↑一群國家地理控，專注于探索極致世界

2020年6月23日

中國西昌衛(wèi)星發(fā)射中心

長征火箭搭載著最后一顆北斗組網衛(wèi)星

劃破長空

（9時43分，北斗三號最后一顆全球組網衛(wèi)星發(fā)射升空，攝影師@南勇）

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隨后

衛(wèi)星將到達距離地表約36000千米的軌道

它的穩(wěn)定運行

標志著

中國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)全面建成

這是一個龐大的工程

太空中46顆導航衛(wèi)星

晝夜不停地環(huán)繞在地球周圍

地面上2700多個基準站

分布于大江南北

一張“天羅地網”鋪展開來

（北斗“完全體”，包括北斗二號衛(wèi)星16顆，北斗三號衛(wèi)星30顆，制圖@鄭伯容/星球研究所）

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這也是一個艱難的工程

8萬多名工作人員

300多家研發(fā)單位

前前后后奮戰(zhàn)20多年

終于夢想成真

（20年間，長征火箭作為北斗衛(wèi)星的唯一運載工具，發(fā)射次數(shù)多達44次，下圖為裝載第39和第40顆北斗衛(wèi)星的長三乙火箭靜待發(fā)射的場景，攝影師@史悅）

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這更是一個必需的工程

如今北斗已經廣泛應用于

電力、金融、通信、交通

農業(yè)、測繪、減災救災等

生產和生活的方方面面

中國將徹底擺脫

對美國全球定位系統(tǒng)（GPS）的依賴

（以350公里時速行駛的京張高鐵，可以實現(xiàn)從駕駛一次制動到停車的停準誤差不到10厘米，下圖為自動駕駛的京張高鐵，攝影師@趙斌）

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而且借助北斗

中國導彈擁有了超高精度的制導能力

國防利器愈加鋒利

（2019年10月1日，慶祝中華人民共和國成立70周年大會閱兵式中的巨浪-2導彈方隊，圖片來源@人民視覺）

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如今

北斗系統(tǒng)（BDS）已經覆蓋全球

與美國的全球定位系統(tǒng)（GPS）

俄羅斯的格洛納斯系統(tǒng)（GLONASS）

歐盟的伽利略系統(tǒng)（Galileo）

并稱全球四大衛(wèi)星導航系統(tǒng)（GNSS）

20年磨一劍

中國是如何做到的？

01

導航衛(wèi)星的秘密

要想獲取我們的位置

太空中需要布置

至少3顆導航衛(wèi)星

它們不斷地發(fā)射電磁波信號

我們利用導航設備接收信號

信號在一發(fā)一收之間產生的時間差

再乘以電磁波的傳播速率（光速）

便可以計算出我們與衛(wèi)星的距離

只有1顆導航衛(wèi)星時

以衛(wèi)星為中心

我們與衛(wèi)星的距離為半徑

便得到一個球面

球面上的任何一點

都可能是我們的位置

（光速約等于3×108m/s，一顆導航衛(wèi)星確定的位置——球面，制圖@鄭伯容/星球研究所）

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若有2顆導航衛(wèi)星

兩個球面相交得到一個圓周

圓周上任何一點

都可能是我們的位置

（兩顆導航衛(wèi)星確定的位置——圓周，制圖@鄭伯容/星球研究所）

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若有3顆導航衛(wèi)星

三個球面相交得到A、B兩個點

兩點中任何一點

也都可能是我們的位置

（三顆導航衛(wèi)星確定的位置——兩個點，制圖@鄭伯容/星球研究所）

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而兩點之中

僅有B點位于地表附近

于是便鎖定了我們唯一的位置

（與地表的交點有且只有一個，制圖@鄭伯容/星球研究所）

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這就是導航衛(wèi)星的秘密

即三球交會定位原理

實際上

在測量時間的時候

會產生各種誤差

為了消除誤差

往往還需要第4顆衛(wèi)星的輔助

同時為了保證我們隨時隨地

都能接收到4顆以上的導航衛(wèi)星信號

環(huán)繞地球的衛(wèi)星總數(shù)往往遠遠高于4顆

例如美國GPS和俄羅斯GLONASS系統(tǒng)

