倘若三十年前討論“北斗”，人們毫無疑問地知道那一定是大熊星座里七顆組成勺柄狀的閃耀之星。倘若今天討論“北斗”，人們會問，是那個北斗導(dǎo)航還是北斗七星？北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)被大眾所熟知，因為此時此刻，它正服務(wù)于你手上的手機(jī)、乘坐的汽車、飛行的客機(jī)、海上的漁船、路邊的電力線、災(zāi)害的監(jiān)測等。你若問我北斗何以如此強(qiáng)大，那我只能用北斗科學(xué)知識來回答你。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)過程

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的組成

（圖片來源：格致論道科普講座——原來你是這樣的北斗）

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)過程分為三步。第一步是1994年到2000年的“北斗一號”，它有兩個特點。第一個特點是區(qū)域服務(wù)，就是只能夠為我們中國及中國周邊的地區(qū)提供服務(wù)。第二個特點是有源，就是如果想定位的話，我需要給衛(wèi)星發(fā)送一個信號，同時還要接收衛(wèi)星給我發(fā)的信號，才能夠定位。

從“北斗二號”開始，就不需要再給衛(wèi)星發(fā)信號，只需要接收到衛(wèi)星發(fā)射來的信號就可以實現(xiàn)定位。這種定位我們管它叫無源定位，“北斗二號”和“北斗三號”都是無源定位。它們的區(qū)別是什么呢？“北斗二號”主要完成的是區(qū)域無源，服務(wù)的是中國及周邊的亞太區(qū)域；而“北斗三號”提供的是全球的導(dǎo)航定位服務(wù)。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)經(jīng)歷了30年發(fā)展，目前在太空中為我們提供服務(wù)的北斗三號系統(tǒng)是由30顆衛(wèi)星組成的衛(wèi)星導(dǎo)航星座，正可謂北斗群星耀太空。那是不是只有太空中的北斗衛(wèi)星就能提供導(dǎo)航服務(wù)呢？

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的組成

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)并不是只靠天上的衛(wèi)星就能提供服務(wù)。它一共分為三個部分，技術(shù)人員稱之為三個段，“空間段、地面段、用戶段”，三個段缺一不可，三段合作才能實現(xiàn)衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù)。

空間段就是廣為人知的在天上運行的北斗衛(wèi)星星座。北斗三號衛(wèi)星星座實際上分三種軌道，第一種是地球靜止軌道（GEO），第二種是傾斜地球同步軌道（IGSO），第三種是中圓軌道（MEO）。我們北斗人把它稱為“北斗三兄弟”，也管它們叫“吉星”“愛星”“萌星”。 這3顆吉星、3顆愛星，再加上24顆萌星共同組成了我們的北斗三號星座。吉星的軌道高度是35786公里，是高軌衛(wèi)星，它的單顆衛(wèi)星覆蓋的范圍很廣，一顆衛(wèi)星就能夠覆蓋地球42.4%的面積，三顆衛(wèi)星就實現(xiàn)了除南北極以外的整個覆蓋。愛星和吉星的軌道高度是一樣的，但是它的星下點軌跡是繞“8”字型，和吉星對地定點的特點是不一樣的。萌星的軌道高度是21528公里，它作為衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)組網(wǎng)的主力成員，其實一直在地面上畫著波浪線，一圈又一圈地在跑。

值得一提的是，“北斗三號”的衛(wèi)星星座和GPS、GLONASS、伽利略都是不同的，這是國際上首次采用了混合星座來實現(xiàn)衛(wèi)星導(dǎo)航，我也把北斗三兄弟的小檔案做了一個梳理表列在了表格中。

