北斗三号今日收官，国家信息安全保障再升级

　　四顾回望，不知故土他乡；星辉万丈，无惧山海苍茫。6月23日上午，我国全球卫星导航系统北斗三号最后一颗卫星成功发射，标志北斗星座正式以“完全体”形态登上世界舞台。国家信息安全从此不再受制于人。

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　　作者 | 祁敏 北京航空航天大学

　　编辑 | 张昊

　　置身于灯影繁华的都市，当你感到迷茫，找不到前进的方向，是否也曾经……打开了你的定位导航？

　　……别笑，“迷失”是我们生活的常态。随着各类地图软件发展完善，导航已经作为必不可少的部分融入了我们的生活。

　　十多年前，人们印象中的导航系统只有美国的GPS。一部当时最新潮的手机，包装盒上标注的“GPS”三个字母足以让人感到颜面有光。如今，GPS一枝独秀的时代早已过去，四大导航系统的其他三个——格洛纳斯（GLONASS，俄罗斯）、伽利略（GALILEO，欧空局）和北斗（BeiDou，中国）相继部署。中国北斗更是成了国人之光。

　　今天上午9时43分，北斗三号收官之星成功发射，正式完成对全球的覆盖，为世界用户提供实时的定位、导航、授时服务。这比原计划提前了半年。

　　一路走来，北斗系统在十余年间完成高效组网，并增加诸多让“前辈”们侧目的绝技，未来，北斗系统也将以开放的姿态，与其他导航系统展开协作与竞争。

　　十余年发展，成就国人之光

　　古时候人们为了辨别方向，仰望北斗七星。如今，城市灯火掩盖了星光，但我们却将前方的路看得更清楚了。这一切都是全球卫星导航系统的功劳。

　　全球卫星导航系统（Global Navigation Satellite System）简称GNSS，是利用卫星进行自主地理定位的系统。它允许人们通过终端（手机、汽车等）接收高精度定位信号，并实时提供导航、测量和跟踪定位等服务，能告诉你自己在哪儿，旁边都有什么。

　　中国北斗系统自1994年开始部署，先后完成三代建设，包括为中国境内提供服务的北斗一号，为亚太地区提供服务的北斗二号，以及为全球提供服务的北斗三号。

　　北斗系统三代卫星对比，可以看到“从无到有”的过程 |作者自制

　　目前，北斗一号已经退役，北斗二号和三号仍在服役中，后续还会再发射几颗卫星作为补充。北斗二号和三号分属不同的系统，其中，北斗三号包括5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星，是真正意义上的全球卫星导航系统。除了自己特有的频段外，它还兼容北斗二号的信号，进而实现在区域导航定位方面的相互协同。

　　不依赖于其他国家的导航系统，意味着在卫星导航系统领域，我国信息安全得到了实质性保障。并且，卫星导航涉及众多工业门类，一个独立自主的导航系统平台，也为商业开发提供了更广阔的空间。

　　身怀绝技的后起之秀

　　作为导航系统中的后起之秀，与前辈相比，北斗系统实现了诸多新功能、新突破，这些先进、便利的服务，受到用户广泛好评。

　　● 短报文功能：知道我在哪，也能让你知道我在哪

　　北斗导航最具特色的服务，首推短报文（通信）功能。该功能可以让用户通过（手机等）终端，一次传送几十个汉字的短报文信，同时还能向周边千公里范围内播报自己的位置，极大减少信息传送所消耗的时间。

　　短报文是其他导航系统无法做到的绝活。其受益者之一就是渔民，通过短报，出海渔民可以在海上及时向家中报平安，也可以在上岸前就告知买家自己的收获，提前谈好价格，避免临时寻找买家而导致渔获变质。

　　有了短报文（通信）功能，海上作业诸事不愁 | pixabay

　　● “两客一危”与地基增强：以极高的精度管控车辆

　　“两客一危”是指这类需要严格管控的车辆：道路班线客运车、旅行包车、危险货物运输车。国家规定此类车辆必须安装电子定位装置，并将运行信息及时接入到全国联网联控系统中。

　　因为通用GPS系统的定位精度偏低，这类车辆以前还有逃脱监管的可能，但北斗系统的“地基增强”技术，将让“两客一危”在违反交规时有所忌惮。

　　“地基增强”是指将北斗的天基系统（空中设施）和地基系统（地面配套设施，如电线杆、固定建筑等）相结合，从而极大提高定位精度的技术。当前，北斗系统能够在定位对象的时速高达80公里时，将定位误差控制在2厘米，精度远高于GPS系统。

　　这意味着大货车再也不敢长期占用超车道了，因为车道宽度比2厘米大多了，违章行为将被非常清晰地界定出来。而GPS民用领域（开放服务）的定位精度在10米，根本无法区分车道。

　　2厘米定位精度，车道安排得明明白白 | imgur

　　使用该功能还可以进行驾照考试的检测，无需工作人员参与，即可知道考生的操作，车辆任何细微的位置变化都不会逃脱它的法眼。

　　而且，给孩子戴的定位手表也会更加精准，显示信息将不再是“在某地附近”,而是能精确到孩子站在哪块地板砖上。

　　其他诸如野生动物迁徙跟踪、精准农业、抢险救灾、工程辅助（桥梁、公路、隧道施工等），种种场景当然也不在话下。

　　● 形变监测：通过累积测量，检测毫厘变化

　　北斗还可以进行微小形变的监测，精度可达到动态检测厘米级，即检测一个动的物体，得到的尺寸和真实的尺寸偏差只有几厘米；静态检测达到毫米级，即检测一个静止的物体，得到的尺寸和真实的尺寸偏差仅几毫米，远高于GPS的测量精度。

