智東西（公眾號：zhidxcom）
文 | 軒窗
近(jin)兩年，中國掀起(qi)了芯片熱(re)潮，新老企業紛紛打出名號(hao)，要為國家解決(jue)缺“芯”少魂的(de)(de)問題。然(ran)而，其實除了芯片，中國在很(hen)多領域(yu)由于起(qi)步較晚，曾(ceng)經(jing)在很(hen)長一段時(shi)間里處(chu)于別(bie)人(ren)卡(ka)脖子的(de)(de)狀態(tai)。
導(dao)航定位(wei)系(xi)(xi)統也一(yi)度(du)被美國的(de)(de)GPS系(xi)(xi)統壟(long)斷，尤其在民(min)(min)用領域。可以說，GPS的(de)(de)民(min)(min)用極大地(di)提升了(le)人們的(de)(de)生活(huo)品質，許多以往不方便的(de)(de)事情都變得更加(jia)容(rong)易，比如汽車和手(shou)機導(dao)航等，人們告別(bie)了(le)在紙(zhi)制地(di)圖上找路的(de)(de)歷史。GPS尤其對探(tan)險航海意義(yi)重大，成(cheng)為迷失在茫(mang)茫(mang)海洋中的(de)(de)船只的(de)(de)救命稻草。
GPS本(ben)質是一(yi)個軍用衛星導航系(xi)統，民用只是它的(de)(de)(de)一(yi)部(bu)分(fen)。試想一(yi)下(xia)，如(ru)果美國(guo)突然切斷GPS的(de)(de)(de)民用信(xin)號供(gong)應，中國(guo)的(de)(de)(de)所有設備(bei)的(de)(de)(de)定位功能(neng)將無法實現，已(yi)經習慣了現代通信(xin)便利(li)生活(huo)的(de)(de)(de)我們，將陷入到一(yi)片恐(kong)懼和無助(zhu)中。
早(zao)在上世紀(ji)，我國就(jiu)已經(jing)考(kao)慮到了這一問題，從上世紀(ji)70年代開始，就(jiu)在著手構建自己的衛星導航系(xi)統。進入20世紀(ji)后期，我國正式確立(li)了建立(li)北(bei)斗導航系(xi)統，并在2000年成(cheng)功發射了第一顆北(bei)斗衛星。
無論是從軍事(shi)還是民用角度(du)來講，北斗導航對我(wo)(wo)國(guo)技術發展都有著(zhu)重要意義，我(wo)(wo)國(guo)自主(zhu)建設、獨立運(yun)行的衛星導航系統，打破了(le)美國(guo)GPS系統壟斷的局面，增(zeng)強了(le)我(wo)(wo)國(guo)在國(guo)際(ji)衛星導航領域的話(hua)語(yu)權和主(zhu)動權。
不(bu)過，相(xiang)比于(yu)(yu)GPS，北(bei)斗(dou)(dou)導(dao)航(hang)現(xian)在正(zheng)(zheng)處于(yu)(yu)發展的(de)初期階段(duan)。在北(bei)斗(dou)(dou)導(dao)航(hang)系(xi)統(tong)(tong)建(jian)(jian)立(li)的(de)過程(cheng)中(zhong)(zhong)，中(zhong)(zhong)國也曾走了(le)一(yi)些彎路。從第一(yi)代(dai)北(bei)斗(dou)(dou)系(xi)統(tong)(tong)的(de)雙星(xing)(xing)結構(gou)，因為應用效果不(bu)佳被人詬病，到堅定信念(nian)自主建(jian)(jian)立(li)多星(xing)(xing)的(de)北(bei)斗(dou)(dou)導(dao)航(hang)二代(dai)，并(bing)在2018年(nian)年(nian)底正(zheng)(zheng)式實現(xian)了(le)全(quan)(quan)球RNSS服務，提前(qian)兩(liang)年(nian)開啟北(bei)斗(dou)(dou)“全(quan)(quan)球時代(dai)”，中(zhong)(zhong)國用了(le)20年(nian)時間終于(yu)(yu)擁有了(le)自己的(de)導(dao)航(hang)系(xi)統(tong)(tong)。
本文將(jiang)揭開北(bei)斗(dou)導航系統20年布局(ju)歷史，以(yi)及北(bei)斗(dou)導航系統目前(qian)在民用(yong)領域的(de)發(fa)展情(qing)況。
一、全球四大導航定位系統
衛(wei)星(xing)屬(shu)于空間探索(suo)領域。1957年10月4日，蘇聯(lian)發射了(le)全世(shi)界第一顆人造地球衛(wei)星(xing)，開(kai)創了(le)人類的空間世(shi)紀。
1978年，美國選擇了24顆衛(wei)星的中(zhong)軌道星座(zuo)，發射了第一顆GPS衛(wei)星。1994年GPS完成全球組網，全球覆蓋(gai)率高達98%。
GPS也分為(wei)軍(jun)用和民(min)用兩(liang)種定(ding)位模式，其(qi)中(zhong)民(min)用方式向全球開放。成熟的GPS系統已經(jing)發展了(le)30多年，商業規模化做得非常廉價、高效。
那么(me)我們為什么(me)還要花巨額資金建設自(zi)己的北斗系統呢(ni)？
▲美國GPS衛(wei)星(xing)導(dao)航系統星(xing)座(zuo)圖
GPS本質是(shi)一個軍(jun)(jun)用(yong)(yong)衛星導航系統，隸屬于美國空軍(jun)(jun)，常年保(bao)持(chi)32顆在(zai)軌工作。這個系統主要包(bao)含(han)軍(jun)(jun)用(yong)(yong)和民用(yong)(yong)兩種信號。軍(jun)(jun)用(yong)(yong)信號和民用(yong)(yong)單頻信號的最高定(ding)位(wei)精度(du)級(ji)別(bie)不在(zai)一個量級(ji)，前者是(shi)毫米(mi)級(ji)別(bie)（利用(yong)(yong)載波相位(wei)），后者是(shi)分米(mi)級(ji)別(bie)（美國取(qu)消(xiao)信號干擾后）。
