中國(guó)北鬥導航系統組網速度：1年射10箭18星
時(shí)間：2018年11月21日
随著(zhe)長(cháng)征三号乙火箭和遠征一号上面(miàn)級組合順利從西昌衛星發(fā)射中心升空，北鬥衛星導航系統第42、43顆衛星進(jìn)入組網階段。這(zhè)标志著(zhe)今年10次北鬥發(fā)射任務圓滿結束，其中8次爲一箭兩(liǎng)星任務，共計布置了18顆衛星進(jìn)入軌道(dào)，且所有發(fā)射任務均獲成(chéng)功。
今天的發(fā)射标志著(zhe)今年的北鬥建設大潮告一段落（圖源：中國(guó)航天科技集團）
按照北鬥35顆衛星的設計布局，今年無疑是北鬥建設史上最核心的一年，也創下了全球衛星導航系統組網最快紀錄。世界四大系統中，美國(guó)GPS系統最快紀錄爲一年6星，蘇聯/俄羅斯格洛納斯（GLONASS）系統爲一年9星，歐洲伽利略（Galileo）系統爲一年6星。
毫不誇張地講，北鬥今年的建設速度是空前的，随著(zhe)2019年繼續布網剩餘衛星、且前期衛星陸續度過(guò)調試期正式服役，北鬥將(jiāng)徹底點亮全球。
2018年11月16日北鬥衛星全球可見情況，目前亞太地區已經(jīng)逐步點亮，全球建網仍在進(jìn)展中（圖自：beidou.gov.cn）
一、 爲什麼(me)建設北鬥系統？
想必會(huì)有很多人問起(qǐ)這(zhè)個問題：成(chéng)熟的GPS系統已經(jīng)發(fā)展了30多年，商業規模化做得非常廉價、高效，爲什麼(me)還(hái)要花巨額資金建設自己的北鬥系統？
事(shì)實上，GPS本質是一個軍用衛星導航系統，隸屬于美國(guó)空軍，常年保持32顆在軌工作。這(zhè)個系統主要包含軍用碼和民用碼兩(liǎng)種(zhǒng)信号，顯而易見，軍碼和民碼的精度級别不在一個量級，前者是毫米級别，後(hòu)者是分米級别（還(hái)是美國(guó)取消信号幹擾後(hòu)）。
依賴GPS導航的戰斧式巡航導彈是“外科手術式打擊”的著名武器之一（圖自：Wikipedia）
GPS的出現，爲人類戰争史貢獻了一個新詞“外科手術式打擊”，該詞起(qǐ)源于1990年的海灣戰争，GPS精密制導武器嶄露頭角。最典型的例子是原本需要數十架轟炸機、投彈數百噸才能(néng)完成(chéng)的水壩轟炸任務，變成(chéng)僅需2枚導彈在數百公裡(lǐ)外突襲發(fā)射即可，甚至第二枚可以通過(guò)第一枚炸開(kāi)的大壩缺口鑽進(jìn)去。後(hòu)續戰争中，各種(zhǒng)精準打擊的例子比比皆是。目前，美軍除了子彈以外幾乎所有會(huì)動的武器、裝備、士兵都(dōu)攜帶了GPS定位模塊。
它對(duì)于民用的意義也極大。我們日常生活中用到的定位服務，包括但不限于地圖導航、共享單車/打車等，都(dōu)依賴GPS。大型電網、金融交易、電信通訊等都(dōu)需要星上原子鍾精密授時(shí)。科學(xué)領域，很多研究地球重力場、磁場、闆塊運動、大氣、海洋、冰川、自然災害的衛星，都(dōu)需要GPS系統幫助衛星精密定軌。大型基建工程，例如高鐵、大橋、機場建設，也需要GPS标定。新興技術中自動駕駛、精準農業亦是如此。
但GPS是不以你的利益爲第一位的，它是以美國(guó)利益爲第一位，無可厚非。早期，GPS系統在所有的民用信号上放了幹擾。後(hòu)來爲應對(duì)俄羅斯/蘇聯的格洛納斯系統挑戰，取消了這(zhè)個幹擾（2000年5月2日），然後(hòu)定位精度就(jiù)得到極大提高。
去除主動幹擾後(hòu)，GPS定位精度大大提高（圖自：schlaggo.de）
