作者：佰思科学| 沈东旭 邱亚明
2020年7月31日，北斗三号系统正式投入使用。至此，历时多年建设的北斗系统，终于成为人类第三个投入使用的全球卫星导航系统。那么作为中国人第一个全球卫星导航系统，在地球上的地位与水平到底如何，今天我们来谈一谈这一话题。
01
北斗的发展历程
北斗卫星导航系统迄今为止已经发展了三代。前两代中，第一代北斗是实验性系统，第二代北斗是区域性导航系统，而三代北斗才是真正的全球卫星导航系统。
陈芳允院士
北斗一号由陈芳允院士最早提出原理，将“地心”视为一个虚拟卫星，同两个位于地球静止轨道的通信卫星相配合，再辅以地面测高来实现位置解算。所谓的静止轨道，指的是距离地球赤道上空35786km处，这里的卫星围绕地球转动一周的时间与地球自转周期相同，因此从地面上看去，卫星就像静止一样。
地球静止轨道（GIF动图）
陈芳允（1916-2000）是中国科学院院士，“两弹一星”元勋，著名的高科技发展计划863计划的提出者。陈院士提出的方案，是最简单的卫星定位实现方案。北斗一代系统在2000年完成初始组网，中国成为世界上美俄之后第三个拥有卫星导航系统的国家。
然而，要想实现更高精度的定位，就需要更多的卫星。北斗二号系统从2007年开始组网，到2012年，实现了由14颗卫星组成的系统，开始在亚太大部分地区提供定位及授时服务。
北斗三号从2015年开始组网，最后一次卫星发射是在2020年6月23日，一枚长征三号乙运载火箭，将一颗地球静止轨道卫星送入太空，圆满完成了全部的卫星发射任务。
2020年6月23日北斗三号最后一颗卫星发射入轨
整个北斗三号系统，由三颗地球静止轨道卫星，三颗地球同步轨道卫星，24颗中轨道卫星，总共30颗卫星组成，实现了全球卫星定位导航。
02
美国GPS
GPS是世界上第一个卫星导航系统。美国很早就意识到卫星导航系统的重要性，从1978年开始发射GPS卫星，被称作GPS Block I，实际上是一个实验性系统。1989年开始，美国开始建设GPS II，这是正式版的GPS系统。那时候人们对GPS的了解不多，甚至连美军都没有广泛装备GPS。一个GPS接收机比现在的笔记本电脑还重。但是很快，1991年爆发的海湾战争，让人们见识到了GPS的巨大威力。
1991年沙漠风*行暴**动中，美军手持的GPS接收机
1991年1月17日凌晨2：38分，由12架直升机组成的诺曼底特遣队（Task Force Normandy），直扑伊拉克-沙特边境，目的是消灭伊拉克*队军**的两个早期预警雷达站，为后续出动轰炸伊拉克的战机打开通道。在这12架直升机中，有9架AH-64阿帕奇，就是最近中印冲突发生后印度高调部署到拉达克且忘乎所以、四处炫耀的那种美制直升机，负责发射导弹，1架UH-60负责救援，还有两架MH-53J则负责引导整个机群。
诺曼底特遣队中的MH53-J
所谓引导，说白了就是MH53-J上安装了GPS等导航设备，这样夜间飞行不会迷路；而其他直升机缺乏类似设备，必须由MH53-J领路罢了。无非就是用GPS导航，现在看起来很简单点事，*退倒**到30年前感觉像神话一般。也正是GPS在1991年的第一次海湾战争中展现出的巨大作用，刺激了中国下决心搞北斗系统。
GPS卫星（艺术效果图）
实际上，GPS II系统一直到1995年才正式投入使用。美国人此时也意识到GPS在民用领域的巨大潜力，于是在1996年，时任美国总统比尔·克林顿宣布，GPS对民用开放。但美国人一贯小肚鸡肠，在民用信号上加了干扰，即SA（selective availability），把定位精度从10米左右降到了100米。
