北斗上天“拯救路癡”，衛(wèi)星導(dǎo)航遠(yuǎn)不止收發(fā)信號

黃陽 2020-06-26 12:38:27 來源：量子位

中奇 萬鐸 黃陽 發(fā)自 凹非寺

鵝板凳 | 公眾號 ebandeng

經(jīng)歷了一番波折，本周我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)終于成功發(fā)射了最后一顆組網(wǎng)衛(wèi)星，中國終于用上了自己的全球?qū)Ш较到y(tǒng)。

作為中國迄今規(guī)模最大、覆蓋最廣、性能最強(qiáng)也是最復(fù)雜的巨型航天系統(tǒng)，北斗導(dǎo)航和其他國家的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)有什么區(qū)別？我們又是如何通過衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航和定位的？

今天大鵝就和大家一起聊聊這些問題。

我們?nèi)绾卧诘貓D上定位？

衛(wèi)星定位早就不新鮮了，打開手機(jī)地圖查看自己的方位已經(jīng)是大家每天的日常。極端情況下，甚至不聯(lián)網(wǎng)也能勉強(qiáng)定位一下。

但你想過這一切是怎么實(shí)現(xiàn)的么？

你肯定會說了：“這還不簡單？我向衛(wèi)星定位系統(tǒng)發(fā)個查詢請求，系統(tǒng)再返回一個坐標(biāo)，完事兒?！?/p>

但要真按這個方法，全世界那么多人挨個找衛(wèi)星查位置，衛(wèi)星可不得累死？

所以實(shí)際上，衛(wèi)星是通過向地面發(fā)送廣播，然后手機(jī)再接收來實(shí)現(xiàn)的。

先舉個簡單的例子。

假如你穿越回了第二次工業(yè)革命前，也就是沒有電子產(chǎn)品的時代，這時候你身上只有一張紙質(zhì)地圖，但并不知道自己在哪。

于是你開始詢問身邊的人，第一個人不是本地人、也不知道這是哪里，但他是從七俠鎮(zhèn)溜達(dá)著過來的，走了大概有40里地。

那么你的位置，一定在以七俠鎮(zhèn)為圓心，40里地為半徑的圓上對吧？

但這樣的地點(diǎn)太多了，你還是不知道自己在哪，于是你問了第二個人。他也不是本地的、也不知道這是哪，但他是從十八里鋪趕著馬車過來的，走了100里地。

那么現(xiàn)在你的位置肯定也在以十八里鋪為圓心，100里地為半徑的圓上。

根據(jù)地圖一合計，這個圓和之前七俠鎮(zhèn)那個圓有兩個交點(diǎn)，所以你肯定是在這兩個點(diǎn)上，范圍雖然縮小了，但你仍然不知道自己在哪，于是你問了第三個人。

第三個人，這不巧了么，也不是本地的，他不知道這是哪，但他是從左家莊坐著驢過來的，走了20里地。

那么現(xiàn)在你就在以左家莊為圓心，20里地為半徑的圓上，跟剛才的信息一綜合，三個圓交叉在一個點(diǎn)上，你就知道了，原來自己來了平谷飛龍影視基地……

衛(wèi)星定位的原理和這個差不多。

只不過現(xiàn)實(shí)生活中我們除了平面位置上的（x，y）信息之外，還能得到高度信息，也就是z軸坐標(biāo)，衛(wèi)星定位就是通過這三個球面的交點(diǎn)，來確定你的位置信息的。

搞懂了原理，我們接著往下說。

首先我們需要找到三個球心的位置。

導(dǎo)航系統(tǒng)里的衛(wèi)星們都是一直在繞著地球轉(zhuǎn)的，每時每刻都在向地面發(fā)送著自己的三維坐標(biāo)，也就是經(jīng)度、緯度以及高度三個信息，咱們用（x，y，z）表示。

光確定球心還不夠，要算出來你所在的位置還需要知道半徑。這時候我們就需要另一個參數(shù)，也就是時間。

衛(wèi)星里面還有一個很重要的部件，叫做原子鐘，說白了，它就是一個時間非常精確的……鐘。每次衛(wèi)星發(fā)射自己坐標(biāo)的時候，其實(shí)除了xyz軸的數(shù)據(jù)，它還會連帶著把時間t也一塊播報出去。

這些信息通過電磁波被手機(jī)接收之后，拿手機(jī)的時間和衛(wèi)星上原子鐘中的時間一對比，就知道電磁波飛了多久。

根據(jù)小學(xué)二年級知識我們知道，電磁波的速度是固定的，時間乘以速度就等于距離，這樣一來半徑就弄清楚了，就可以確定我們在地球上的坐標(biāo)了。

但實(shí)際的衛(wèi)星定位是通過四顆衛(wèi)星的信息來確定坐標(biāo)的，之所以比上面理論上多一個衛(wèi)星信息，是為了驗證準(zhǔn)確性。