作爲運營者，停止GPS服務、增加幹擾、乃至提供虛假位置服務信息，都(dōu)具有可執行性，這(zhè)不僅對(duì)于民用，對(duì)于軍用更是緻命的。1999年印巴Kaigil戰争期間，美國(guó)直接關停了印巴戰區的所有GPS服務，導緻雙方依賴GPS的設備無法使用，給雙方造成(chéng)巨大損失。這(zhè)件事(shì)情之後(hòu)，印度徹底放棄了原本依賴GPS增強印度地區服務的衛星導航系統建設，決心自己做一套獨立的系統（現在僅有日本的QZSS/準天頂系統是依賴GPS）。
歐盟亦是如此想法，可是中國(guó)曾經(jīng)抛出橄榄枝後(hòu)并沒(méi)有所以然，核心技術對(duì)我們依然是封鎖的。那麼(me)問題來了，中國(guó)不依賴GPS、改成(chéng)依賴伽利略系統就(jiù)是好(hǎo)事(shì)情了？印度都(dōu)在搞自己家的系統，我們要不要自己搞一套？
于是過(guò)去20多年内，中國(guó)航天人筚路藍縷，以啓山林，從實驗階段開(kāi)始走，逐漸實現區域有源定位（2004）、區域無源定位（2012）和全球無源定位（2020），這(zhè)就(jiù)是北鬥一代、二代和三代，逐步掌握獨立自主的核心技術。現在是北鬥三代建設的核心期，大概將(jiāng)在2020年完成(chéng)全部建設。
二、 北鬥有哪幾個特點？
在我國(guó)長(cháng)期航天技術積累和導航系統技術發(fā)展的後(hòu)發(fā)優勢下，我國(guó)采取了一套與其他任一導航系統都(dōu)截然不同的思路。
1。 三種(zhǒng)軌道(dào)
目前另外三個全球衛星定位系統都(dōu)采用距離地面(miàn)20000千米左右的中圓衛星軌道(dào)，而北鬥是唯一采用三種(zhǒng)軌道(dào)搭配的星座：27顆衛星處在距離地面(miàn)21500千米的中圓軌道(dào)，分布在三個軌道(dào)面(miàn)上，保持55度傾角；5顆衛星采取赤道(dào)上空35800千米高的地球靜止軌道(dào)；3顆衛星處在地球同步軌道(dào)（也接近35800千米高）、保持約55度傾角。
GPS星座（左）和北鬥星座（右）的對(duì)比（左圖來源：Wikipedia）
這(zhè)樣(yàng)帶來一定好(hǎo)處：衛星定位需要接收機收到至少4顆衛星信号。27顆中圓軌道(dào)衛星爲主力，圍繞地球一圈的軌道(dào)周期約爲12小時(shí)，可以保持對(duì)全球範圍内任一點的穩定覆蓋，在任意時(shí)間、任意地點測到6顆星以上，符合常規衛星定位系統需求。55度傾角的設計，也增加了對(duì)人口稠密的地球中低緯度區域覆蓋。
北鬥的地球靜止軌道(dào)和傾斜同步軌道(dào)則是爲中國(guó)乃至亞太地區特殊定制而來。日本擁有四顆傾斜同步軌道(dào)的準天頂系統，用以提高GPS在日本的應用精度，我國(guó)相當于在設計之初就(jiù)有亞太專屬服務。兩(liǎng)種(zhǒng)高軌衛星的軌道(dào)周期與地球自轉24小時(shí)周期完全同步，因而相對(duì)而言5顆衛星靜止在赤道(dào)上空，3顆衛星由于傾角設置相對(duì)地面(miàn)做固定周期的運動，投影軌迹始終留在亞太及沿赤道(dào)對(duì)稱區域，抗遮擋能(néng)力強。因而在亞太地區可以幾乎永久保持至少12顆衛星可見，大幅提高該區域定位精度。在配合地面(miàn)建設的增強基站情況下，實現分米乃至厘米級定位亦很現實。
可以從衛星軌迹在地面(miàn)投影看出北鬥的亞太服務專屬：藍色8字形軌迹爲傾斜同步衛星，紅點爲地球靜止衛星，綠色爲服務全球的中圓軌道(dào)衛星（未全部展示）（圖自：參考文獻1）
其中，高軌衛星軌道(dào)發(fā)射和入軌要求比較高，目前隻能(néng)執行一箭一星任務。但對(duì)于中圓軌道(dào)衛星而言，随著(zhe)我國(guó)遠征系列火箭上面(miàn)級的逐漸成(chéng)熟，相當于有了衛星載荷送入太空後(hòu)的可多次點火啓動“太空擺渡車”，能(néng)夠實現一箭雙星，大大提高了效率。因而，今年中8次任務成(chéng)功部署了16顆中圓軌道(dào)衛星，2次任務完成(chéng)2顆高軌衛星，能(néng)夠搭載遠征一号的長(cháng)三乙火箭也成(chéng)爲了“金牌火箭”。
