北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，是華夏自行研制得全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，也是繼GPS、GLONASS之后，第三個(gè)成熟得衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。
北斗可以為全球用戶提供全天候、全天時(shí)、高精度得定位、導(dǎo)航和授時(shí)服務(wù)，是China實(shí)施“一帶一路”建設(shè)得重要支撐。然而，從無到有，北斗得研發(fā)過程卻并不是一帆風(fēng)順得。
北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)
圖源：光明
01
促使北斗一號(hào)誕生得兩大事件
北斗一號(hào)得誕生源于上世紀(jì)九十年代得兩個(gè)偶然事件。
第壹個(gè)事件是大家熟知得海灣戰(zhàn)爭(zhēng)。彼時(shí)，美國GPS系統(tǒng)剛剛完成8顆衛(wèi)星組網(wǎng)，并彰顯了在戰(zhàn)爭(zhēng)中得巨大潛力。它極大地提高了飛行員與地面部隊(duì)得戰(zhàn)斗能力，幫助聯(lián)軍在沙漠戰(zhàn)場(chǎng)上取得了不俗得戰(zhàn)果。這場(chǎng)戰(zhàn)爭(zhēng)改變了傳統(tǒng)得作戰(zhàn)方式，讓華夏看到了衛(wèi)星導(dǎo)航得重要作用。
海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中美軍得戰(zhàn)機(jī)編隊(duì)
圖源：公眾號(hào)《流浪得橡樹》
第二個(gè)事件是震驚中外得“銀河”號(hào)事件。1993年，華夏貨輪銀河號(hào)，遭美方質(zhì)疑運(yùn)有化學(xué)武器。為了攔截船只并登船進(jìn)行搜查，美方關(guān)閉了所在地區(qū)得GPS信號(hào)。蕞終，貨輪無奈在印度洋上漂流了33天，直至美方完成調(diào)查。
這一荒誕得事件給華夏敲響了警鐘，為了保障China安全和華夏人民得海外利益，就必須發(fā)展國產(chǎn)導(dǎo)航系統(tǒng)，擺脫GPS得壟斷。
圖源：動(dòng)漫《那年那兔那些事》
第二年，華夏就啟動(dòng)了北斗一號(hào)系統(tǒng)建設(shè)計(jì)劃，正式開啟了國產(chǎn)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)得建設(shè)之路。
2000年，北斗一號(hào)系統(tǒng)首星發(fā)射；2007年，北斗二號(hào)啟動(dòng)，在汶川抗震救災(zāi)中發(fā)揮了重要作用；上年年，北斗三號(hào)建成，至此華夏國產(chǎn)化衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正式上線，為全球用戶提供服務(wù)
北斗發(fā)展歷程
圖源：科普華夏、星球研究所、裝備科技
02
解方程獲得位置信息
聽到這里，大家可能會(huì)提出疑問，北斗究竟是如何實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航定位功能得呢?其實(shí)，導(dǎo)航定位系統(tǒng)得本質(zhì)就是利用距離求解位置，系統(tǒng)首先計(jì)算用戶接收機(jī)到每顆衛(wèi)星之間得距離，然后綜合多顆衛(wèi)星得數(shù)據(jù)計(jì)算出接收機(jī)得具體位置。這個(gè)過程說起來簡(jiǎn)單，實(shí)際操作卻較為復(fù)雜。
在導(dǎo)航定位中，地面用戶持有得定位終端作為接收端，導(dǎo)航衛(wèi)星作為發(fā)射端。衛(wèi)星需要按照一定周期發(fā)射包含衛(wèi)星星歷、工作狀況、電離層延時(shí)修正等信息得導(dǎo)航電文。當(dāng)用戶接收到導(dǎo)航電文時(shí)，提取出衛(wèi)星時(shí)間信息，將衛(wèi)星時(shí)間與接收端時(shí)鐘作對(duì)比后，系統(tǒng)就可以知道衛(wèi)星與用戶得距離，再利用導(dǎo)航電文得星歷，推算出衛(wèi)星發(fā)射電文時(shí)所處得位置與速度。
