採用三種軌道搭配的星座：27顆衛星處在距離地面21500千米的中圓軌道，分佈在三個軌道面上，保持55度傾角；5顆衛星採取赤道上空35800千米高的地球靜止軌道；3顆衛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）的對比（左圖來源：Wikipedia）
這樣帶來一定好處：衛星定位需要接收機收到至少4顆衛星信號。27顆中圓軌道衛星為主力，圍繞地球一圈的軌道週期約為12小時，可以保持對全球範圍內任一點的穩定覆蓋，在任意時間、任意地點觀測到6顆星以上，符合常規衛星定位系統需求。55度傾角的設計，也增加了對人口稠密的地球中低緯度區域覆蓋。
北斗的地球靜止軌道和傾斜同步軌道則是為中國乃至亞太地區特殊定製而來。日本擁有四顆傾斜同步軌道的準天頂系統，用以提高GPS在日本的應用精度，我國相當於在設計之初就有亞太專屬服務。兩種高軌衛星的軌道週期與地球自轉24小時週期完全同步，因而相對而言5顆衛星靜止在赤道上空，3顆衛星由於傾角設置相對地面做固定週期的運動，投影軌跡始終留在亞太及沿赤道對稱區域，抗遮擋能力強。因而在亞太地區可以幾乎永久保持至少12顆衛星可見，大幅提高該區域定位精度。在配合地面建設的增強基站情況下，實現分米乃至釐米級定位亦很現實。
▲可以從衛星軌跡在地面投影看出北斗的亞太服務專屬：藍色8字形軌跡為傾斜同步衛星，紅點為地球靜止衛星，綠色為服務全球的中圓軌道衛星（未全部展示）（圖自：參考文獻1）
其中，高軌衛星軌道發射和入軌要求比較高，目前只能執行一箭一星任務。但對於中圓軌道衛星而言，隨著我國遠征系列火箭上面級的逐漸成熟，相當於有了衛星載荷送入太空後的可多次點火啟動"太空擺渡車"，能夠實現一箭雙星，大大提高了效率。因而，今年中8次任務成功部署了16顆中圓軌道衛星，2次任務完成2顆高軌衛星，能夠搭載遠征一號的長三乙火箭也成為了"金牌火箭"。
北斗一箭雙星的功臣：長征三號乙火箭（左）和遠征一號上面級（右）（圖源見水印）
2. 三種工作頻率
電離層會影響電磁波傳播，是衛星導航定位的最大誤差源，必須消除。電離層的干擾與衛星信號頻率相關，因而採用至少雙頻信號可以構建電離層延遲修正模型最大限度去除這部分干擾因素，對定位精度的提升非常顯著，三頻則可以構建更復雜模型消除高階影響。
此外，在三個頻段上發射也增加了不同信號（軍用、民用）的調製選項，抗干擾能力得到提升，也提高定位可靠性，對於釐米級乃至毫米級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，近些年來原本雙頻信號的GPS系統也在擴展成三頻系統。可見，北斗的後發優勢不言而喻。
3. 短報文系統
北斗還有一個獨門絕活：短報文系統，簡而言之是通過衛星實現天地雙向通信。其他三大系統都不存在接收機和衛星之間的雙向通訊，只是單向接收。北斗這功能意味著衛星可以向擁有此項授權服務的接收機發送專屬訊息，例如大洋之上、深山老林等特殊情況並沒有任何手機信號，發生緊急情況時高軌北斗衛星可以及時與地面互動。對於軍事行動的意義更是無法形容。
此外，部分北斗衛星還攜帶了國際Cospas-Sarsat衛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。
4. 星間鏈路通信
導航衛星系統需要長期維持，這意味著需要地面監控站、主控站、注入站等系列部分。對於全球性導航定位系統而言，這些站點位置分佈也有要求，但這會進一步增加系統運營成本。例如GPS就擁有5個監控站，1個主控站和3個注入站，幾乎均勻分佈在全球的美國領土/軍事基地中，每年開銷不菲。
對於北斗而言，不僅有全球建站安全性的問題，還有運營成本的問題，有必要最大限度開發自身優勢：高中軌道搭配的衛星星座，使它們之間可以互相聯絡，彼此不再孤立。這意味著北斗只需實現中國境內主控、監控和注入，而高軌衛星"登高望遠"可以與系統內其他衛星進行星間鏈路鏈接。此外，星間鏈路本身也可以用來測距，對於提高星座軌道精度大有裨益。系統內部的自我通信也可以使得整體抗干擾能力大大增強。