此外(wai)，GPS還有(you)一個弊(bi)端就是(shi)單(dan)向通信體制，與廣播電視塔類似，30顆衛星(xing)只管不停地(di)(di)向地(di)(di)面發(fa)信號(hao)，具體是(shi)誰在接收并使用(yong)這些信號(hao)，衛星(xing)本身根本不知情。
GPS最(zui)大的(de)問題就在于，這是一軍用的(de)衛星導航系統。如(ru)果全球的(de)設備無論軍用還是民(min)用到將(jiang)有GPS提供(gong)(gong)信號，一旦有一天(tian)美(mei)國(guo)(guo)突(tu)然切斷(duan)GPS的(de)信號供(gong)(gong)應，其他國(guo)(guo)家的(de)所(suo)有設備的(de)定位功能將(jiang)無法實(shi)現，甚至危害著國(guo)(guo)土安全。
從上世紀70年(nian)代開始(shi)，中國(guo)就開始(shi)籌(chou)劃(hua)自己的(de)衛(wei)星(xing)(xing)系統(tong)。在七(qi)五(wu)規(gui)劃(hua)中提出了“新(xin)四星(xing)(xing)”計劃(hua)，隨后還曾提出過單星(xing)(xing)、雙(shuang)星(xing)(xing)、三星(xing)(xing)、三到五(wu)顆星(xing)(xing)的(de)區域性系統(tong)方案，以及多星(xing)(xing)全球系統(tong)設想。
20世紀后期，中(zhong)(zhong)國開始探(tan)索適合國情的衛星導航系(xi)(xi)統發展(zhan)道路，逐(zhu)步形成(cheng)了三步走發展(zhan)戰略：2000年年底，建成(cheng)北(bei)(bei)斗一號系(xi)(xi)統，向中(zhong)(zhong)國提(ti)供(gong)服(fu)(fu)務(wu)；2012年年底，建成(cheng)北(bei)(bei)斗二號系(xi)(xi)統，向亞太(tai)地區提(ti)供(gong)服(fu)(fu)務(wu)；計劃在2020年前后，建成(cheng)北(bei)(bei)斗全球系(xi)(xi)統，向全球提(ti)供(gong)服(fu)(fu)務(wu)。2035年前還(huan)將建設完善更(geng)加泛在、更(geng)加融合、更(geng)加智能(neng)的綜合時空(kong)體系(xi)(xi)。
▲俄(e)羅斯(si)GLONASS衛星(xing)導航系統星(xing)座圖
除了GPS和北斗系統外，目前比較完善的全球衛星導(dao)航系統（GNSS）還有(you)兩個：俄羅斯(si)格洛(luo)納斯(si)GLONASS，前蘇聯于1995年(nian)完成組網，2010年(nian)正(zheng)常運(yun)行；歐盟伽利(li)略GALILEO，歐盟于1999年(nian)初正(zheng)式(shi)推(tui)出(chu)伽利(li)略計(ji)劃，現已基本實(shi)現全球信號覆蓋。
▲歐盟(meng)伽(jia)利略GALILEO衛(wei)星導航系統星座(zuo)圖
在這四大衛星導航系統中，GPS、北(bei)斗以及GLONASS的(de)成熟度比較(jiao)高，在民(min)用領域，GPS更是占據著巨大的(de)市(shi)場份(fen)額。
二、北斗導航系統20年嘔心瀝血史
整個北斗衛星導航系統(tong)由空(kong)間段(duan)、地面段(duan)和(he)用戶段(duan)三(san)部分組成。
空間段包括5顆靜(jing)止軌(gui)(gui)(gui)道(dao)衛(wei)星和(he)30顆非靜(jing)止軌(gui)(gui)(gui)道(dao)衛(wei)星。地球(qiu)靜(jing)止軌(gui)(gui)(gui)道(dao)衛(wei)星分別位于東經58.75度、80度、110.5度、140度和(he)160度。非靜(jing)止軌(gui)(gui)(gui)道(dao)衛(wei)星由27顆中圓軌(gui)(gui)(gui)道(dao)衛(wei)星和(he)3顆傾(qing)斜(xie)同步軌(gui)(gui)(gui)道(dao)衛(wei)星組(zu)成。
上(shang)文我(wo)們說到，從(cong)上(shang)世(shi)紀70年代開始，我(wo)國就在不斷討論導(dao)航定位系(xi)統(tong)的構建方案(an)，到2018年北斗(dou)導(dao)航系(xi)統(tong)正(zheng)式實現全球服務(wu)，其間北斗(dou)導(dao)航系(xi)統(tong)的方案(an)也不是一下敲定的。
▲北斗衛星(xing)導航系統星(xing)座圖
在過(guo)去的(de)20年時間(jian)里，北斗導航一共(gong)出(chu)現了兩代(dai)，我(wo)們(men)今(jin)天所熟知的(de)北斗導航系統其實是第二(er)代(dai)。
第一(yi)顆(ke)北斗導航(hang)(hang)衛(wei)星(xing)發(fa)射于2000年(nian)10月31日。在20年(nian)時間(jian)內(nei)，北斗導航(hang)(hang)系(xi)統發(fa)生過兩次相(xiang)對(dui)集中的發(fa)射情(qing)況，2010年(nian)一(yi)年(nian)時間(jian)內(nei)發(fa)射了(le)五顆(ke)衛(wei)星(xing)。2018年(nian)一(yi)年(nian)之內(nei)發(fa)射了(le)10顆(ke)衛(wei)星(xing)，這也(ye)創下了(le)全球衛(wei)星(xing)導航(hang)(hang)系(xi)統組網(wang)最快(kuai)紀錄。