由于接收使用得時(shí)鐘與衛(wèi)星星載時(shí)鐘不可能總是同步，由此產(chǎn)生得誤差會(huì)導(dǎo)致蕞終測(cè)量得出得距離（偽距）不那么精確，也就不是真實(shí)距離。為了消除這個(gè)誤差，除了使用用戶得三維坐標(biāo)x、y、z之外，還要將鐘差也作為未知量來進(jìn)行求解。根據(jù)解方程原則，有四個(gè)未知數(shù)得情況下需要四個(gè)已知方程式求解。因此，為了計(jì)算出準(zhǔn)確位置信息，用戶至少要能同時(shí)收到四顆北斗衛(wèi)星得導(dǎo)航電文。
終端接受到四顆衛(wèi)星信號(hào)就可實(shí)現(xiàn)定位
圖源：傳感器可能網(wǎng)
03
導(dǎo)航系統(tǒng)得技術(shù)難點(diǎn)
要想導(dǎo)航系統(tǒng)很好地工作，有幾個(gè)技術(shù)難點(diǎn)必須要解決，而這些技術(shù)也是北斗實(shí)現(xiàn)全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位能力得關(guān)鍵。
首先是時(shí)間得精準(zhǔn)度問題。眾所周知，重要行動(dòng)前要對(duì)表，這樣才能確保大家時(shí)間一致。同樣，導(dǎo)航定位中，時(shí)間得精準(zhǔn)度也至關(guān)重要。那么，北斗是如何保證時(shí)間得精準(zhǔn)呢？
為了提供高穩(wěn)定得時(shí)間頻率基準(zhǔn)信號(hào)，每一顆導(dǎo)航衛(wèi)星都要搭載精度非常高得原子鐘。由于技術(shù)要求高、指標(biāo)嚴(yán)苛，華夏原子鐘產(chǎn)品曾經(jīng)完全依賴進(jìn)口，是困擾無數(shù)航天人得關(guān)鍵問題之一。后來，華夏科研工經(jīng)過不斷努力，終于研制出了精度達(dá)到國際先進(jìn)水平得銣(rú)原子鐘。據(jù)說，該原子鐘運(yùn)行三百萬年，誤差都不超過一秒。
北斗銣原子鐘
圖源：
影響導(dǎo)航精準(zhǔn)性得另一重要因素是衛(wèi)星覆蓋數(shù)量，北斗是如何實(shí)現(xiàn)全球覆蓋得呢？這里，我們以北斗三號(hào)為例，北斗三號(hào)衛(wèi)星系統(tǒng)包含了GEO(地球同步軌道）、IGSO(傾斜同步軌道）和MEO(中軌道）三種不同得軌道。
GEO衛(wèi)星相對(duì)地球靜止，軌道高度35785km，單星覆蓋區(qū)域較大，3顆衛(wèi)星即可覆蓋亞太大部分地區(qū)；IGSO衛(wèi)星軌道高度與GEO相同，但存在軌道傾角，衛(wèi)星星下點(diǎn)在本服務(wù)區(qū)內(nèi)南北來回運(yùn)動(dòng)；MEO軌道高度21500km,是大部分導(dǎo)航衛(wèi)星運(yùn)行得軌道位置，需要多顆衛(wèi)星組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)全球覆蓋。
這種混合星座得設(shè)計(jì)，能夠保證亞太大部分地區(qū)，每時(shí)可見12-16顆衛(wèi)星，全球其他地區(qū)每時(shí)可見4-6顆衛(wèi)星。
北斗包含得三種不同軌道 甲：MEO；乙：IGSO；丙：GEO
圖源：公眾號(hào)《中學(xué)物理葉子工作室》
目前，北斗面向全球范圍提供定位導(dǎo)航授時(shí)、全球短報(bào)文通信、China搜救三種服務(wù)；面向亞太地區(qū)提供星基增強(qiáng)、地基增強(qiáng)、精密單點(diǎn)定位和區(qū)域短報(bào)文通信四種服務(wù)。
經(jīng)過多次試驗(yàn)分析，研究人員判斷北斗可應(yīng)用于測(cè)量、電信、水利、漁業(yè)、交通運(yùn)輸、森林防護(hù)、減災(zāi)救災(zāi)和公共安全等諸多領(lǐng)域，具有非常廣闊得前景。
：雷緒，資深軍事愛好者，航天從業(yè)人士
感謝：一人白、小叮當(dāng)
科學(xué)審核：馬枊，西北工業(yè)大學(xué)博士畢業(yè)，上海機(jī)電工程研究所，20年相關(guān)從業(yè)經(jīng)驗(yàn)
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上海科技館
感謝：牧魚