比如現(xiàn)在我們已經(jīng)知道了第一組和第二組的圓心和半徑，那么第三組的圓心恰好在一二兩個交點(diǎn)點(diǎn)連線的中間，那么第三組數(shù)據(jù)就沒用了，這時候就需要第四組的數(shù)據(jù)來工作了。

那么也許你會問，如果第四組數(shù)據(jù)的圓心恰好也在這咋辦？

現(xiàn)實(shí)生活中這種現(xiàn)象是不可能出現(xiàn)的。因為這代表著倆衛(wèi)星已經(jīng)撞在一起了，這是在衛(wèi)星發(fā)射階段就已經(jīng)完全杜絕的事情。所以我們說，想確定自己的定位最少需要四顆衛(wèi)星。

當(dāng)然上面這些只是理論，實(shí)際生活中還會有許多其他因素影響定位的準(zhǔn)確性，比如云太厚阻擋信號；比如大廈太多反射信號；又或者你生活在重慶這種導(dǎo)航軟件克星之城……

為了解決這些問題，現(xiàn)實(shí)生活中的衛(wèi)星定位，往往還會通過手機(jī)基站、WiFi固定的Mac地址、數(shù)據(jù)模型預(yù)判等一系列操作來幫助進(jìn)一步定位，這里我們就不展開講了。

北斗和GPS有什么區(qū)別？

在開始談差別之前，我們首先需要明白，構(gòu)建了衛(wèi)星定位系統(tǒng)的國家不只中國和美國，全球范圍內(nèi)還有一些友商。這些友商主要包括區(qū)域性衛(wèi)星定位和全球衛(wèi)星導(dǎo)航兩個大類。

咱們先說個大家最熟悉的，美國的GPS。

這套系統(tǒng)由美國政府于1970年代開始進(jìn)行研制，并于1994年全面建成，設(shè)計衛(wèi)星數(shù)量24顆，實(shí)際在軌31顆。

它的強(qiáng)大主要來自于研發(fā)早、技術(shù)積累多。說人話就是精度高。民用級別定位的的空間誤差從2001年的1.6米一路下降到了2014年的0.7米。

發(fā)展早、精度高使得它占據(jù)了衛(wèi)星定位市場很大一部分份額，目前全球范圍內(nèi)絕大多數(shù)民用的衛(wèi)星定位都是基于GPS來運(yùn)行的。

第二個咱們要說的就是俄羅斯的衛(wèi)星定位系統(tǒng)——格洛納斯

這套系統(tǒng)最早是蘇聯(lián)在1982年開始研發(fā)的，蘇聯(lián)解體后一度喪失了大多數(shù)衛(wèi)星與功能。后來俄羅斯接過了衣缽，縫縫補(bǔ)補(bǔ)又接著用了。

格洛納斯系統(tǒng)設(shè)計衛(wèi)星數(shù)量24顆，實(shí)際在軌衛(wèi)星有27顆。

這里插一句，衛(wèi)星定位這件事吧，最開始是給打仗準(zhǔn)備的，后來發(fā)現(xiàn)日常生活中也存在需求，逐漸開放了民用層面的業(yè)務(wù)。

而且由于前蘇聯(lián)采用了頻分多址體制（FDMA），讓衛(wèi)星信號抗干擾能力更強(qiáng)了。于是乎這個格洛納斯的精度一度比GPS還高。

除了二戰(zhàn)后美蘇兩大勢力以外，其他國家和地區(qū)也不想在這個領(lǐng)域受制于人，歐盟琢磨著自己也該來一套衛(wèi)星定位系統(tǒng)，于是有了2002年的伽利略計劃。

該系統(tǒng)由歐盟通過歐洲空間局和歐洲導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)管理局建造，總部設(shè)在捷克共和國的布拉格。

整個衛(wèi)星定位系統(tǒng)有兩個地面操控站，分別位于德國慕尼黑附近的奧伯法芬霍芬和意大利的富齊諾，現(xiàn)有22顆在軌衛(wèi)星。

中國一開始也有加入這個計劃，尋思著跟歐洲一塊做。錢啊、資源啊都沒少砸。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)歐洲這幫人啥都不帶我們玩，核心技術(shù)也不讓我們看，一氣之下咱們就另起爐灶了，那之后才有了北斗二代、三代。

說完全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，咱們來聊聊區(qū)域性的。啥叫區(qū)域性？就是沒錢、沒技術(shù)，只能覆蓋特定區(qū)域的衛(wèi)星定位。

首先是印度區(qū)域?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)，簡稱IRNSS、NAVIC。它是一個由印度空間研究組織（ISRO）發(fā)展的自由區(qū)域型衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，印度政府對這個系統(tǒng)有完全的掌控權(quán)。

