二十六载终组网，十问北斗你真行！
2020-06-29

　　2020年6月23日9时43分，北斗卫星导航系统第55颗卫星搭乘长征三号乙运载火箭从西昌卫星发射中心成功升空。自1994年开始预研的北斗卫星导航系统终于完成全部组网星座发射任务，正式建成！

　　图源：央视新闻、我们的太空

　　北斗卫星导航系统（以下用北斗指代），将中国人千百年来“寻路靠北斗七星”的经验变成现实，也在方方面面彻底改变了中国人的生活方式。本文将围绕关于北斗的十个经典问题，详细解读这个宏大工程的意义。

　　一、为什么有GPS还要做北斗？

　　美国的GPS起步于70年代，经过多年发展、尤其商业运作以后，已经走入人们日常生活中。但是，它的本质是军用卫星导航系统，隶属于美国空军，毫无疑问会时刻以本国利益为第一位。在实践中，卫星工程师不仅能在信号方面增加干扰、欺骗手段等，还能停掉某一地区的服务，芯片定价权和使用权限等也在他们手中。

　　例如，GPS开放民用服务后，普通用户只能使用定位精度更差且增加了选择可用性（干扰）的民用码定位服务。2000年5月2日，为打压俄罗斯GLONASS（格洛纳斯，俄罗斯军民两用卫星导航系统）的商业化空间，GPS系统选择主动去掉干扰参与竞争，定位精度瞬间提高10倍以上。但这也意味着，它可以随意恢复任何干扰、甚至彻底停止区域服务。这类事情在近些年印巴冲突、中东地区冲突中屡见不鲜。

　　当天06:00时GPS系统去除干扰后，定位精度大大提高（图源：schlaggo.de）

　　GPS目前几乎用在了美军任何一种需要定位的武器中，民用方面也占据着全世界千亿美元计的巨大市场。因而，无论是事关国家国防安全，还是导航应用市场的巨大商业利益，中国都必须拥有自己的卫星导航系统，这个领域不会存在真正意义的国际合作。

　　目前，只有美国、俄罗斯、中国、欧盟先后建立了全球卫星导航系统，日本、印度建有区域卫星导航系统，这几个国家/地区都把相应系统作为发展中的重中之重，意义可见一斑。

　　二、为什么北斗有三种轨道？

　　美国、俄罗斯和欧洲的星座只部署在距离地球约20000千米的中远地球轨道（MEO），以实现轨道周期（约12小时）与信号覆盖范围的最佳平衡。为达到全球任一点都能收到4颗卫星信号以实现定位授时的目标，至少需要24颗卫星保证服务质量。

　　日本和印度星座仅服务本国，选择了轨道周期与地球自转同步的轨道，距离地面35786千米，从地面观测相对稳定。其中，日本QZSS高度依赖美国GPS系统，使用至少3颗卫星运行在倾斜地球同步轨道（IGSO），保障日本高纬度地区和城市高楼林立环境下的使用。印度由于更加靠近赤道，在IGSO之外还使用了定位于赤道上空的静止/同步地球轨道（GEO）。

　　北斗卫星轨迹在地面投影：蓝色8字形轨迹为IGSO卫星，红色定点为GEO卫星，绿色为MEO卫星（未全部展示所有卫星，图源：doi.org/10.1038/srep04692）

　　而对于北斗而言，“小孩子才做选择，我全都要”！北斗兼具了MEO、GEO和IGSO三种轨道。MEO(倾角55度、高21500千米)，保证全球高精度定位。主要运行在亚太地区的GEO（倾角0度，高35786千米）和IGSO（倾角55度，高35786千米）则保证亚太和“一带一路”地区更高精度定位。

　　三、为什么北斗有一号、二号、三号？

　　卫星导航系统是一个庞大的工程，它是大型航天载荷发射技术、大型星座运营维护技术、高水平通用导航卫星平台研发技术、无线电远距离通讯技术、高精度星载原子钟技术等诸多高精尖技术的集大成者，门槛极高，其中任何一项都面临严苛的技术封锁。但困难从来都不是“造不如买”的借口，从1994年开始，中国航天人一步一个脚印，筚路蓝缕……攻坚克难啃硬骨头，把整个北斗建设过程分成了三步走策略，也就对应北斗一号、二号和三号。

　　北斗一号主要是试验系统。在2000-2007年间发射了4颗试验性质卫星，全在地球静止轨道，它以区域测试服务为主要目标，目前已全部退役，不算入正式星座。

　　北斗二号主要是区域导航系统。在2007-2019年间共计发射了20颗（包含备份星），8颗为GEO卫星、7颗为IGSO卫星