在此(ci)之前(qian)，世(shi)界四大衛星導航系(xi)統(tong)(tong)(tong)中，美國GPS系(xi)統(tong)(tong)(tong)最快紀錄為一年(nian)6星，蘇聯/俄羅斯(si)格洛納(na)斯(si)（GLONASS）系(xi)統(tong)(tong)(tong)為一年(nian)9星，歐洲伽利(li)略GALILEO系(xi)統(tong)(tong)(tong)為一年(nian)6星。
▲北斗衛(wei)星(xing)導航系統(tong)各衛(wei)星(xing)發射時(shi)間表(biao)
1、衛星導航探索的起步——北斗導航一代
80年代初期，以“兩彈一星(xing)(xing)”元(yuan)勛(xun)成芳允院士為首的專(zhuan)家團體提出了(le)雙星(xing)(xing)定位(wei)方案。這也是當時大家公認的最優(you)方案，但(dan)因(yin)經濟條(tiao)件等種種原因(yin)又擱置了(le)十年。
1991年對于中(zhong)國(guo)衛星導航建設來說是(shi)一個重大轉折點(dian)。在海(hai)灣戰爭中(zhong)，美國(guo)在作(zuo)戰中(zhong)應用(yong)GPS非常成功(gong)。這也將國(guo)人敲醒，被擱置十年的雙星定(ding)位方案于是(shi)馬上啟動。
可是(shi)，為什(shen)么我們不是(shi)建立像(xiang)GPS一(yi)樣的30多顆的衛星(xing)系統呢？
90年代初期，中國經濟情(qing)況(kuang)剛剛有所好(hao)轉。在衛星導航系統建(jian)設(she)上，中國的經驗(yan)也非常(chang)淺，處(chu)于嘗試和探索(suo)的初期，所以格(ge)外小心謹慎。
不過，在(zai)空間中定位最少需要三(san)個坐標，兩(liang)顆衛星是否夠用(yong)呢？
雙星定位(wei)方(fang)(fang)案中(zhong)有個高度儀，用戶(hu)需要自測高程，并(bing)將結果作為(wei)第三個坐標(biao)。這就像是在地球中(zhong)心裝了一(yi)個虛擬衛星，由此實現三星定位(wei)。同時(shi)，高度儀的價格也十分便(bian)宜，比發射三顆(ke)衛星方(fang)(fang)案更(geng)省錢。
美國的GPS采用的是中(zhong)軌道方案(an)。我國采用的是雙星(xing)方案(an)，由于軌道低(di)了覆蓋面就小，兩顆中(zhong)軌道衛(wei)星(xing)多數(shu)時間(jian)會(hui)在中(zhong)國上空以外的地方飛(fei)行(xing)，中(zhong)國大(da)陸(lu)的信號接收時間(jian)就會(hui)很短，所(suo)以我們的雙星(xing)方案(an)只能搞高軌道，而且還得是靜止的方案(an)，這樣才能讓其停在中(zhong)國大(da)陸(lu)的上空。
靜(jing)止(zhi)高軌道是雙(shuang)星定位的必須選擇，從技(ji)術上講這毫無疑問是正確的，但卻(que)埋(mai)下了性(xing)能不(bu)強的隱患，這也導致了北斗一(yi)代后來被詬(gou)病。
由(you)于中國(guo)的(de)這兩顆衛星是靜止軌道的(de)，這也屬于通(tong)(tong)信衛星軌道，所以(yi)北斗一代的(de)兩顆衛星可以(yi)與(yu)國(guo)際通(tong)(tong)信衛星一樣(yang)完成通(tong)(tong)信任務，于是既能定(ding)位(wei)又能通(tong)(tong)信成為(wei)了(le)北斗一代的(de)技術特點。
不(bu)過(guo)，美國的GPS等其(qi)它定位(wei)導航系統都是不(bu)支持(chi)通(tong)信功能的，不(bu)是技(ji)術(shu)上(shang)不(bu)先進，GPS的衛(wei)星(xing)系統各司其(qi)職，定位(wei)衛(wei)星(xing)和通(tong)信衛(wei)星(xing)兩套(tao)系統的性能都很優異。
雖然，北斗一(yi)(yi)代(dai)(dai)可以(yi)定(ding)(ding)位也可以(yi)通信(xin)，但畢竟定(ding)(ding)位才是(shi)北斗一(yi)(yi)代(dai)(dai)的主業。因(yin)此，北斗一(yi)(yi)代(dai)(dai)大(da)部(bu)分的信(xin)道資源(yuan)都必須(xu)讓給定(ding)(ding)位數據的傳送，留(liu)給通信(xin)的信(xin)道資源(yuan)很少，使(shi)其無法(fa)完成實時的話音通信(xin)，只(zhi)能(neng)完成短信(xin)功能(neng)。
此外，由于這兩(liang)顆星(xing)的軌道很高(gao)，導致了(le)地面(mian)被測物體(ti)與衛星(xing)的相對速度(du)很低，于是多普勒效應就(jiu)不明(ming)顯，其定位精度(du)自然遠遠比不過GPS。
不過，北斗一(yi)(yi)代(dai)(dai)已經達到(dao)了(le)設計指標，工程是非常成功的，畢(bi)竟就只有(you)兩(liang)顆星(xing)(xing)(xing)，不能和(he)幾十顆的海事通信(xin)衛星(xing)(xing)(xing)和(he)GPS衛星(xing)(xing)(xing)相比(bi)。所以，在相當長的一(yi)(yi)段時間(jian)里，北斗一(yi)(yi)代(dai)(dai)并沒有(you)激起多少浪(lang)花(hua)。
2、北斗導航二代
北斗一代的使(shi)用(yong)體驗(yan)不如人(ren)意，于是專家們思索著該如何辦?