它的誕生還有一段故事，說的是1999年，在印度和巴基斯坦戰(zhàn)爭期間，印度這邊優(yōu)勢本來比較明顯。

然后美國看到了，覺得不能讓印度太得瑟，于是就直接關(guān)閉了印巴戰(zhàn)區(qū)的所有GPS服務(wù)。導(dǎo)致印度的武器和士兵瞬間拉垮，遭受了巨大的損失。

印度人氣不過，覺得還是自己弄的靠譜，于是乎就有了現(xiàn)在的IRNSS，現(xiàn)有在軌工作衛(wèi)星7顆，計劃在未來將在軌工作衛(wèi)星提高到11顆。

美國在這方面沒吃過虧的另一個小弟日本，則走向了另一個方向。

日本的許多城市高樓密布，衛(wèi)星信號很容易在各種光滑垂直的墻面上形成反射，造成“城市峽谷”效應(yīng)，這就造成了GPS的定位精度在日本大大下降。

日本人一琢磨，那咱們就做個GPS補(bǔ)完計劃吧，于是有了準(zhǔn)天頂衛(wèi)星系統(tǒng)?；旧暇褪峭焐隙喟l(fā)射幾個衛(wèi)星，彌補(bǔ)GPS在日本使用上的不足。

準(zhǔn)天頂衛(wèi)星發(fā)送的GPS可用性增強(qiáng)信號和現(xiàn)代化的GPS信號兼容，因此確保了兩系統(tǒng)的互通性，通過這種方法提高GPS在亞太地區(qū)定位能力的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。

日本這個準(zhǔn)天頂衛(wèi)星系統(tǒng)最初是計劃發(fā)四顆衛(wèi)星就完事兒，實(shí)際上也在18年全部發(fā)射完畢了。

但是后來想想感覺光靠美國還是不太靠譜，于是17年時宣布打算再發(fā)射三顆衛(wèi)星，以保證哪天GPS信號用不了了，自己手頭還能有個備份。

印度人默默點(diǎn)了個贊。

說了這么多，終于到了我們自己的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。

從2000年發(fā)射的第一顆北斗衛(wèi)星開始到現(xiàn)在，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)一共走過三代，今年最后一顆組網(wǎng)衛(wèi)星發(fā)射完成，北斗全球星座的布局就算是完成了。

剛說到我們的北斗二號和三號是因為發(fā)現(xiàn)歐洲人不靠譜所以我們回來自己弄出來的，這里還有個小插曲，就是能夠給衛(wèi)星定位系統(tǒng)使用的頻段是有限的，好的頻段之前都被美國蘇聯(lián)占得差不多了，所以之前和伽利略合作的時候，和歐盟一起申請的是同一信號頻段。

但后來不是鬧掰了么，就這個信號頻段的問題跟歐盟也鬧了8年。

鬧歸鬧，集中力量干大事的咱們可是沒閑著，截止到2012年底我們的北斗二代已經(jīng)發(fā)射了16顆衛(wèi)星，并正式提供了亞太區(qū)的定位服務(wù)。相比之下歐盟的伽利略才發(fā)射了6顆衛(wèi)星。

歐洲人不得不服，也只好按照規(guī)矩跟咱們協(xié)商著來，最后中歐在2015年達(dá)成了頻率共用共識。

到了現(xiàn)在的北斗三代，無論是衛(wèi)星本身的硬件水平，還是定軌、運(yùn)控等方面都有了大幅提高，衛(wèi)星的服務(wù)范圍也從原來的區(qū)域性定位提高到了現(xiàn)在的全球服務(wù)水平。

總結(jié)

北斗是不是很強(qiáng)？

是，我們花了二十多年的時間就走完了其他國家四十多年的路。

從剛開始步履蹣跚，三年才發(fā)射了四顆衛(wèi)星，到后來技術(shù)大爆發(fā)，單單2018年就進(jìn)行了十次火箭發(fā)射任務(wù)，將總計十八顆衛(wèi)星放到了預(yù)定軌道，這也創(chuàng)下了全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)組網(wǎng)最快紀(jì)錄。

光是定位精度，北斗已經(jīng)和GPS不相上下了。

北斗三號系統(tǒng)中的導(dǎo)航衛(wèi)星單機(jī)和關(guān)鍵元器件，國產(chǎn)化率也已經(jīng)達(dá)到100%。

這一系列成功使得我們在國家安全層面不再受制于人，這也是為什么GPS已經(jīng)很好用了，我們還要自己下大功夫研究一套衛(wèi)星定位系統(tǒng)的原因。

當(dāng)然我們也要看到不足，在穩(wěn)定性、衛(wèi)星質(zhì)量和使用壽命上，我們和最新的GPS仍有差距。

特別是在GPS已經(jīng)有了非常成熟的、龐大的商用規(guī)模情況下，北斗較高的芯片成本讓我們短時間內(nèi)不容易打開市場局面。

當(dāng)然啦，我們既然能只花一半的時間就完成了別人寫了四十年的作業(yè)，大鵝相信這些困難的解決也只是時間的問題。

-完-