中奇 万铎 黄阳 发自 凹非寺

鹅板凳 | 民众号 ebandeng

履历了一番荆棘，本周我国北斗卫星导航系统终于乐成发射了最后一颗组网卫星，中国终于用上了自己的全球导航系统。

作为中国迄今规模最大、笼罩最广、性能最强也是最重大的巨型航天系统，北斗导航和其他国家的全球卫星导航系统有什么区别？我们又是若何通过卫星实现导航和定位的？

 

今天大鹅就和人人一起聊聊这些问题。

我们若何在舆图上定位？

 

卫星定位早就不新鲜了，打开手机舆图查看自己的方位已经是人人天天的一样平常。极端情况下，甚至不联网也能委曲定位一下。

 

但你想过这一切是怎么实现的么？

 

你一定会说了：“这还不简朴？我向卫星定位系统发个查询请求，系统再返回一个坐标，完事儿。”

 

但要真按这个方式，全世界那么多人挨个找卫星查位置，卫星可不得累死？

 

以是现实上，卫星是通过向地面发送广播，然后手机再吸收来实现的。

 

先举个简朴的例子。

 

若是你穿越回了第二次工业革命前，也就是没有电子产品的时代，这时刻你身上只有一张纸质舆图，但并不知道自己在哪。

 

于是你最先询问身边的人，第一小我私家不是内陆人、也不知道这是那里，但他是从七侠镇溜达着过来的，走了大概有40里地。

 

那么你的位置，一定在以七侠镇为圆心，40里地为半径的圆上对吧？

 

 

但这样的地址太多了，你照样不知道自己在哪，于是你问了第二小我私家。他也不是内陆的、也不知道这是哪，但他是从十八里铺赶着马车过来的，走了100里地。

 

那么现在你的位置一定也在以十八里铺为圆心，100里地为半径的圆上。

       

凭据舆图一合计，这个圆和之前七侠镇谁人圆有两个交点，以是你一定是在这两个点上，局限虽然缩小了，但你仍然不知道自己在哪，于是你问了第三小我私家。

 

第三小我私家，这不巧了么，也不是内陆的，他不知道这是哪，但他是从左家庄坐着驴过来的，走了20里地。

 

那么现在你就在以左家庄为圆心，20里地为半径的圆上，跟适才的信息一综合，三个圆交织在一个点上，你就知道了，原来自己来了平谷飞龙影视基地……

               

 

卫星定位的原理和这个差不多。

 

只不过现实生涯中我们除了平面位置上的（x，y）信息之外，还能获得高度信息，也就是z轴坐标，卫星定位就是通过这三个球面的交点，来确定你的位置信息的。

 

搞懂了原理，我们接着往下说。

 

首先我们需要找到三个球心的位置。

 

导航系统里的卫星们都是一直在绕着地球转的，时时刻刻都在向地面发送着自己的三维坐标，也就是经度、纬度以及高度三个信息，咱们用（x，y，z）示意。

 

光确定球心还不够，要算出来你所在的位置还需要知道半径。这时刻我们就需要另一个参数，也就是时间。

 

卫星内里另有一个很主要的部件，叫做原子钟，说白了，它就是一个时间异常正确的......钟。每次卫星发射自己坐标的时刻，实在除了xyz轴的数据，它还会连带着把时间t也一块播报出去。

 

这些信息通过电磁波被手机吸收之后，拿手机的时间和卫星上原子钟中的时间一对比，就知道电磁波飞了多久。

 

凭据小学二年级知识我们知道，电磁波的速率是牢固的，时间乘以速率就即是距离，这样一来半径就弄清楚了，就可以确定我们在地球上的坐标了。

 

但现实的卫星定位是通过四颗卫星的信息来确定坐标的，之以是比上面理论上多一个卫星信息，是为了验证准确性。

 

好比现在我们已经知道了第一组和第二组的圆心和半径，那么第三组的圆心恰幸亏一二两个交点点连线的中心，那么第三组数据就没用了，这时刻就需要第四组的数据来事情了。

 

那么也许你会问，若是第四组数据的圆心正好也在这咋办？

 

现实生涯中这种现象是不可能泛起的。由于这代表着俩卫星已经撞在一起了，这是在卫星发射阶段就已经完全杜绝的事情。以是我们说，想确定自己的定位最少需要四颗卫星。

 

固然上面这些只是理论，现实生涯中还会有许多其他因素影响定位的准确性，好比云太厚阻挡信号；好比大厦太多反射信号；又或者你生涯在重庆这种导航软件克星之城...... 

      

 

为了解决这些问题，现实生涯中的卫星定位，往往还会通过手机基站、WiFi牢固的Mac地址、数据模型预判等一系列操作来辅助进一步定位，这里我们就不睁开讲了。

 

北斗和GPS有什么区别？

 

在最先谈差异之前，我们首先需要明了，构建了卫星定位系统的国家不只中国和美国，全球局限内另有一些友商。这些友商主要包罗区域性卫星定位和全球卫星导航两个大类。 

       

      

咱们先说小我私家人最熟悉的，美国的GPS。

 

这套系统由美国政府于1970年代最先举行研制，并于1994年周全建成，设计卫星数目24颗，现实在轨31颗。

 

它的壮大主要来自于研发早、手艺积累多。说人话就是精度高。民用级别定位的的空间误差从2001年的1.6米一起下降到了2014年的0.7米。

 

生长早、精度高使得它占有了卫星定位市场很大一部分份额，现在全球局限内绝大多数民用的卫星定位都是基于GPS来运行的。

       

       

第二个咱们要说的就是俄罗斯的卫星定位系统——格洛纳斯

 