1996年的比尔·克林顿
100米的定位精度，跟没啥用也差不了太远。恰在此时，俄国人的格洛纳斯（GLONASS）卫星导航系统也投入使用了。不知道俄国人是过于耿直豪爽，还是真缺心眼，格洛纳斯没有SA的功能--虽然它的精度不如GPS，但是比加了SA的GPS精度好多了。
GPS卫星的轨道（GIF动图）
这下美国人尴尬了，犹豫半天，于2000年5月1日取消了SA。这之后，随着GPS信号和处理技术的提升，GPS精度通常能达到米级，满足很多场合的民用需求。没有了SA，是不是大家自此之后可以放心大胆地开心使用GPS呢？完全不是。
卡吉尔（方框中位置）
1999年，印度和巴基斯坦在一个之前没几个人知道的叫做卡吉尔（Kargil）的地方打了一仗。印度人就是有这种喜好，在无人知晓的地方和别人发生冲突，让这个地方一夜成名。当时印度*队军**装备了不少GPS设备，打起来才发现，没GPS信号了。原来，美国不希望双方发生冲突，关闭了该地区的GPS信号。这不是美国第一次向世人展示了关闭某一地区GPS信号的能力。1993年的银河号事件中，美国就关闭了银河号轮船附近的GPS信号。各大国意识到，没有自己独立的卫星导航系统是不行的。
GPS III卫星（艺术效果图）
到了2018年，GPS进入了一个新阶段，GPS III。GPS III的第一阶段将有10颗卫星。而全部GPS III计划完成可能是30年代的事情。
03
俄罗斯格洛纳斯
格洛纳斯卫星导航系统建设从苏联时期的1982年就开始了，没比美国晚几年。到了1995年，全部卫星就位。这期间由于苏联解体，中间有些年头因为系统维护问题不能提供全球定位服务。不过自2011年起，鉴于卫星导航系统的极端重要性，俄罗斯不惜代价补齐了格洛纳斯星座。目前格洛纳斯系统在轨工作的卫星数有24颗，恰好能满足全球定位的最低需求。
四颗卫星才能完成定位
这里要补充一句，要实现三维空间定位导航，从地面来说需要至少4颗卫星，且看到的卫星越多精度可以越高。为什么要四颗呢？三维空间里不是通过三颗卫星的位置就能定位了吗？没错，但这里面的数学比较复杂略去不讲，简单来说，通过三颗卫星计算位置，再通过第四颗卫星修正计算位置的时间，才能得到准确的结果，因此第四颗卫星必不可少。
地球上看到的GPS卫星数量模拟效果（GIF动图）
通过卫星轨道设计，最少要24颗卫星才能提供全球卫星定位服务，保证地球上每个点都能有至少四颗卫星可见。举个例子，在1991年海湾战争的时候，当时美国在轨的GPS卫星只有19颗，因此每天能提供19小时的三维信息服务，即此时能看到四颗或以上的卫星；剩下的时间只有平面定位服务，就是能知道经纬度但没有高度，这是因为头顶只有三颗GPS卫星。
04
欧洲伽利略
伽利略是欧洲人搞的卫星定位系统，在中国很出名，因为早先它很无耻地黑了中国的钱，再后来又先发后至，系统进度落到了中国后面。但其实这正是严谨的欧洲人正常工作效率的体现！
几种主流卫星导航系统轨道比较
2003年，欧洲人忽悠中国投了2.3亿欧元加入该计划，然后像防贼一样防着中国人，生怕把技术学了去。到了2006年中国意识到，搭理这些欧洲人纯粹浪费时间，还是老老实实搞好北斗才是真的，于是就不和欧洲人玩了。结果欧洲人自己磨蹭到了2011年，第一颗伽利略导航卫星才*天升**，进度上还被中国抢了先。
伽利略系统的星座分布（GIF动图）