導航衛(wèi)星的數(shù)量都在24顆以上

（GPS系統(tǒng)定位示意，同一點上空的衛(wèi)星多在4顆以上，原圖來源@維基百科，重制@鄭伯容/星球研究所）

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可是

在上世紀90年代

想要短期內發(fā)射同等數(shù)量的導航衛(wèi)星

對于航天及導航技術相對落后的中國來講

幾乎是一個不可能實現(xiàn)的夢想

能否用最少的衛(wèi)星

實現(xiàn)定位的目標？

02

蹣跚起步

一個大膽的方案

橫空出世

陳芳允

“兩彈一星”功勛、著名電子學家

首次提出了由兩顆衛(wèi)星組成的

雙星定位系統(tǒng)

其巧妙之處在于

在地面設置了一個“大腦”

即地面控制中心

利用地面控制中心

人們可在地球周圍“虛擬”出一個球體

并通過控制中心、衛(wèi)星、用戶三者之間的交互

計算得到用戶的位置

（地面控制中心可以提供用戶的高程等已知數(shù)據(jù)，且擁有超強的解算能力。雙星定位原理示意，制圖@鄭伯容/星球研究所）

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與此同時

兩顆衛(wèi)星均位于地球靜止軌道

其軌道高度在35786千米

運行周期與地球自轉周期保持一致

可始終朝向地球的同一面

保證了全時段的信號覆蓋

（地球靜止軌道示意，制圖@鄭伯容/星球研究所）

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從1994年方案獲得正式立項

到2000年兩顆北斗衛(wèi)星成功入軌

歷時6年多的研發(fā)

北斗雙星的設想

終于變成了現(xiàn)實

這便是北斗一號

它的信號

可以覆蓋中國全境

（北斗一號的覆蓋范圍為東經70°-145°，北緯5°-55°，制圖@王朝陽&鄭伯容/星球研究所）

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用戶不僅能接收位置信息

還能像“發(fā)短信”一樣主動發(fā)送文字消息

這在求救和援助時尤為關鍵

而對于如同“收音機”般

單向接收數(shù)據(jù)的GPS等系統(tǒng)

這是無法做到的

（“發(fā)短信”的優(yōu)勢在于，既能知道自身的位置，也可以告訴他人，這在地震、遠洋等一些險境中意義重大，下圖是2008年汶川地震中救援的場景，攝影師@賈君洋）

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這項功能屬于國際首創(chuàng)

美國GPS之父帕金森教授

后來對此功能贊譽有加

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既能夠知道你在哪里，也能夠知道我在哪里

這是多么美妙的體驗

不過

北斗一號的缺陷

同樣顯而易見

它的定位精度為20-100米

時間精度為20-100納秒

與同期GPS的10米和20納秒差距明顯

而且僅支持150個用戶同時在線

與全球覆蓋的目標也相差甚遠

還有

“發(fā)短信”式的交互模式

過程較為繁瑣、信號易被攔截

不僅導致定位中存在1秒左右的時延

還容易暴露自身位置

而對于高速運動的飛機、導彈來說

每1秒都生死攸關

軍事行動中保密性更是至關重要

（北斗一號和GPS系統(tǒng)定位操作對比，制圖@鄭伯容/星球研究所）

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北斗一號

盡管性能有些簡易

但基本解決了我們導航系統(tǒng)從無到有的問題

北斗的夢想已經在蹣跚中起步

接下來會一帆風順嗎？

03

攻堅克難

自2010年起

西昌衛(wèi)星發(fā)射中心變得非常熱鬧

在不到3年的時間里

將有14顆導航衛(wèi)星從這里陸續(xù)發(fā)射升空

2010年發(fā)射5顆

2011年發(fā)射3顆

2012年發(fā)射6顆

（2007年和2009年各有一顆北斗二號實驗星已經發(fā)射升空，下圖是西昌衛(wèi)星發(fā)射中心的兩個發(fā)射塔架與火箭運輸機車的同框，攝影師@余明）