这套系统最早是苏联在1982年最先研发的，苏联解体后一度丧失了大多数卫星与功效。厥后俄罗斯接过了衣钵，缝缝补补又接着用了。

 

格洛纳斯系统设计卫星数目24颗，现实在轨卫星有27颗。

 

这里插一句，卫星定位这件事吧，最最先是给接触准备的，厥后发现一样平常生涯中也存在需求，逐渐开放了民用层面的营业。

 

而且由于前苏联采用了频分多址体制（FDMA），让卫星信号抗干扰能力更强了。于是乎这个格洛纳斯的精度一度比GPS还高。

       

      

除了二战后美苏两大势力以外，其他国家和地区也不想在这个领域受制于人，欧盟琢磨着自己也该来一套卫星定位系统，于是有了2002年的伽利略设计。

 

该系统由欧盟通过欧洲空间局和欧洲导航卫星系统管理局制作，总部设在捷克共和国的布拉格。

 

整个卫星定位系统有两个地面操控站，划分位于德国慕尼黑四周的奥伯法芬霍芬和意大利的富齐诺，现有22颗在轨卫星。

 

中国一最先也有加入这个设计，寻思着跟欧洲一块做。钱啊、资源啊都没少砸。

 

效果发现欧洲这帮人啥都不带我们玩，核心手艺也不让我们看，一气之下咱们就重新努力别辟门户了，那之后才有了北斗二代、三代。

 

说完全球卫星导航系统，咱们来聊聊区域性的。啥叫区域性？就是没钱、没手艺，只能笼罩特定区域的卫星定位。

        

        

首先是印度区域导航卫星系统，简称IRNSS、NAVIC。它是一个由印度空间研究组织（ISRO）生长的自由区域型卫星导航系统，印度政府对这个系统有完全的掌控权。

 

它的降生另有一段故事，说的是1999年，在印度和巴基斯坦战争时代，印度这边优势原本对照显著。

 

然后美国看到了，以为不能让印度太得瑟，于是就直接关闭了印巴战区的所有GPS服务。导致印度的武器和士兵瞬间拉垮，遭受了伟大的损失。

       

     

 印度人气不过，以为照样自己弄的靠谱，于是乎就有了现在的IRNSS，现有在轨事情卫星7颗，设计在未来将在轨事情卫星提高到11颗。

       

      

美国在这方面没吃过亏的另一个小弟日本，则走向了另一个偏向。

 

日本的许多都会高楼密布，卫星信号很容易在种种滑腻垂直的墙面上形成反射，造成“都会峡谷”效应，这就造成了GPS的定位精度在日本大大下降。

 

日本人一琢磨，那咱们就做个GPS补完设计吧，于是有了准天顶卫星系统。基本上就是往天上多发射几个卫星，填补GPS在日本使用上的不足。

 

准天顶卫星发送的GPS可用性增强信号和现代化的GPS信号兼容，因此确保了两系统的互通性，通过这种方式提高GPS在亚太地区定位能力的稳定性和准确性。

 

日本这个准天顶卫星系统最初是设计发四颗卫星就完事儿，现实上也在18年所有发射完毕了。

 

然则厥后想想感受光靠美国照样不太靠谱，于是17年时宣布计划再发射三颗卫星，以保证哪天GPS信号用不了了，自己手头还能有个备份。

 

印度人默默点了个赞。 

              

说了这么多，终于到了我们自己的北斗卫星导航系统。

 

从2000年发射的第一颗北斗卫星最先到现在，北斗卫星导航系统一共走过三代，今年最后一颗组网卫星发射完成，北斗全球星座的结构就算是完成了。

 

刚说到我们的北斗二号和三号是由于发现欧洲人不靠谱以是我们回来自己弄出来的，这里另有个小插曲，就是能够给卫星定位系统使用的频段是有限的，好的频段之前都被美国苏联占得差不多了，以是之前和伽利略互助的时刻，和欧盟一起申请的是统一信号频段。

 

但厥后不是闹掰了么，就这个信号频段的问题跟欧盟也闹了8年。

 

闹归闹，集中力量干大事的咱们可是没闲着，截止到2012年底我们的北斗二代已经发射了16颗卫星，并正式提供了亚太区的定位服务。相比之下欧盟的伽利略才发射了6颗卫星。

 

欧洲人不得不平，也只好根据礼貌跟咱们协商着来，最后中欧在2015年达成了频率共用共识。

 

到了现在的北斗三代，无论是卫星自己的硬件水平，照样定轨、运控等方面都有了大幅提高，卫星的服务局限也从原来的区域性定位提高到了现在的全球服务水平。

 

总结

北斗是不是很强？

 

是，我们花了二十多年的时间就走完了其他国家四十多年的路。

 

从刚最先步履蹒跚，三年才发射了四颗卫星，到厥后手艺大发作，单单2018年就举行了十次火箭发射义务，将总计十八颗卫星放到了预定轨道，这也创下了全球卫星导航系统组网最快纪录。

 

光是定位精度，北斗已经和GPS平起平坐了。

 

北斗三号系统中的导航卫星单机和要害元器件，国产化率也已经到达100%。

 

这一系列乐成使得我们在国家安全层面不再受制于人，这也是为什么GPS已经很好用了，我们还要自己下大功夫研究一套卫星定位系统的缘故原由。

 

固然我们也要看到不足，在稳定性、卫星质量和使用寿命上，我们和最新的GPS仍有差距。

 

特别是在GPS已经有了异常成熟的、重大的商用规模情况下，北斗较高的芯片成本让我们短时间内不容易打开市场局势。

 

固然啦，我们既然能只花一半的时间就完成了别人写了四十年的作业，大鹅信赖这些难题的解决也只是时间的问题。