北鬥一箭雙星的功臣：長(cháng)征三号乙火箭（左）和遠征一号上面(miàn)級（右）（圖源見水印）
2。 三種(zhǒng)工作頻率
電離層會(huì)影響電磁波傳播，是衛星導航定位的最大誤差源，必須消除。電離層的幹擾與衛星信号頻率相關，因而采用至少雙頻信号可以構建電離層延遲修正模型最大限度去除這(zhè)部分幹擾因素，對(duì)定位精度的提升非常顯著，三頻則可以構建更複雜模型消除高階影響。
此外，在三個頻段上發(fā)射也增加了不同信号（軍用、民用）的調制選項，抗幹擾能(néng)力得到提升，也提高定位可靠性，對(duì)于厘米級乃至毫米級定位中最核心的載波相位模糊度解算也大有益處。正因如此，近些年來原本雙頻信号的GPS系統也在擴展成(chéng)三頻系統。可見，北鬥的後(hòu)發(fā)優勢不言而喻。
3。 短報文系統
北鬥還(hái)有一個獨門絕活：短報文系統，簡而言之是通過(guò)衛星實現天地雙向(xiàng)通信。其他三大系統都(dōu)不存在接收機和衛星之間的雙向(xiàng)通訊，隻是單向(xiàng)接收。北鬥這(zhè)功能(néng)意味著(zhe)衛星可以向(xiàng)擁有此項授權服務的接收機發(fā)送專屬訊息，例如大洋之上、深山老林等特殊情況并沒(méi)有任何手機信号，發(fā)生緊急情況時(shí)高軌北鬥衛星可以及時(shí)與地面(miàn)互動。對(duì)于軍事(shì)行動的意義更是無法形容。
此外，部分北鬥衛星還(hái)攜帶了國(guó)際Cospas-Sarsat衛星輔助搜索和應急救援計劃的有效載荷，在發(fā)生緊急情況時(shí)可以參與國(guó)際合作的應急救災工作中。
4。 星間鏈路通信
導航衛星系統需要長(cháng)期維持，這(zhè)意味著(zhe)需要地面(miàn)監控站、主控站、注入站等系列部分。對(duì)于全球性導航定位系統而言，這(zhè)些站點位置分布也有要求，但這(zhè)會(huì)進(jìn)一步增加系統運營成(chéng)本。例如GPS就(jiù)擁有5個監控站，1個主控站和3個注入站，幾乎均勻分布在全球的美國(guó)領土/軍事(shì)基地中，每年開(kāi)銷不菲。
對(duì)于北鬥而言，不僅有全球建站安全性的問題，還(hái)有運營成(chéng)本的問題，有必要最大限度開(kāi)發(fā)自身優勢：高中軌道(dào)搭配的衛星星座，使它們之間可以互相聯絡，彼此不再孤立。這(zhè)意味著(zhe)北鬥隻需實現中國(guó)境内主控、監控和注入，而高軌衛星“登高望遠”可以與系統内其他衛星進(jìn)行星間鏈路鏈接。此外，星間鏈路本身也可以用來測距，對(duì)于提高星座軌道(dào)精度大有裨益。系統内部的自我通信也可以使得整體抗幹擾能(néng)力大大增強。
三、 北鬥到底能(néng)服務多少用戶？
對(duì)于需要天地通信的短報文服務而言，數量取決于衛星容量，這(zhè)個數字目前尚不确定，但肯定會(huì)逐漸提升滿足用戶需求。實際上需要此功能(néng)的用戶極其有限，對(duì)于絕大部分僅需知道(dào)自身位置信息的用戶而言，北鬥衛星定位的理論使用數量上限就(jiù)是：沒(méi)有數量上限，無數個。
因爲北鬥三代基本功能(néng)是一種(zhǒng)無源定位系統，每一顆導航衛星的本質就(jiù)是告訴你這(zhè)麼(me)一個事(shì)情：現在幾點了（時(shí)間t0），我在哪裡(lǐ)（x0，y0，z0）。
用戶隻需接收到四顆衛星信号，即可精确确定自身位置和時(shí)間（圖自：參考文獻2）