經歷了和(he)歐洲伽利略的不圓滿的合(he)作，中國下定決心退出自己單干，開始發展北斗二代(dai)。
北斗二代計劃在2020年(nian)前發(fa)射(she)35顆(ke)衛星(xing)，形成全球性的定位導航(hang)系統，比GPS還多5顆(ke)。多出的這5顆(ke)是在赤道上空的靜止高軌道衛星(xing)，主(zhu)要是完成短信任務的，其它30顆(ke)跟美國GPS的30顆(ke)一樣，都是中(zhong)軌道的運動衛星(xing)。
北斗(dou)二代的(de)(de)規模與(yu)GPS相當，申請的(de)(de)軌道(dao)和頻率與(yu)歐洲伽利略比較一(yi)致，這就(jiu)不可避免地遇到了(le)衛(wei)星(xing)軌道(dao)和頻率爭奪的(de)(de)問題。
衛星軌道和空間頻(pin)率是人類共(gong)有的資(zi)源，那該如(ru)何(he)分(fen)配呢(ni)?國際規則是既(ji)不(bu)按(an)國家來分(fen)，也不(bu)按(an)人口來分(fen)，而是誰(shui)先(xian)占了算誰(shui)的。
2005年伽利略計(ji)劃的(de)第一顆衛星(xing)上天(tian)了(le)，但并(bing)沒(mei)(mei)有開(kai)通(tong)，只是占了(le)軌道但沒(mei)(mei)占頻率(lv)。原因則(ze)開(kai)通(tong)需要花錢(qian)，歐洲手頭有點緊。中國北斗二代的(de)第一顆星(xing)也隨后上天(tian)了(le)，并(bing)且當即開(kai)通(tong)了(le)，將軌道和(he)頻率(lv)都(dou)占上了(le)。
GPS和北斗的中(zhong)(zhong)軌道運動(dong)衛(wei)星都(dou)是(shi)(shi)30顆，它們各在太空上織就(jiu)了(le)一(yi)張網(wang)，GPS網(wang)眼(yan)最密處是(shi)(shi)在美國(guo)上空，北斗二代(dai)網(wang)眼(yan)最密處在中(zhong)(zhong)國(guo)上空，為(wei)本土提供服(fu)務是(shi)(shi)第一(yi)要(yao)務，這個道理(li)當(dang)然很好理(li)解。加拿大(da)和墨西(xi)哥當(dang)然會選擇GPS，而對于亞(ya)太國(guo)家來說(shuo)，北斗卻比GPS更有優(you)勢(shi)。
亞(ya)(ya)太國(guo)家(jia)也都認識到(dao)了(le)北斗(dou)(dou)的覆蓋優勢(shi)，中(zhong)國(guo)政府(fu)也積極推動北斗(dou)(dou)二代在亞(ya)(ya)太地(di)區的應用，于(yu)(yu)是泰國(guo)、馬來(lai)(lai)西(xi)亞(ya)(ya)、文萊、印度尼西(xi)亞(ya)(ya)、柬埔寨(zhai)、老(lao)撾等國(guo)家(jia)派出了(le)19名專家(jia)，于(yu)(yu)2014年7月來(lai)(lai)到(dao)中(zhong)國(guo)考察北斗(dou)(dou)二代，研究討論合作的事(shi)項。
三、北斗導航的設計思路
北斗衛(wei)星導航系統由空間段(duan)、地面段(duan)和用戶段(duan)三部(bu)分組成，可在全球范圍內(nei)全天(tian)候、全天(tian)時(shi)(shi)為各類用戶提(ti)供高精度、高可靠定位、導航、授(shou)(shou)時(shi)(shi)服務，并具短(duan)報(bao)文通信能力，已(yi)經初步具備、定位和授(shou)(shou)時(shi)(shi)能力，定位精度10米(mi)，測速(su)精度0.2米(mi)/秒，授(shou)(shou)時(shi)(shi)精度10納秒。
中(zhong)國(guo)北斗(dou)衛星(xing)(xing)導航(hang)系統(tong)是繼美國(guo)全(quan)球(qiu)定位系統(tong)、俄羅斯之后第三個成熟的衛星(xing)(xing)導航(hang)系統(tong)。北斗(dou)和美國(guo)GPS、俄羅斯GLONASS、歐(ou)盟GALILEO，是聯合國(guo)衛星(xing)(xing)導航(hang)委員會已(yi)認定的供(gong)應商。
在(zai)我國長期航(hang)天(tian)技術積(ji)累和(he)導航(hang)系(xi)統(tong)技術發展(zhan)的后發優勢(shi)下(xia)，我國采取了一(yi)套與其他(ta)任一(yi)導航(hang)系(xi)統(tong)都(dou)截然不同的思(si)路。
▲GPS星座（左(zuo)）和北斗(dou)星座（右）的對比（左(zuo)圖(tu)來源：Wikipedia）
1、三種軌道