3、 北斗到底能服務多少用戶？
對於需要天地通信的短報文服務而言，數量取決於衛星容量，這個數字目前尚不確定，但肯定會逐漸提升滿足用戶需求。實際上需要此功能的用戶極其有限，對於絕大部分僅需知道自身位置信息的用戶而言，北斗衛星定位的理論使用數量上限就是：沒有數量上限，無數個。
因為北斗三代基本功能是一種無源定位系統，每一顆導航衛星的本質就是告訴你這麼一個事情：現在幾點了（時間t0），我在哪裡（x0，y0，z0）。
用戶只需接收到四顆衛星信號，即可精確確定自身位置和時間（圖自：參考文獻2）
當你（接收機）收到信號時，可以比對得到接收機上時間與接收到的衛星信息顯示時間之間差距，這個差距乘以光速就是你和衛星之間的距離（還有一個方法是數中間隔了多少個信號波長）。衛星由於有專門的科學家維持，它的位置極其精確，在1釐米級別；它的鐘是原子鐘，幾千萬年才可能錯1秒，它的所有信息可以認為無誤差。
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（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未知數解出來）。觀測到四個衛星，就可以構建四個方程，解出四個未知數。北斗建成後在亞太地區則完全可以保證到12顆以上，數量越多，精度越高。
所以，對衛星而言，永遠只做一件事情：往地面發信號，一直在說我在哪兒，幾點了，衛星不需要做任何輔助你的計算。用戶只要能收到信號進行解算即可，與這些衛星沒有任何交流，也不消耗它們任何一絲能量，因而理論上無限用戶量。
4、 什麼時候能建好？
目前，在最早期的4顆實驗性質衛星之外，自2007年起北斗系統已經佈網了43顆衛星，其中有一些已經失效退役，保持運行狀態的有約20顆，同時今年發射的絕大部分衛星依然處在調試狀態，需要到2019年才能投入使用。
經過一年的快速建設，北斗三代的中圓軌道衛星已經佈置大半，今天發射的兩顆是北斗三代中圓軌道第18、19星，地球靜止軌道衛星已經佈置一顆。在2019-2020年，我國還將發射3顆靜止軌道衛星、3顆傾斜同步軌道衛星和6顆中圓軌道衛星，屆時完整的北斗將會建設完畢。對於全球民用定位而言，可以實現不亞於GPS的定位精度，而在亞太地區由於高軌衛星的存在定位精度將會更高。
5、 面對的挑戰是什麼？
實事求是講，北斗雖然具有後發優勢，但並不意味著能夠短期實現後發制人。衛星導航系統一經建成便需要長期維持、持續投資，最有效的方式便是軍民融合、從民用市場盈利。經過幾十年的佈局和規模化應用，GPS在民用市場領先優勢明顯，依然處在絕對領先定位。越大規模服務價格就會越低，總收入卻由於規模效應增加，進一步促進建一個更好的系統，進一步壟斷。這也是原本軍用的GPS系統之所以長盛不衰、甚至依然在快速迭代進步的根本因素。
衛星導航設備和附加設備產值估計（圖自：參考文獻3）
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衛星導航定位設備需求量將超過92億部，而年產值甚至超過2680億歐元，這是個海量的市場，其中亞太市場的增長速度傲視全球，年增速可以達到40%以上，遠超歐美的10-20%左右。
對北斗而言，現在是一個最黃金的發展時期，但它最大的競爭對手依然是GPS系統。與此同時，面對俄羅斯格洛納斯系統的重新復甦和也在快速組網的歐洲伽利略系統，北斗只能做到更快。把今年比做是四大導航系統的決戰之年並不為過，中國和亞太有海量的市場，快速佔據這個民用市場才是導致系統能夠長期健康發展的最核心挑戰。
問題既然已經很明朗，中國航天人應該如何回答？
今年，北斗系統用1年10箭18星100%成功的結果，給出了自己的答案！
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