伽利略系统坎坷的组网过程，也是不断在全世界人民面前丢人现眼的过程。2017年，伽利略卫星上的一部分原子钟坏了，幸亏还有备份可用，不至于造成卫星完全报废。后来发现是以制造名牌钟表出名的瑞士人造出了伪劣产品。2019年又由于地面控制系统故障，导致整个系统信号丢失。
伽利略导航卫星（艺术效果图）
总之，时至今日，伽利略系统在轨能用的卫星只有22颗，还不是完整的全球卫星导航系统。
05
世界其他导航系统
除去前述四大全球卫星导航系统，目前还有两个区域导航系统，分别是印度的印度区域导航卫星系统IRNSS和日本的准天顶卫星系统QZSS。印度的IRNSS主要覆盖印度周边地区，目前在轨卫星只有7颗。但由于种种技术原因，尚未真正投入运行。
IRNSS实际上是个攒机货，核心技术都靠别人支持。比如关键的原子钟是买欧洲的。因此2017年欧洲人发现伽利略系统原子钟故障时，印度人顺势躺倒，到了2018年，总计24台星上原子钟竟然坏了9个。当然，印度人仍雄心勃勃地想把IRNSS升级成全球卫星导航系统，GINS，至于何年何月能够实现那就不好说了。
IRNSS
至于日本的QZSS，严格来说不是独立的导航系统，是GPS的信号增强系统。我们都知道，卫星信号越强，定位速度越快，效果越好。所谓的信号增强，就是日本通过发射四颗卫星，专门对着日本广播GPS信号，这样在日本的GPS定位效果就会更好。
日本QZSS卫星轨道（GIF动图）
日本卫星采用了地球同步轨道。所谓的地球同步轨道，就是卫星围绕地球旋转的周期和地球自转周期相同。
地球同步轨道示意（GIF动图）
从地面来看，卫星就好像在天空中画8字型。
06
北斗的优势
目前世界上正在运营的独立导航系统只有四家：GPS II/III，格洛纳斯，北斗和伽利略。印度的IRNSS没有正式投入运营，而日本的QZSS是GPS增强系统，不是独立的卫星导航系统。这四家也都是全球导航系统，但伽利略尚未实现完全组网，还算不上是全球导航系统。因此，现在能用的全球导航系统只有GPS、格洛纳斯和北斗三家。
北斗的六颗地球同步卫星轨迹（GIF动图）
北斗与其他三家对比，有自己的特色甚至优势。首先，北斗有独特的星座结构。北斗除了中轨道的24颗卫星实现全球信号覆盖，还有三颗地球静止轨道卫星聚焦中国，和三颗地球同步轨道卫星覆盖亚太地区，目的是提升中国和周边区域的覆盖效果，这是其他三家所不具备的。
从地面看这六颗卫星（GIF动图）
其次，北斗的信号和伽利略类似，分布于三个频段，优于GPS II的双频段。使用三频信号能更好地校正误差提升精度，因此GPS III也开始使用三频信号模式。不过GPS III还是一个期货。美国现在有GPS II可用，并不急于更新GPS III，所以目前只发射了三颗GPS III卫星。因此，北斗从技术水平上来说优于现有的GPS系统。
北斗、伽利略、GPS频道比较
再有，北斗具备星间通信链路，就是卫星与卫星能进行通信。卫星需要地面站的控制和校准。美国通过在全球各地建地面站来实现这一点。而中国没有这种条件，只能通过境内的地面站进行控制，再通过星间链路将控制信息转发到地面站照顾不到的卫星，这样就不用满世界建地面站了，反而提升了系统安全性。
星链
最后，定位与短报文的结合，是北斗的特色，这是将通信与定位融合在一起，代表了未来的发展趋势。随着Space X的星链计划的展开，大量低轨道卫星会进一步提升通信速率及定位速度与精度。未来的卫星导航系统，会包括大量的低轨道卫星，兼具通信与定位功能，这将是未来北斗四号的发展方向。