目前另外三個全球衛(wei)(wei)(wei)星(xing)定位系統都采(cai)用距(ju)(ju)離地(di)面20000千(qian)米(mi)(mi)左右的中圓(yuan)(yuan)衛(wei)(wei)(wei)星(xing)軌道(dao)(dao)，而北斗是(shi)唯一采(cai)用三種軌道(dao)(dao)搭配的星(xing)座(zuo)：27顆(ke)衛(wei)(wei)(wei)星(xing)處(chu)在(zai)距(ju)(ju)離地(di)面21500千(qian)米(mi)(mi)的中圓(yuan)(yuan)軌道(dao)(dao)，分布在(zai)三個軌道(dao)(dao)面上(shang)，保持55度傾角；5顆(ke)衛(wei)(wei)(wei)星(xing)采(cai)取赤道(dao)(dao)上(shang)空35800千(qian)米(mi)(mi)高(gao)(gao)的地(di)球靜止軌道(dao)(dao)；3顆(ke)衛(wei)(wei)(wei)星(xing)處(chu)在(zai)地(di)球同步軌道(dao)(dao)（也(ye)接近(jin)35800千(qian)米(mi)(mi)高(gao)(gao)）、保持約55度傾角。
這樣帶來一定好處：衛(wei)(wei)星(xing)(xing)(xing)定位(wei)需(xu)要接(jie)收機收到至少4顆衛(wei)(wei)星(xing)(xing)(xing)信號。27顆中圓軌道衛(wei)(wei)星(xing)(xing)(xing)為(wei)主(zhu)力，圍繞地(di)(di)球一圈的軌道周(zhou)期約為(wei)12小(xiao)時，可以(yi)保(bao)持對(dui)(dui)全球范圍內任一點的穩定覆(fu)蓋，在任意時間、任意地(di)(di)點觀測(ce)到6顆星(xing)(xing)(xing)以(yi)上，符合常規衛(wei)(wei)星(xing)(xing)(xing)定位(wei)系統需(xu)求。55度(du)傾(qing)角的設計，也(ye)增加了對(dui)(dui)人口稠密的地(di)(di)球中低緯度(du)區(qu)域覆(fu)蓋。
北(bei)斗的地(di)球(qiu)靜止軌(gui)道(dao)和傾斜(xie)同步軌(gui)道(dao)則是為(wei)中國乃至亞太地(di)區特(te)殊定制而(er)來，在(zai)設計之初就(jiu)有亞太專屬服(fu)務。相比之下，GPS卻沒(mei)有這種優勢，日本為(wei)了提高GPS在(zai)日本的應用精度，發(fa)射了四顆傾斜(xie)同步軌(gui)道(dao)的準(zhun)天頂系統。
兩(liang)種高軌(gui)(gui)衛(wei)星的(de)軌(gui)(gui)道周期與地球自轉24小時周期完全(quan)同步，因(yin)而相(xiang)對而言5顆衛(wei)星靜止(zhi)在(zai)(zai)(zai)(zai)赤道上空，3顆衛(wei)星由于傾角(jiao)設(she)(she)置相(xiang)對地面做固定周期的(de)運動，投影軌(gui)(gui)跡始(shi)終留在(zai)(zai)(zai)(zai)亞太及沿赤道對稱(cheng)區(qu)(qu)域(yu)，抗遮擋能力強。因(yin)而在(zai)(zai)(zai)(zai)亞太地區(qu)(qu)可以幾乎永久保(bao)持至少(shao)12顆衛(wei)星可見，大幅提(ti)高該區(qu)(qu)域(yu)定位精度。在(zai)(zai)(zai)(zai)配合地面建(jian)設(she)(she)的(de)增強基站情況下，實(shi)現分米(mi)乃至厘米(mi)級定位亦(yi)很現實(shi)。
2. 三種工作頻率
電離層會影響(xiang)電磁波傳(chuan)播，是衛(wei)星(xing)導航定位(wei)的最(zui)大(da)誤差源，必須消除。電離層的干(gan)(gan)擾(rao)與衛(wei)星(xing)信(xin)號(hao)頻(pin)率(lv)相(xiang)關(guan)，因(yin)而采用至少雙頻(pin)信(xin)號(hao)可(ke)以構(gou)建電離層延遲修(xiu)正模(mo)型最(zui)大(da)限度去(qu)除這(zhe)部分干(gan)(gan)擾(rao)因(yin)素，對(dui)定位(wei)精度的提升非常顯著(zhu)，三(san)頻(pin)則可(ke)以構(gou)建更復雜模(mo)型消除高階(jie)影響(xiang)。
此(ci)外，在(zai)三個頻段上發射(she)也(ye)增加了不同信號(hao)（軍(jun)用、民用）的調(diao)制(zhi)選項，抗(kang)干擾能力得到提(ti)升，也(ye)提(ti)高(gao)定(ding)位可靠性，對于厘米級乃(nai)至毫米級定(ding)位中(zhong)最(zui)核(he)心的載波相位模糊度解算(suan)也(ye)大有益處。正因如此(ci)，近些年來原本雙頻信號(hao)的GPS系統也(ye)在(zai)擴展成三頻系統。可見，北斗的后發優勢不言而(er)喻(yu)。
3. 短報文系統
北斗還有一個獨門絕活：短報(bao)文系統(tong)，簡而言之(zhi)是通(tong)(tong)過衛(wei)星(xing)實現天(tian)地雙(shuang)向通(tong)(tong)信。其他三(san)大系統(tong)都不存在接收(shou)機和(he)衛(wei)星(xing)之(zhi)間的雙(shuang)向通(tong)(tong)訊，只是單(dan)向接收(shou)。