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同時

運算和控制等地面配套系統(tǒng)也鋪展開來

衛(wèi)星與地面的調整測試也在同步進行

2012年底

新系統(tǒng)組網成功

這就是北斗二號

（北斗二號系統(tǒng)運行示意，制圖@鄭伯容/星球研究所）

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與北斗一號相比

其覆蓋范圍明顯擴大

擴大至亞太地區(qū)的大部分區(qū)域

定位精度也從20米提升至10米

時間精度達到10納秒

（北斗二號的覆蓋范圍為東經70°-150°，南緯55°-北緯55°，制圖@王朝陽&鄭伯容/星球研究所）

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北斗一號獨特的通信功能

也被完整繼承了下來

可在應急通訊中幫助更多的人

（2015年4月25日尼泊爾發(fā)生8.1級地震，救援人員曾借助北斗實施搜救，下圖為尼泊爾新圖巴尓恰克地區(qū)的震后場景，圖片來源@人民視覺）

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然而這樣的升級

并非一帆風順

擋在科學家面前的是

重重難關

難關之一在于

衛(wèi)星如何布局

最適宜導航衛(wèi)星的軌道

是高度約20000千米的

中圓軌道

是實現(xiàn)全球覆蓋的最優(yōu)選擇

GPS等系統(tǒng)的衛(wèi)星便分布于此

（不同軌道類型及衛(wèi)星示意，制圖@陳思琦&陳隨/星球研究所）

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可是

中圓軌道衛(wèi)星

飛越目標區(qū)域的時間較短

這意味著

想要實現(xiàn)此區(qū)域的穩(wěn)定覆蓋

必須發(fā)射足夠多的衛(wèi)星

然而彼時

發(fā)射此類衛(wèi)星的技術

在我國還尚未成熟

倘若全部使用中圓軌道

無疑是充滿風險

為了短期內實現(xiàn)目標

中國科學家另辟蹊徑

首次開創(chuàng)了“混搭”的衛(wèi)星布局方式

通過排兵布陣

14顆衛(wèi)星分布于三種軌道

除了4顆中圓軌道衛(wèi)星外

還有5顆傾斜同步軌道衛(wèi)星

保證信號對亞太地區(qū)的長時間覆蓋

5顆地球靜止軌道衛(wèi)星

實現(xiàn)此區(qū)域的全時段穩(wěn)定覆蓋

（傾斜同步軌道衛(wèi)星的運行周期和軌道高度與地球靜止衛(wèi)星相同。把傾斜同步軌道衛(wèi)星用于定位，屬于中國首創(chuàng)。下圖是北斗二號系統(tǒng)三種軌道的示意，制圖@鄭伯容/星球研究所）

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難關之二在于

精度如何提高

電磁波以光速傳播

哪怕存在1納秒的時間誤差

產生的距離誤差也會有0.3米

所以衛(wèi)星導航定位的精確度

主要取決于衛(wèi)星上的原子鐘精度

以及衛(wèi)星、地面站、用戶之間的

時間同步

國際上通用的星載原子鐘

精度需要達到10-13

相當于每過10萬年才會產生1秒的誤差

而當時擁有此項技術的國家

僅有美國、俄羅斯和瑞士

（下圖為美國GPS衛(wèi)星的藝術想象圖，圖片來源@NASA）

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北斗一號所用的原子鐘

便是從瑞士進口

但到了北斗二號時

引進原子鐘的合作卻被迫中斷

所以

北斗二號要想順利完成

中國人必須爭分奪秒地

實現(xiàn)原子鐘的自主研制

（北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的衛(wèi)星與運載火箭，分別由中國航天科技集團有限公司所屬的中國空間技術研究院和中國運載火箭技術研究院研制生產，下圖為中國空間技術研究院的工作人員正在調試設備，攝影師@茍秉宸）

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時間的緊迫性遠不止于此

難度之三

便是衛(wèi)星

如何按時發(fā)射

根據(jù)國際電信聯(lián)盟的規(guī)則

衛(wèi)星運行的軌道和信號頻率

在使用前必須提前申請

且必須在申請通過后的7年內

完成衛(wèi)星發(fā)射入軌和信號接收

否則相關資源會被回收

2000年4月18日

中國的申請獲得通過

這意味著在接下來的7年里

衛(wèi)星以及火箭必須做到萬無一失

（衛(wèi)星與火箭對接后的整流罩，因廣角拍攝，畫面的邊緣有拉伸變形，攝影師@南勇）

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科學家們夜以繼日地

反復實驗和測試

7年內掌握相關衛(wèi)星技術

2年內攻克原子鐘的難關

甚至僅用10多天

完成衛(wèi)星取出、測試、再到裝回等

一系列復雜操作

修復了臨發(fā)射前的突發(fā)故障

（衛(wèi)星的發(fā)動機出現(xiàn)故障，專家們在仔細檢查設備，其中從右邊起第二個人是北斗一號和二號系統(tǒng)的總設計師孫家棟院士，攝影師@南勇）

