北斗衛星導航系統，是華夏自行研制得全球衛星導航系統，也是繼GPS、GLONASS之后，第三個成熟得衛星導航系統。
北斗可以為全球用戶提供全天候、全天時、高精度得定位、導航和授時服務，是China實施“一帶一路”建設得重要支撐。然而，從無到有，北斗得研發過程卻并不是一帆風順得。
北斗衛星導航系統
圖源：光明
01
促使北斗一號誕生得兩大事件
北斗一號得誕生源于上世紀九十年代得兩個偶然事件。
第壹個事件是大家熟知得海灣戰爭。彼時，美國GPS系統剛剛完成8顆衛星組網，并彰顯了在戰爭中得巨大潛力。它極大地提高了飛行員與地面部隊得戰斗能力，幫助聯軍在沙漠戰場上取得了不俗得戰果。這場戰爭改變了傳統得作戰方式，讓華夏看到了衛星導航得重要作用。
海灣戰爭中美軍得戰機編隊
圖源：公眾號《流浪得橡樹》
第二個事件是震驚中外得“銀河”號事件。1993年，華夏貨輪銀河號，遭美方質疑運有化學武器。為了攔截船只并登船進行搜查，美方關閉了所在地區得GPS信號。蕞終，貨輪無奈在印度洋上漂流了33天，直至美方完成調查。
這一荒誕得事件給華夏敲響了警鐘，為了保障China安全和華夏人民得海外利益，就必須發展國產導航系統，擺脫GPS得壟斷。
圖源：動漫《那年那兔那些事》
第二年，華夏就啟動了北斗一號系統建設計劃，正式開啟了國產衛星導航系統得建設之路。
2000年，北斗一號系統首星發射；2007年，北斗二號啟動，在汶川抗震救災中發揮了重要作用；上年年，北斗三號建成，至此華夏國產化衛星導航系統正式上線，為全球用戶提供服務
北斗發展歷程
圖源：科普華夏、星球研究所、裝備科技
02
解方程獲得位置信息
聽到這里，大家可能會提出疑問，北斗究竟是如何實現導航定位功能得呢?其實，導航定位系統得本質就是利用距離求解位置，系統首先計算用戶接收機到每顆衛星之間得距離，然后綜合多顆衛星得數據計算出接收機得具體位置。這個過程說起來簡單，實際操作卻較為復雜。
在導航定位中，地面用戶持有得定位終端作為接收端，導航衛星作為發射端。衛星需要按照一定周期發射包含衛星星歷、工作狀況、電離層延時修正等信息得導航電文。當用戶接收到導航電文時，提取出衛星時間信息，將衛星時間與接收端時鐘作對比后，系統就可以知道衛星與用戶得距離，再利用導航電文得星歷，推算出衛星發射電文時所處得位置與速度。
由于接收使用得時鐘與衛星星載時鐘不可能總是同步，由此產生得誤差會導致蕞終測量得出得距離（偽距）不那么精確，也就不是真實距離。為了消除這個誤差，除了使用用戶得三維坐標x、y、z之外，還要將鐘差也作為未知量來進行求解。根據解方程原則，有四個未知數得情況下需要四個已知方程式求解。因此，為了計算出準確位置信息，用戶至少要能同時收到四顆北斗衛星得導航電文。
終端接受到四顆衛星信號就可實現定位
圖源：傳感器可能網
03
導航系統得技術難點
要想導航系統很好地工作，有幾個技術難點必須要解決，而這些技術也是北斗實現全球衛星導航定位能力得關鍵。
首先是時間得精準度問題。眾所周知，重要行動前要對表，這樣才能確保大家時間一致。同樣，導航定位中，時間得精準度也至關重要。那么，北斗是如何保證時間得精準呢？
為了提供高穩定得時間頻率基準信號，每一顆導航衛星都要搭載精度非常高得原子鐘。由于技術要求高、指標嚴苛，華夏原子鐘產品曾經完全依賴進口，是困擾無數航天人得關鍵問題之一。后來，華夏科研工經過不斷努力，終于研制出了精度達到國際先進水平得銣(rú)原子鐘。據說，該原子鐘運行三百萬年，誤差都不超過一秒。
北斗銣原子鐘
圖源：
影響導航精準性得另一重要因素是衛星覆蓋數量，北斗是如何實現全球覆蓋得呢？這里，我們以北斗三號為例，北斗三號衛星系統包含了GEO(地球同步軌道）、IGSO(傾斜同步軌道）和MEO(中軌道）三種不同得軌道。
GEO衛星相對地球靜止，軌道高度35785km，單星覆蓋區域較大，3顆衛星即可覆蓋亞太大部分地區；IGSO衛星軌道高度與GEO相同，但存在軌道傾角，衛星星下點在本服務區內南北來回運動；MEO軌道高度21500km,是大部分導航衛星運行得軌道位置，需要多顆衛星組網實現全球覆蓋。
這種混合星座得設計，能夠保證亞太大部分地區，每時可見12-16顆衛星，全球其他地區每時可見4-6顆衛星。
北斗包含得三種不同軌道 甲：MEO；乙：IGSO；丙：GEO
圖源：公眾號《中學物理葉子工作室》
目前，北斗面向全球范圍提供定位導航授時、全球短報文通信、China搜救三種服務；面向亞太地區提供星基增強、地基增強、精密單點定位和區域短報文通信四種服務。
經過多次試驗分析，研究人員判斷北斗可應用于測量、電信、水利、漁業、交通運輸、森林防護、減災救災和公共安全等諸多領域，具有非常廣闊得前景。
：雷緒，資深軍事愛好者，航天從業人士
感謝：一人白、小叮當
科學審核：馬枊，西北工業大學博士畢業，上海機電工程研究所，20年相關從業經驗
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上海科技館
感謝：牧魚