北(bei)斗(dou)這功能意(yi)味著衛(wei)星可以(yi)(yi)向(xiang)擁有此(ci)項授權服(fu)務(wu)的接收機發(fa)送專屬訊息，例如大(da)洋之上、深山老林等(deng)特殊情況并沒有任何手(shou)機信號，發(fa)生緊(jin)急情況時(shi)高(gao)軌北(bei)斗(dou)衛(wei)星可以(yi)(yi)及時(shi)與地(di)面互動。對于(yu)軍事行(xing)動的意(yi)義更(geng)是無法形容。
此外，部分北斗(dou)衛星還攜帶了國際(ji)Cospas-Sarsat衛星輔助搜索(suo)和應急救援計(ji)劃(hua)的有效載荷，在發(fa)生緊急情況時可(ke)以(yi)參與國際(ji)合(he)作的應急救災工作中。
4. 星間鏈路通信
導(dao)航(hang)衛星系(xi)統需要(yao)(yao)長(chang)期維持，這(zhe)意味著(zhu)需要(yao)(yao)地面監控站(zhan)(zhan)(zhan)、主控站(zhan)(zhan)(zhan)、注入站(zhan)(zhan)(zhan)等系(xi)列部分。對于全球性導(dao)航(hang)定位系(xi)統而言(yan)，這(zhe)些站(zhan)(zhan)(zhan)點位置分布也有要(yao)(yao)求，但這(zhe)會進一步增加系(xi)統運營成本。
例(li)如GPS就(jiu)擁有5個監控站(zhan)，1個主(zhu)控站(zhan)和3個注入站(zhan)，幾乎均勻分布在全球的美(mei)國領土/軍(jun)事基(ji)地(di)中，每年開(kai)銷不菲。
對于北斗(dou)而言(yan)，不僅有全球建站(zhan)安全性(xing)的問題(ti)，還有運營(ying)成本的問題(ti)，有必要最大限(xian)度(du)開發自(zi)身優勢：高中軌道搭配的衛(wei)星(xing)星(xing)座(zuo)，使它們之間可以互相聯(lian)絡，彼此不再孤立。
這(zhe)意味著北(bei)斗只需(xu)實現(xian)中國境(jing)內(nei)主(zhu)控、監(jian)控和注入，而高軌(gui)衛(wei)星(xing)(xing)“登(deng)高望(wang)遠”可(ke)以(yi)與系統內(nei)其(qi)他衛(wei)星(xing)(xing)進行星(xing)(xing)間(jian)鏈(lian)路(lu)鏈(lian)接。此外，星(xing)(xing)間(jian)鏈(lian)路(lu)本身也(ye)可(ke)以(yi)用來測(ce)距，對于提高星(xing)(xing)座軌(gui)道精(jing)度大(da)有裨益。系統內(nei)部的(de)自我通(tong)信也(ye)可(ke)以(yi)使得整體(ti)抗干擾能力大(da)大(da)增強。
2019年(nian)6月，中國正在(zai)(zai)建設的北(bei)斗(dou)衛星導航(hang)系統進展順(shun)利，計劃于2020年(nian)向全(quan)球(qiu)提供(gong)服(fu)務(wu)。北(bei)斗(dou)衛星正在(zai)(zai)布局全(quan)球(qiu)組網，到2020年(nian)就可以(yi)為世(shi)界各地的人們提供(gong)全(quan)球(qiu)定位、導航(hang)、授(shou)時、短(duan)報文等(deng)服(fu)務(wu)。
北斗的(de)首次(ci)成功應用是2008年5月12日的(de)汶川地震，甭看我(wo)們平時(shi)的(de)通信(xin)(xin)非常方便(bian)，電話、短信(xin)(xin)、互聯(lian)網等(deng)手段(duan)很(hen)多，但其(qi)實都(dou)是高度依(yi)賴光纖和基(ji)站的(de)，當這些(xie)基(ji)礎設施遭到大面積損壞時(shi)，你會發現QQ、微信(xin)(xin)、微博(bo)、短信(xin)(xin)…..所(suo)有平時(shi)很(hen)方便(bian)的(de)通信(xin)(xin)手段(duan)全(quan)都(dou)完蛋了(le)，除了(le)靠吼之(zhi)外簡直就沒有一點辦法。
那時(shi)(shi)候北(bei)斗(dou)還(huan)是一(yi)代系統，雖然因(yin)為性(xing)能指標比不過(guo)GPS和(he)海事衛(wei)星(xing)而被罵出了翔，但(dan)北(bei)斗(dou)一(yi)代在地(di)震時(shi)(shi)卻(que)發(fa)揮出了不受地(di)面影響的(de)優勢，它的(de)定位和(he)短信(xin)能力(li)(li)充(chong)分(fen)發(fa)揮了作用，成為了救援指揮部隊和(he)前線救援人(ren)員最(zui)得力(li)(li)的(de)通信(xin)助手，最(zui)大限度(du)地(di)保證了“72小時(shi)(shi)黃金搶救時(shi)(shi)間”的(de)有效利用，彰顯了北(bei)斗(dou)服務民生(sheng)的(de)技術優勢。
四、北斗導航的民用之路
GPS免費對全世界的民生來說(shuo)是個福利，但(dan)在軍事方面卻(que)是個挑戰。美國敵對國家的軍機戰艦上(shang)當然也可以(yi)安(an)裝，美國人也禁止不(bu)了，這對美國是不(bu)是一(yi)個威脅呢?