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2007年4月17日晚八點

當人們成功接收到信號時

距離軌道失效的截止時間

僅僅只剩下4個小時

至此

歷盡磨練、突破技術封鎖

一個覆蓋亞太地區(qū)的衛(wèi)星導航系統(tǒng)就此建成

而距離實現(xiàn)全球導航

只差最后一步

04

天羅地網

最后一步

將是一次全方位的升級

北斗三號衛(wèi)星

使用壽命從8年增至10年以上

其組成部件

全部實現(xiàn)中國造

其中原子鐘性能持續(xù)升級

精度已經達到1000萬年差1秒

此時火箭技術

也已不再成為掣肘

一箭雙星的發(fā)射已經“爐火純青”

2017年底

發(fā)射1箭2星

2018年

發(fā)射9箭17星

2019年

發(fā)射6箭8星

2020年

發(fā)射3箭3星

不到3年時間

30顆衛(wèi)星

以前所未有的速率

發(fā)射升空，完成組網

（2020年6月23日，北斗三號最后一顆全球組網衛(wèi)星發(fā)射升空，攝影師@史悅）

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于是

太空之中

3顆地球靜止軌道衛(wèi)星

分布在赤道正上空

3顆傾斜同步軌道衛(wèi)星

穩(wěn)定覆蓋亞太地區(qū)

24顆中圓軌道衛(wèi)星

則晝夜不停地圍繞地球奔跑

它們共同組成

一個龐大的衛(wèi)星網絡

懸掛于太空

堪稱一張浩大的天網

從此

無論白天還是黑夜

無論身處地球的任何角落

人們抬頭便可以看見5-6顆北斗衛(wèi)星

全球覆蓋的目標

終于實現(xiàn)

（北斗三號系統(tǒng)運行示意，制圖@鄭伯容/星球研究所）

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這樣還不夠

當衛(wèi)星飛越中國境外時

在缺少地面控制指令的的情況下

衛(wèi)星無法保證在正常軌道運行

為此

人們在衛(wèi)星之間搭建起橋梁

彼此間能進行通信和測距

互相監(jiān)督、自動保持隊形

組成錯綜復雜的

星間鏈路

這大大減少了

系統(tǒng)對地面站的依賴

即使地面站點全部失效

北斗系統(tǒng)依然可以通過星間鏈路

保持自主運行長達60天之久

（星間鏈路示意，制圖@鄭伯容/星球研究所）

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同時

中國境內的

地面之上

2700多個地面參考站點

和數(shù)個數(shù)據(jù)處理中心

也在中國大地上鋪展開來

組成一張地面數(shù)據(jù)加工網絡

即便衛(wèi)星信號受到

各種地形、建筑物遮擋和反射

也能提供額外的地面信息補充

人稱地基增強系統(tǒng)

（北斗地基增強系統(tǒng)包括框架網和區(qū)域加強密度網兩部分，其中框架網基準站共155個，區(qū)域加強密度網基準站超過2700個，下圖為框架網站點分布示意，制圖@王朝陽&鄭伯容/星球研究所）

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經此修正和處理之后

整個系統(tǒng)的誤差一再減小

精度持續(xù)增加

可以是米級、分米級

甚至是厘米級、毫米級

可以精確到

建立電子圍欄

保證共享單車停在指定范圍內

（湖北省襄陽市的一處共享單車臨時存放點，圖片來源@VCG）

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可以精確到

閱兵方陣中

各型裝備方隊等速行進

各個飛行梯隊米秒不差

距離誤差在正負10厘米以內

（2019年9月23日，國慶閱兵預演時的飛行梯隊，攝影師@拾城 田衛(wèi)濤）

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可以精確到

監(jiān)測大壩、大橋等

工程的外觀變形

（請橫屏觀看，畫面左下方是中國第二大水電站溪洛渡水電站。目前已經有超過150個監(jiān)測點安裝于水電站兩側的邊坡，并且不間斷提供毫米級精度的數(shù)據(jù)，以便及時發(fā)現(xiàn)安全隱患，攝影師@柴俊峰）

