只差最后1颗星！完全体“北斗”导航能否胜过美俄欧同行？

“北斗全球系统最后1颗组网卫星已经运抵西昌卫星发射中心，各项准备工作正在有序推进，计划6月择机发射。”全国政协委员、中国北斗卫星导航系统工程总设计师杨长风21日在全国政协十三届三次会议首场“委员通道”上说。

经过2018年10箭18星、2019年7箭10星的连续2年超高频率发射后，从下个月开始，我国将名正言顺地在全球卫星导航俱乐部里坐上“坐二望一”的位置，甚至在部分技术指标和功能上，北斗已经超过目前的老大GPS系统。

对于这个20年磨一剑的国之重器，可能有很多人存在各种各样的疑惑：什么是卫星导航系统?为什么要建卫星导航系统?有什么技术难点?北斗在国际上是什么水平，比起美国、俄罗斯、欧盟的导航系统如何?

卫星导航定位原理

什么是卫星导航系统?

用官方说法，卫星导航系统就是是能为用户提供全天候的3维坐标和速度以及时间信息的空基无线电导航定位系统。用大白话说，就是通过卫星信号，确定你在地球上位置的系统。

全球卫星导航系统则是在全球范围提供这种服务的系统。

为什么天上的卫星能够给地上的人提供定位?这就涉及到“四星定位”原理。

假如你所在位置在空间中距离某一颗卫星距离为25000km，距离另一颗卫星距离为28000km，那么以这2个距离为半径、以2颗卫星为球心画球，这2个球的相交面会形成一个圆形，你的位置可能在这个圆形上任一一点。

这时候引入第3颗卫星。假如你和其距离为31000km，以此为半径绕该卫星画球，这个球和之前的圆就相交在这2个点上。

排除掉1个不在地球上的点，剩下1个点就是你的位置。

这样，通过3颗卫星，你就能知道你在地球上的坐标(x，y，z)。

但是，在实际情况下，前面说的“距离”都是伪距，也就是假的距离。因为实际测量中，这些距离是用信号传输时间(光速)倒推的，最典型的就是卫星使用的原子钟和地面接收机石英钟之间的误差。

石英钟的时间误差比原子钟大几个数量级，这可能导致测量出的位置出现几十至数百米的误差。

这时就需要引入第4颗卫星作为时间零点，专门用来计算时间误差，才能精确解算出位置信息。此外，同时能接受到的卫星信号越多，计算出来的位置精度就越好。

从纯数学角度说，计算3个未知数(x，y，z)需要3个方程，这3个方程由3个卫星位置及到用户距离组成，加入时间误差变量(t)之后，未知数变为4个(x，y，z，t)，因此需要4个方程，这种情况就需要4颗星了。

通过这一技术，目前全球四大卫星导航技术精度，定位的精度基本在米量级。

按照美国GPS设计理念，在中距离轨道上布置24颗卫星，就能保证在任意时刻，地球上任意一点都可以同时观测到4颗卫星，实现定位。

除了卫星定位本身，还有2种方法可以提高定位精度，使得定位精度达到厘米乃至毫米的级别。

其中一种是实时动态载波相位差分(RTK)，即基准站通过数据链将其观测值和测站坐标信息一起传送给移动站。移动站不仅通过数据链接收来自基准站的数据，还要采集GPS观测数据，并在系统内组成差分观测值进行实时处理，同时给出厘米级定位结果。

用通俗的话来说，RTK是先架设基站，然后基站把自己的误差告诉你，你再用这个误差项结合自己的数据，去消除自己移动站的误差。

另一种是精密单点定位(PPP)技术，即利用单台双频地球导航卫星系统GNSS接收机，基于载波相位观测值和国际GNSS服务组织IGS 提供的卫星轨道和钟差产品进行单点定位的技术。

简单说就是先建许多观测站纠正定位误差，然后将纠正后的高精度信息发给移动站。

为什么要发展北斗?

卫星导航系统能提供全天候、高精度、实时的服务，在军用、民用领域均有很高的价值。

在民用领域，身处信息时代，导航是每台智能手机不可或缺的需求，可以说，如果没有手机导航，很多人就出门就要抓瞎，现代人依赖的网约车、外卖等行业更是无从发展。中国有着全球最大的卫星导航市场，而这个市场此前一直被美国的GPS系统占据。

而在军用领域，对于精确定位的需求更高，但在过往很长时间内，我国不得不依赖GPS。而美国在GPS系统建设之初，就应军方要求使用了选择可用性机制(SA)，其定位信息被故意加入了误差。虽然后来美国宣布取消SA机制，但实际在使用其产品时都仍有很大的风险及不可预测性。

基于上述考虑，中国开始发展自己的卫星导航技术。

1994年，中国决定启动北斗一号工程，进行试验探索，该阶段以2000年成功发射2颗地球静止轨道卫星为结束。

北斗一号也称为北斗卫星导航试验系统，采用的是比较落后的有源区域卫星定位系统。该系统在进行定位解算时需要用户发送请求给卫星，然后由地面控制中心完成全部的计算任务，将用户需要的数据传回给用户。

无源定位系统则是用户终端不向卫星发送请求信号，而是直接同时接受4课卫星的信号，在用户终端完成定位计算工作。

有源定位系统的优点是成本较低、定位快，但是在定位精度、用户容量、定位的频率次数、隐蔽性等方面均受到限制，另外该系统无测速功能，也不能用于精确制导武器。无源定位由于要靠终端计算，性能有限，定位速度慢，但在其他方面全面领先。

2004年，中国启动了具有初步全球导航能力的北斗卫星导航系统建设(北斗二号)。2007年，中国首颗无源定位卫星在西昌发射场发射成功，标志着国产卫星定位系统进入了一个新的时代。

除了采用和其他三大系统同样的无源定位技术以外，北斗二号还有一大进步：开始使用国产原子钟。

原子钟是利用电子跃迁释放电磁波原理制造的钟。在原子内部，电子绕原子核高速旋转，有不同的旋转轨道。电子在不同的旋转轨道上具有不连续的能量差异，称为能级。电子在不同能级之间跃迁频率是固定的，利用这一特性，便可以制作出非常精确的计时仪器。

星载原子钟是导航卫星上的精密仪器，需要满足卫星发射及在轨运行时需要面对的振动、温度、辐照等环境要求，而且对体积和重量指标极为苛刻。北斗一号建设时，卫星使用的原子钟需由瑞士进口。

而到了北斗二号时，我国开始使用中国航天科工提供的原子钟，自2012年开始，北斗已经开始全部使用国产原子钟，其性能与进口产品相当。

有意思的是，2017年，欧洲伽利略卫星导航系统爆发了大规模原子钟事故，18颗卫星72台原子钟中，有高达9台出现故障。虽然依靠卫星设计时留下的大量冗余度，这一故障并不影响导航系统的使用，但也为其安全性敲响了警钟。