自主(zhu)建設(she)、獨(du)立運行的(de)衛星導航系統，是為全球(qiu)用(yong)戶提供全天候、全天時(shi)、高精度的(de)定位、導航和授時(shi)服務的(de)國家重(zhong)要空間(jian)基(ji)礎設(she)施。
無(wu)論是(shi)GPS，還是(shi)我國的北斗導航(hang)系統，都有所謂的軍碼和民(min)碼，簡單(dan)來理解的話，軍碼就是(shi)主(zhu)要應用(yong)與軍事，對(dui)軍方部門開放，其他人根本(ben)不可能(neng)進入，高度保密的部分。其實(shi)無(wu)論是(shi)GPS還是(shi)北斗，誕(dan)生之初的目的就是(shi)軍用(yong)。
民(min)碼(ma)就是開(kai)放(fang)給(gei)普通民(min)眾(zhong)日常導(dao)航使用的，那么好多(duo)人(ren)想知道軍碼(ma)和民(min)碼(ma)有什么區別(bie)，其實(shi)軍碼(ma)和民(min)碼(ma)最(zui)大(da)(da)的區別(bie)不在(zai)于精(jing)度上，雖然軍碼(ma)碼(ma)長確實(shi)要短（碼(ma)長越短測距精(jing)度越高），但衛(wei)星導(dao)航定位誤差(cha)(cha)的大(da)(da)頭兒(er)不在(zai)測距誤差(cha)(cha)上。
軍碼測距誤差再小(xiao)，也(ye)(ye)是(shi)分米量(liang)級，民碼再差也(ye)(ye)是(shi)一兩(liang)米的量(liang)級(不(bu)算(suan)多徑(jing)等其他外界干擾)。加上其他大(da)氣延時、星(xing)歷誤差、多徑(jing)等因(yin)素(su)，民碼和軍碼的定位誤差真的是(shi)相(xiang)差不(bu)大(da)！
軍(jun)碼和(he)民(min)碼最大的不同在(zai)于碼的周(zhou)期，民(min)碼的序(xu)列是已知的，而且(qie)很(hen)短，容(rong)易捕獲(huo)。而軍(jun)碼的周(zhou)期非常(chang)長，而且(qie)未知，只能通過特(te)殊的解密模塊才能捕獲(huo)到。因此，軍(jun)碼是安(an)全的！在(zai)特(te)殊時期可(ke)(ke)以(yi)把民(min)碼關(guan)閉，這樣只有安(an)裝解密模塊的設備才可(ke)(ke)以(yi)捕獲(huo)到軍(jun)碼，并通過軍(jun)碼進(jin)行定位。
其實(shi)GPS開(kai)放的只是民(min)碼，精(jing)度(du)比(bi)美國軍(jun)方使用的軍(jun)碼差了(le)十(shi)倍(bei)。設想(xiang)一(yi)下，如果(guo)(guo)GPS民(min)碼一(yi)停(ting)，我們(men)的指南針都不能用了(le)。如果(guo)(guo)GPS不停(ting)的話，但發個(ge)欺騙碼，這個(ge)后果(guo)(guo)也是不可想(xiang)象的。
所(suo)以(yi)說，處于軍事的安全考慮，擁(yong)有(you)自(zi)己(ji)的導航系(xi)統(tong)(tong)非(fei)常重(zhong)要(yao)。由于全球(qiu)定(ding)位導航系(xi)統(tong)(tong)工程浩(hao)大(da)，只(zhi)有(you)綜合國力強大(da)的國家才可(ke)以(yi)建(jian)造。
▲北斗(dou)導航系統示意圖
北斗(dou)衛(wei)(wei)星導航(hang)芯(xin)片、模塊、天線(xian)、板卡等基(ji)礎(chu)產品(pin)，是北斗(dou)系統應用(yong)的(de)基(ji)礎(chu)。通過衛(wei)(wei)星導航(hang)專項的(de)集智(zhi)攻關，我(wo)國實現了衛(wei)(wei)星導航(hang)基(ji)礎(chu)產品(pin)的(de)自主可控，形成了完整的(de)產業鏈，逐步應用(yong)到(dao)國民經濟和社會發展的(de)各個領(ling)域。
伴(ban)隨著互聯網、大(da)數據(ju)、云計算、物聯網等技術的(de)發(fa)展，北斗基礎產(chan)(chan)品(pin)的(de)嵌入式(shi)、融合性(xing)應用逐步加(jia)強，產(chan)(chan)生了顯著的(de)融合效益。
北斗導航的相關產品(pin)已廣泛(fan)應(ying)用(yong)于(yu)交通運輸、海(hai)洋漁業、水文(wen)監(jian)測、氣象(xiang)預報、測繪地理信息(xi)、森林防火、通信時統、電力調度、救災(zai)減災(zai)、應(ying)急搜救等領域。
五、北斗導航民用產業鏈發展情況
在民用方面(mian)，北斗系統主要有行業(ye)市場、大眾市場及特殊(shu)市場三大應用市場。
1）行業市場：主要包括交通運輸、電力應用及農業等行業，目前行業市場處于規模化應用發展期，未來增長速度有望加快；
目前，北斗導航(hang)的位置、導航(hang)及(ji)授時功能已經成功應(ying)用于(yu)車船(chuan)監管(guan)、電力、農(nong)業(ye)等市(shi)場(chang)(chang)。當前，很(hen)多北斗行業(ye)細分(fen)(fen)市(shi)場(chang)(chang)目前仍處(chu)于(yu)起步階段(duan)，主要成長(chang)動力來自國家(jia)政策及(ji)重點示范項目的推動，但隨(sui)著(zhu)交通運(yun)輸、精準農(nong)業(ye)、市(shi)政管(guan)理(li)、安全監測、電力等細分(fen)(fen)領域的穩定增長(chang)，更多市(shi)場(chang)(chang)機會將不斷(duan)涌現(xian)，市(shi)場(chang)(chang)未來潛力巨大。