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此外

北斗芯片

可以植入手機

截至2019年第三季度

中國市場申請入網的400余款手機中

支持北斗導航的便有近300款

（司機正在使用手機導航，攝影師@任炳旭）

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可以裝備運輸工具

截至2019年12月

超過650萬輛營運車輛

4萬輛郵政和快遞車輛

3200多座內河導航設施

2900余座海上導航設施

均已裝備北斗系統(tǒng)

成為全球最大的營運車輛動態(tài)監(jiān)管系統(tǒng)

（重慶市牛角沱輕軌站外，一輛公交車行使于高架橋上，攝影師@拾城 崔力）

▼

至此

天羅加地網組合而成

這便是北斗系統(tǒng)進化的終極形態(tài)

北斗三號

05

北斗20年

2000-2020

從北斗一號的首星發(fā)射

到北斗三號的末星入軌

已是整整20年

20年間

面對重重困難

科學家們不曾退卻

他們步步為營，循序漸進

第一步，為中國

第二步，為亞太

第三步，為世界

今天

中國終于有了

自己的衛(wèi)星導航系統(tǒng)

未來

它將向全世界開放

也會成為70多億人生活的一部分

（在電力線路中安裝北斗線路故障指示儀，準確發(fā)現(xiàn)事故地點，及時排除故障，減少停電時間。下圖為山谷中此起彼伏的輸電塔，攝影師@邱會寧）

▼

空氣中

行蹤不定的污染物

被納入環(huán)境監(jiān)測信息系統(tǒng)

從此將逃不過北斗的“慧眼”

（利用北斗系統(tǒng)可以獲取大氣污染物相關監(jiān)測點的實時位置，并利用北斗的通訊功能將信息發(fā)送至監(jiān)控中心。下圖為正在排放的工廠煙囪，作示意，攝影師@邱會寧）

▼

田地間

通過北斗系統(tǒng)與農業(yè)器械的配合

可實時掌握耕種深度、行距等信息

令作業(yè)效率提高50%

產量提高5%-8%

（下圖為安裝有北斗導航系統(tǒng)的播種機工作的場景，位于吉林省，攝影師@邱會寧）

▼

還有國境線上

山高、林密、谷深的惡劣環(huán)境

導致通訊設施無法全部覆蓋

而邊防官兵們憑借北斗系統(tǒng)

依然可以及時、穩(wěn)定地傳遞信息

（在手機基站等無法覆蓋的地區(qū)，北斗的定位和通信功能變得至關重要，下圖為邊防官兵在邊境巡邏，攝影師@李含軍）

▼

但是

這些還遠遠不夠

正如中國衛(wèi)星之父

北斗一號和二號系統(tǒng)的總設計師

孫家棟所說

▼

我們建設北斗關鍵還是在用，只有用得更加普及，更加深入，這才是贏家。

是的

科學家們排星布陣20年

終于織就一張“天羅地網”

中國自己的衛(wèi)星導航系統(tǒng)

也終于從設想變?yōu)楝F(xiàn)實

而這

僅僅只是故事的開端

未來的每一天

才是中國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)

責任和使命的真正所在

創(chuàng)作團隊

撰文：艾藍星

編輯：楨公子

圖片：任炳旭

設計：鄭伯容，陳隨

地圖：王朝陽，陳思琦

審校：黃超，王朝陽

專家審核

中國科學院計算技術研究所 羅海勇 博士

【致謝】本文在創(chuàng)作中得到了清華大學經管學院校友劉運操的大力支持，特此感謝。

【參考文獻】

[1]中國衛(wèi)星導航系統(tǒng)管理辦公室. 北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)發(fā)展報告（4.0版）, 2019.

[2]中國衛(wèi)星導航系統(tǒng)管理辦公室. 北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)應用案例, 2018.

[3]謝軍,王海紅等. 衛(wèi)星導航技術[M]. 北京理工大學出版社, 2018.

[4]田建波,陳剛. 北斗導航定位技術及其應用[M]. 中國地質大學出版社, 2017.

[5]劉天雄. 衛(wèi)星導航系統(tǒng)概論[M]. 中國宇航出版社, 2018.

[6]袁樹友. 下安物望-北斗應用100例[M]. 解放軍出版社, 2017.

[7]王金鋒. 空中指南-中國成功發(fā)射系列導航衛(wèi)星[M]. 吉林出版集團, 2009.

[8]《開講啦：北斗系統(tǒng)總設計師楊長風》,2017.

... The End ...

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