　　这在一些和形变有关的场景，例如水利工程监测（如大桥变形、高楼歪斜）、灾害预警（如山体变形、大坝移位）中，都有重要作用。

　　而这样的高精准定位，都要归功于北斗采用的差分算法技术。这种算法通过将多次测量后的结果取平均，可有效减少误差。在北斗卫星定位中，假设一次定位的精度是10米,通过将成千上万次的定位数据进行合并处理，即可将结果精确到毫米以下。

　　中国三峡工程，毫厘形变，都逃不过卫星法眼 | pickyview

　　● 卫星的“微信群”：星间链路，摆脱地面站限制

　　“星间链路”是北斗三号全球组网卫星最突出的亮点之一，它的存在极大地提高了卫星独立运转的能力。通俗点说，星间链路就像是一个卫星的“微信群”，卫星们可以通过星载设备相互通讯，彼此实时共享位置，大家“口耳相传”，很快就能知道所有卫星与自己的相对位置。

　　该技术最大的优势是，不再依靠卫星地面站，就可以实现全天候全天时通讯。如果没有这个“群”，地面站就要像“领导”一样，一个一个地对单颗卫星发布指令。但有了“群”，大家就可以在群里相互讨论、彼此定位，不仅扩大了覆盖范围，还极大提高了效率，甚至可以脱离“领导”（不需要在全球遍布地面站），独自组网，成为地面网的备份。

　　目前，除北斗三号之外，美国的GPS和俄罗斯GLONASS都有星间链路系统，但欧洲的GALILEO则没有，这也使得其颓势尽显。

　　性能位列世界第二，北斗前景可期

　　眼下，全世界的卫星定位导航系统一共有四个，分别是美国的GPS、欧洲的GALILEO、俄罗斯的GLONASS和中国的北斗。

　　四大导航系统中，GPS发展最早，成熟度最高。它在上世纪五六十年代即开始研制（那时还不叫GPS），原本是为军事服务，之后逐渐演变、完善，在1991年的海湾战争中直接影响了战局，当时美军在战场上表现出的精确打击能力，令世界瞩目，这也成为我国发展北斗系统的契机。目前，GPS在轨卫星24颗，可为全球用户提供低成本、高质量的定位导航服务，商业应用开发最深入。

　　GLONASS在发展时间线上紧随GPS之后，并在上世纪90年代就实现了全球组网。但由于受到苏联解体及俄罗斯经济衰退等因素影响，一度没有足够资金进行卫星补网，最少时在轨卫星仅有六、七颗。所幸2010年前后，GLONASS逐渐恢复全球服务能力，由于具备一定先发优势，它的商用开发程度目前仍优于北斗。此外，由于采用了独特的编码体制，理论上来说，GLONASS系统的整体抗干扰性更强，发生紧急事态时有潜在的安全性优势。

　　GALILEO导航系统目前仍然在建设过程中，性能方面虽然民用精度表现良好，但系统稳定性和可靠性表现不佳。2017年，该系统18颗卫星72台原子钟中，高达9台出现故障，2019年更是出现长达117小时的服务中断，加剧了用户使用其服务的疑虑。

　　就目前而言，我国北斗系统的整体性能已经非常优秀，定位精度、可靠性和特色功能等方面都有不错的表现。其综合性能位列世界第二，仅次于GPS。

　　从维护国家地理情报安全的角度来说，与GPS不同，北斗不追求对全球进行高精度监测，我们的思路是确保自身安全，而非充当世界警察的角色。就亚太地区尤其是中国及周边地区而言，北斗的定位精度将超过GPS。

　　很多在亚太地区发布的手机，已经采用了北斗和GPS双系统定位。但对全球范围而言，北斗的性能还有很大的推广和成长空间。未来，北斗将秉持开放的理念，与其他导航系统展开竞争与协作。

　　穿山越水，天涯可期！

　　即便深处西北戈壁，北斗一样带你回家，来源：Freepik.com

　　注：手机导航系统不会标示现在使用的具体定位星座。苹果手机暂不支持北斗，安卓手机可下载北斗伴APP，查询自己手机使用的导航卫星。

　　小剧场

　　自力更生，抢占先机

　　——北斗系统与 GPS 和 GALILEO 的历史情仇

　　北斗全球卫星导航系统的建成，是一部“正宗风味”的扬眉吐气史。

　　我国发展北斗系统的契机，与1991年的海湾战争中GPS系统对战局的巨大影响密不可分。当时美军在战场上表现出的精确打击能力，让世人看到了卫星导航系统的重要性，自那时起，北斗一号的研制就被提上了日程。

　　而北斗与GALILEO的渊源就更深了。可以说，没有欧洲的处处针对和排挤，我国就不会建成现在的北斗。

　　北斗一号建成后，由于定位精度差而饱受诟病，于是我国生出与欧洲合作共建导航系统的意向。为此中国甘愿提供巨额资金，只为在系统建成时能有自己的一席之地。然而欧洲不但处处限制技术出口，甚至还拉上了日本、印度等国家，他们出钱少，待遇却一样不少，同时这两个国家还不时将中国作为自己的假想敌。

　　中国对此非常失望，毅然决定“单干”，推出了北斗二号卫星导航系统。之后又一路发展，推出了更先进北斗三号系统。

　　不仅如此，凭借强大的动员力和执行力，中国还提前发射卫星，于2018年4月17号，在资源频率失效前的24小时，让卫星向下发出信号，直接占用了GALILEO的轨道频率，让已经入轨的GALILEO第一颗卫星成为废铁。

　　现在，欧洲GALILEO计划问题频出，在定位精度和服务范围等方面，均被北斗无情地远抛身后。

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