目前我國已建(jian)成(cheng)全球(qiu)最大(da)的營運(yun)車(che)(che)輛(liang)動態(tai)監管系統，已有超過617萬(wan)(wan)輛(liang)道(dao)路營運(yun)車(che)(che)輛(liang)，3.56萬(wan)(wan)輛(liang)郵政(zheng)和快遞車(che)(che)輛(liang)，36個中(zhong)心城(cheng)市8萬(wan)(wan)輛(liang)公交(jiao)車(che)(che)，370艘交(jiao)通運(yun)輸(shu)公務(wu)船(chuan)舶、近6萬(wan)(wan)漁船(chuan)、3230座內河導(dao)航設(she)施，2960座海上(shang)導(dao)航設(she)施安裝使用或兼容北斗(dou)系統。
2）大眾市場：主要包括智能網聯汽車、智慧城市及可穿戴設備等市場，大眾市場處于標配化應用啟動期，未來增長潛力巨大；
在智(zhi)能(neng)(neng)網聯汽車(che)(che)行業，北(bei)斗系(xi)統(tong)主要(yao)應用于：自動(dong)駕駛(shi)、智(zhi)能(neng)(neng)座艙、車(che)(che)路協同等(deng)方(fang)面，北(bei)斗系(xi)統(tong)的(de)高(gao)精度定位是智(zhi)能(neng)(neng)網聯汽車(che)(che)感知的(de)關(guan)鍵基礎(chu)技術。
據(ju)《2018中國(guo)衛星(xing)導航與位置服務產業發展(zhan)白皮書》顯示，2017年(nian)我(wo)國(guo)北斗車(che)聯網的(de)市場滲透率(lv)為7.1%，北斗在未來(lai)無人駕(jia)駛預計將(jiang)達(da)到50%的(de)滲透率(lv)，若假設北斗車(che)聯網的(de)市場滲透率(lv)仍達(da)到7%，預計2021年(nian)我(wo)國(guo)北斗車(che)聯網產值將(jiang)超過100億(yi)元(yuan)。
與(yu)此同時(shi)，在智慧(hui)(hui)城市行(xing)業，北斗(dou)系統主要(yao)應用于智慧(hui)(hui)交(jiao)通、智慧(hui)(hui)養老、城鎮供熱、供水(shui)排水(shui)等方面，國家北斗(dou)服務(wu)網已經為全國超300座城市的各種行(xing)業應用提供北斗(dou)服務(wu)。
而在可穿戴市(shi)(shi)場方面，目前，小米、華為(wei)等市(shi)(shi)場主導企(qi)業的產品也已全面支(zhi)持北斗系統，并(bing)于2018年上(shang)市(shi)(shi)了中國(guo)首創的“北斗芯”智能腕式(shi)手機。2021年中國(guo)穿戴式(shi)設備(bei)產值有望超500億美元(yuan)。
3）特殊市場：主要包括公安、防災減災等市場，特殊市場處于維持穩定增長期，仍是北斗行業需求擴張的重要領域之一。
特殊市(shi)(shi)場涉及軍(jun)用(yong)、警用(yong)、防(fang)災減(jian)災、應急救援、公共安(an)全(quan)等，是國產替(ti)代最(zui)關(guan)鍵的領(ling)域(yu)，也是北(bei)斗應用(yong)最(zui)快、最(zui)穩定的市(shi)(shi)場之一。目前三級北(bei)斗公安(an)應用(yong)體系已建成，2020年北(bei)斗警務車載(zai)終端的配備率預計達100%。
目前，我國衛星導航(hang)與(yu)位(wei)置服務(wu)領(ling)域企(qi)事業單(dan)位(wei)數(shu)量(liang)保持在(zai)14000家(jia)左右，從業人(ren)員數(shu)量(liang)超過50萬。截至2018年底，業內相關上市公(gong)司（含新三板）總(zong)數(shu)為51家(jia)，上市公(gong)司涉及衛星導航(hang)與(yu)位(wei)置服務(wu)的相關產(chan)值約占全國總(zong)產(chan)值的10.74%。
空間段由由航天科(ke)技(ji)集團(tuan)(tuan)下(xia)屬單位主(zhu)抓(zhua)，地(di)面段的研制生(sheng)產(chan)以中電科(ke)集團(tuan)(tuan)等(deng)為主(zhu)導，用戶段的產(chan)品及系(xi)統市場化特征較為明(ming)顯(xian)，參與主(zhu)體眾(zhong)多，包括軍工集團(tuan)(tuan)下(xia)屬公(gong)司、地(di)方(fang)國企參軍公(gong)司及較多民參軍企業。
在用戶段方(fang)面，北斗(dou)系統(tong)(tong)產業鏈又包(bao)括(kuo)北斗(dou)兼容其他衛星導航系統(tong)(tong)的芯片、模塊(kuai)、天線等(deng)基(ji)礎產品，以(yi)及終端產品、應用系統(tong)(tong)與應用服務等(deng)。
用戶(hu)段又可以細分為(wei)上中下(xia)游產(chan)業：
1）上游基礎部件是產業自主可控的關鍵環節，基礎部件作為自主可控最關鍵的部分，主要由基帶芯片、射頻芯片、板卡、天線等構成；
2）中游主要包括終端集成和系統集成，是產業發展的重點；
3）下游的解決方案和運維(wei)服務提供眾多行業(ye)應用。
結語：北斗導航民用生態潛力巨大
對于我國而言，建設自主的衛星(xing)導航系統(tong)在國家(jia)安(an)全、經濟效益、技術儲備等(deng)方(fang)面(mian)有重要的戰略意義。
2018年年底“北(bei)斗(dou)三號”完成發射(she)35顆衛星(xing)，實(shi)現(xian)了全(quan)球(qiu)組網(wang)，北(bei)斗(dou)導(dao)航系統(tong)也實(shi)現(xian)了全(quan)球(qiu)覆蓋、向全(quan)球(qiu)提(ti)供(gong)服務。
此次，隨著“北(bei)斗(dou)三(san)號(hao)(hao)”中圓(yuan)地球(qiu)軌道(dao)衛星全(quan)部發射完畢(bi)，“北(bei)斗(dou)三(san)號(hao)(hao)”全(quan)球(qiu)系統(tong)核心星座(zuo)宣布部署完成(cheng)。未來(lai)上游(you)產(chan)品配(pei)套需求(qiu)及下游(you)場景應(ying)用領域將進一步(bu)得到拓(tuo)展(zhan)，北(bei)斗(dou)產(chan)業(ye)將迎來(lai)發展(zhan)新機遇。