當你（接收機）收到信号時(shí)，可以比對(duì)得到接收機上時(shí)間與接收到的衛星信息顯示時(shí)間之間差距，這(zhè)個差距乘以光速就(jiù)是你和衛星之間的距離（還(hái)有一個方法是數中間隔了多少個信号波長(cháng)）。衛星由于有專門的科學(xué)家維持，它的位置極其精确，在1厘米級别；它的鍾是原子鍾，幾千萬年才可能(néng)錯1秒，它的所有信息可以認爲無誤差。
那麼(me)你隻需要解出四個參數：在地球上的三維坐标x，y，z和鍾差（畢竟用戶的石英鍾不可能(néng)和原子鍾精度相比，需要把它的誤差做一個未知數解出來）。觀測到四個衛星，就(jiù)可以構建四個方程，解出四個未知數。北鬥建成(chéng)後(hòu)在亞太地區則完全可以保證到12顆以上，數量越多，精度越高。
所以，對(duì)衛星而言，永遠隻做一件事(shì)情：往地面(miàn)發(fā)信号，一直在說我在哪兒，幾點了，衛星不需要做任何輔助你的計算。用戶隻要能(néng)收到信号進(jìn)行解算即可，與這(zhè)些衛星沒(méi)有任何交流，也不消耗它們任何一絲能(néng)量，因而理論上無限用戶量。
四、 什麼(me)時(shí)候能(néng)建好(hǎo)？
目前，在最早期的4顆實驗性質衛星之外，自2007年起(qǐ)北鬥系統已經(jīng)布網了43顆衛星，其中有一些已經(jīng)失效退役，保持運行狀态的有約20顆，同時(shí)今年發(fā)射的絕大部分衛星依然處在調試狀态，需要到2019年才能(néng)投入使用。
經(jīng)過(guò)一年的快速建設，北鬥三代的中圓軌道(dào)衛星已經(jīng)布置大半，今天發(fā)射的兩(liǎng)顆是北鬥三代中圓軌道(dào)第18、19星，地球靜止軌道(dào)衛星已經(jīng)布置一顆。在2019-2020年，我國(guó)還(hái)將(jiāng)發(fā)射3顆靜止軌道(dào)衛星、3顆傾斜同步軌道(dào)衛星和6顆中圓軌道(dào)衛星，屆時(shí)完整的北鬥將(jiāng)會(huì)建設完畢。對(duì)于全球民用定位而言，可以實現不亞于GPS的定位精度，而在亞太地區由于高軌衛星的存在定位精度將(jiāng)會(huì)更高。
五、 面(miàn)對(duì)的挑戰是什麼(me)？
實事(shì)求是講，北鬥雖然具有後(hòu)發(fā)優勢，但并不意味著(zhe)能(néng)夠短期實現後(hòu)發(fā)制人。衛星導航系統一經(jīng)建成(chéng)便需要長(cháng)期維持、持續投資，最有效的方式便是軍民融合、從民用市場盈利。經(jīng)過(guò)幾十年的布局和規模化應用，GPS在民用市場領先優勢明顯，依然處在絕對(duì)領先定位。越大規模服務價格就(jiù)會(huì)越低，總收入卻由于規模效應增加，進(jìn)一步促進(jìn)建一個更好(hǎo)的系統，進(jìn)一步壟斷。這(zhè)也是原本軍用的GPS系統之所以長(cháng)盛不衰、甚至依然在快速叠代進(jìn)步的根本因素。
衛星導航設備和附加設備産值估計（圖自：參考文獻3）
按照歐洲全球定位研究中心的估計，2025年左右世界範圍内的衛星導航定位設備需求量將(jiāng)超過(guò)92億部，而年産值甚至超過(guò)2680億歐元，這(zhè)是個海量的市場，其中亞太市場的增長(cháng)速度傲視全球，年增速可以達到40%以上，遠超歐美的10-20%左右。
對(duì)北鬥而言，現在是一個最黃金的發(fā)展時(shí)期，但它最大的競争對(duì)手依然是GPS系統。與此同時(shí)，面(miàn)對(duì)俄羅斯格洛納斯系統的重新複蘇和也在快速組網的歐洲伽利略系統，北鬥隻能(néng)做到更快。把今年比做是四大導航系統的決戰之年并不爲過(guò)，中國(guó)和亞太有海量的市場，快速占據這(zhè)個民用市場才是導緻系統能(néng)夠長(cháng)期健康發(fā)展的最核心挑戰。