[科普中国]-乘风破浪的“北斗”

世间万物都在时间和空间中永恒交替，“导航”是在时间维度上的空间延展行为，它的产生引出了一个哲学问题“我从哪里来？将要到哪去？”我们都在时间和空间中变化，对于导航，从GPS开始就是我们最熟悉存在，而今天，一个即将步入而立之年的北斗，乘风破浪而来。

2020年6月23日，北斗最后一颗组网卫星的成功发射，这是北斗的一个“成人礼”。北斗在时光的洗练，时代的铿锵中不断更新对世界、对时空提问的能力。我们从时间和空间里辨认自己，我们关心美好，关心热爱，更关心日新月异的未来。北斗努力与翻越，不妥与坚信，一切过往皆为序章，直挂云帆，乘风破浪。为了庆祝北斗的成人礼，让我们先从头了解北斗的“成长史”。

北斗“三步走”

北斗卫星导航系统（BDS）是中国自主建设、独立运行的卫星导航系统，是为全球用户提供全天候、全天时、高精度的定位、导航和授时服务的国家重要空间基础设施。北斗的建设实施“三步走”发展战略：

1、2000年年底，建成北斗一号系统，向中国提供服务；

2、2012年年底，建成北斗二号系统，向亚太地区提供服务；

3、2020年，建成北斗全球系统，向全球提供服务。

“北一”筚路蓝缕

北斗一号是北斗卫星导航试验系统，于1994年启动建设。2000年发射2颗地球静止轨道卫星，建成系统并投入使用。北斗一号采用有源定位体制，为中国用户提供定位、授时、广域差分和短报文通信服务。2003年发射第三颗地球静止轨道卫星，进一步增强系统性能。

北斗一号属于典型的RDSS（卫星无线电定位系统-radio determination satel-lite system）体制，即基于用户应答定位原理来获得定位与位置报告，同时还提供短报文通信服务。此外，基于前方交会原理，已知卫星位置，通过时差测距，利用地面高程还可以求出未知点位置。但是北斗一号存在用户容量有限、不适用于高速物体定位、容易暴露用户目标等问题。

图片来源：作者自制

“北二”厚积薄发

北斗二号是多星区域无源导航系统，2004年启动北斗二号系统工程建设，2012年底完成14颗卫星（5GEO、5IGSO、4MEO）发射组网。北斗二号系统在兼容北斗一号技术体制基础上，增加无源定位体制，为亚太地用户提供定位、测速、授时、广域差分和短报文通信服务。可与GPS兼容，定位精度与GPS相当。

图片来源：作者自制

“北三”乘风破浪

2009年北斗启动全球系统建设，并于2018年面向“一带一路”沿线及周边国家提供基本服务。2020年将完成35颗卫星发射组网，为全球用户提供服务。

2015年3月，为了进行新技术验证，发射了首颗新一代北斗导航卫星，标志着北斗卫星导航系统由区域运行向全球拓展的启动实施。该卫星属于倾斜同步轨道卫星，由中国科学院研制，主要瞄准北斗系统全球组网需求，承担新型导航信号体制、星间链路等新技术试验验证任务。

2015-2016年，完成了5颗北斗三号卫星试验验证，全面突破系统核心关键技术并完成地面验证，卫星状态基本固化。2017年11月5日，以“一箭双星”方式成功发射北斗三号第一、二颗组网卫星，正式开启了北斗卫星导航系统全球组网的新时代。2020年6月16日最后一颗组网卫星成功发射收官。

北斗三号是北斗系统从区域走向全球的决定性阶段，采用更高性能的铷原子钟和氢原子钟，铷原子钟天稳定度为E-14量级，氢原子钟天稳定度为E-15量级。通过采用新的技术，北斗的性能得到大幅提升，空间信号精度（SIS）优于0.5m。北斗三号提供RNSS无源服务+RDSS有源服务，支持星间链路自主运行，同时北斗三号保留了北斗二号短报文功能，且与GPS兼容互操作。北斗三号在服务区内免费提供定位、测速和授时服务，可以向授权用户提供更安全、精度更高的定位、测速、授时和通信服务以及系统完好性信息。下面，让我们来更详细地了解北斗三号的新特性。

C位北斗（图片来源：作者自制）

1.混合星座

北斗系统空间段采用三种轨道卫星组成的混合星座，由若干地球静止轨道卫星（GEO）、倾斜地球同步轨道卫星（IGSO）和中圆地球轨道卫星（MEO）三种轨道卫星组成混合导航星座。包括5颗地球静止轨道卫星、3颗地球同步倾斜轨道卫星，27颗地球中轨道卫星。

与其他卫星导航系统相比，北斗系统的高轨卫星更多，抗遮挡能力强，尤其在低纬度地区，性能特点更为明显。混合星座为我国及周边地区提供更多地可见卫星数目，更长的连续观测时间和更高精度的差分导航服务。

2.多频服务

北斗系统提供多个频点的导航信号，能够通过多频信号组合使用等方式提高服务精度。

3.功能扩展

北斗系统创新融合了导航与通信能力，具备五大功能：实时导航、快速定位、精确授时、位置报告、短报文通信。短报文服务与微博类似，每条可发120字。

4.地基增强

北斗地基增强系统是北斗系统服务体系的重要组成部分，建成以北斗为主兼容其他系统的高精度位置服务系统。由基准站网络（含框架网基准站和加密网基准站）、通信网络、数据处理系统、运营服务平台、数据播发系统和用户终端组成。

图片来源：作者自制

基准站接收卫星导航信号后，通过数据处理解算形成导航卫星精密轨道和钟差等差分增强信号，经卫星、广播、移动通信等手段实时播发给应用终端，应用终端利用差分增强信息修正误差，实现米、分米、厘米级以及后处理毫米级服务。

卫星导航系统是全球性公共资源，秉持和践行“中国的北斗，世界的北斗”的发展理念，服务全世界人民。乘风破浪站C位，北斗导航要学会！