北斗三號衛(wèi)星之間的差異

（圖片來源：格致論道科普講座——原來你是這樣的北斗）

地面段，經(jīng)常被稱之為北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的“核心大腦”，是北斗系統(tǒng)位于地面的設(shè)備。它包括主控站、注入站和監(jiān)測站。打個比方，天上的北斗衛(wèi)星要發(fā)什么，是地面段的主控站告訴衛(wèi)星的。而主控站需要通過注入站，才能把這些信息發(fā)給衛(wèi)星。主控站要想告訴衛(wèi)星發(fā)什么，還需要很多個監(jiān)測站幫忙接收衛(wèi)星信號，主控站用監(jiān)測站收到的數(shù)據(jù)計算出來，因此所有監(jiān)測站收到的信號要及時的發(fā)給主控站。監(jiān)測站在全球范圍內(nèi)分布的越均勻，分布的范圍越廣，主控站給衛(wèi)星發(fā)的信息就越準(zhǔn)確，服務(wù)效果也就越好。

地面段——北斗地面運控系統(tǒng)主控站機(jī)房顯示。（圖片源于中國新聞網(wǎng)）

地面段——北斗注入站（示意圖）

地面段——北斗監(jiān)測站（手繪圖）

用戶段，就是我們?nèi)粘Ｊ褂玫氖謾C(jī)、無人機(jī)、電話手表等等設(shè)備里的北斗導(dǎo)航芯片，他們通過接收北斗衛(wèi)星發(fā)送的信號實現(xiàn)導(dǎo)航定位。

北斗衛(wèi)星是如何提供導(dǎo)航服務(wù)的？

那我們是怎么使用北斗衛(wèi)星實現(xiàn)導(dǎo)航的呢？以我們的手機(jī)為例，北斗系統(tǒng)地面段把衛(wèi)星要發(fā)送的信息告訴衛(wèi)星（空間段），空間段按照地面段發(fā)的信息來發(fā)導(dǎo)航信號，到我們的手機(jī)（用戶段），用戶段通過接收衛(wèi)星發(fā)送的導(dǎo)航信號來計算自己的位置。

衛(wèi)星導(dǎo)航基本原理的誕生源于逆向思維，這里有一個小故事值得分享。大家知道，第一顆人造衛(wèi)星是1957年10月由蘇聯(lián)發(fā)上天的。蘇聯(lián)成功發(fā)射了這顆衛(wèi)星之后，美國的科學(xué)家開始在地面接收它的信號。他們發(fā)現(xiàn)，知道了自己的位置，又收到了這顆衛(wèi)星發(fā)的信號，就能計算出來這顆衛(wèi)星運行的軌道。

于是聰明的科學(xué)家想，如果知道了衛(wèi)星的軌道，同時又收到了測量接收的信號，是不是就能夠算出自己的位置呢？衛(wèi)星導(dǎo)航就是用這種方式來確定自己的位置的。目前，不管是北斗還是GPS，通過接收4顆以上的衛(wèi)星信號，就能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)確的定位。

衛(wèi)星信號的傳輸方式

（圖片來源：格致論道科普講座——原來你是這樣的北斗）

那衛(wèi)星發(fā)下來的信號里都包含什么呢？其實主要是兩個部分，一個部分是它的時間，另一部分是它在三維空間內(nèi)的位置（三維坐標(biāo)）。我們用到的手機(jī)等導(dǎo)航終端，就是利用衛(wèi)星告訴的時間，然后計算信號到達(dá)的時間差，算出我到每一顆衛(wèi)星的距離，然后再進(jìn)行解算。

那衛(wèi)星發(fā)射信號里的時間和位置信息是怎么來的呢？其實是有一整套的地面運行控制系統(tǒng)提供給衛(wèi)星的。它們會告訴衛(wèi)星時間和衛(wèi)星位置計算參數(shù)。

時至今日，“北斗”已然從當(dāng)初的北斗七星特指變成北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的代名詞，30年前為我們指路的北斗七星，在北斗人的努力下，已變成了30顆北斗群星，時刻為我們提供導(dǎo)航服務(wù)，未來，在北斗人的不懈奮斗下，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)將提供更加智能的定位導(dǎo)航授時服務(wù)，讓我們拭目以待，期待更好的北斗！

部分資料來源于：《北斗在天用在身邊》、《北斗導(dǎo)航》、“格致論道科普講座——原來你是這樣的北斗”

本文來自： 中國數(shù)字科技館

責(zé)任編輯：劉海華