2020年7月31日上午10時(shí)30分，北斗三號全球衛星導航系統建成暨開(kāi)通儀式在人民大會(huì )堂舉行。北斗系統的發(fā)展，不僅與我們的日常生活息息相關(guān)，更與我們的國家安全、社會(huì )進(jìn)步相掛鉤。因為每個(gè)國家都希望把自己國家的主權和國家的經(jīng)濟命脈，建立在自己的衛星導航系統基礎之上。衛星導航定位系統是一把守護國門(mén)的金鑰匙，一定要握在自己人手中！
以下內容為中國科學(xué)院空天信息研究院研究員徐穎演講實(shí)錄：
北斗系統，這個(gè)名字從何而來(lái)呢？北斗七星。北斗七星是中華民族的指極星，也是中華民族的導航星，在很早的時(shí)候，人們就開(kāi)始對北斗七星進(jìn)行觀(guān)測和利用。北半球的人們通常用北斗七星和北極星來(lái)辨別方向。
在《史記·天官書(shū)》當中就有記載：“分陰陽(yáng)，建四時(shí)，均五行，移節度，定諸紀，皆系于斗。”這里的“斗”指的就是北斗。在古代，有北斗七星為我們指引方向，今天我們也有北斗系統和我們的生活密切相關(guān)。
關(guān)于北斗的“3”的故事
對于北斗系統來(lái)說(shuō)，有一個(gè)數字非常重要，這個(gè)數字就是“3”。大家應該都聽(tīng)過(guò)一生二，二生三，三生萬(wàn)物。要講清楚北斗系統的工作原理，就要先給大家講清楚“3”的故事。
首先要介紹的是三球定位。衛星導航定位系統最基本的定位原理叫作三球定位。我們同時(shí)有三顆衛星，測量我和衛星之間的距離，我就一定知道我的位置是以衛星的位置為球心，以這個(gè)距離為半徑的球體上面。
而三個(gè)球交匯于一點(diǎn)，這就是衛星導航定位的最基本的原理，我們把它叫作三球定位。但是實(shí)際上，因為我們還需要測量時(shí)間信息，所以我們至少需要四顆衛星才能實(shí)現最基本的定位。
在衛星導航系統當中有三大組成。第一個(gè)是我們都非常熟悉的衛星。
第二個(gè)是地面站，有地面的監測站、測定軌站等站點(diǎn)。
第三個(gè)是終端，比如手機，其實(shí)也是衛星的一個(gè)終端。
有些人在網(wǎng)上會(huì )問(wèn)這樣一個(gè)問(wèn)題：“從1983年陳芳允院士提出北斗一代開(kāi)始，北斗系統已經(jīng)建了這么多年了，什么時(shí)候我們才能用上北斗系統呢？”其實(shí)在我們很多人的手機中已經(jīng)有了北斗系統。
如果用的是華為的手機，回去之后，可以在手機的應用商店里面下載一個(gè)小軟件，叫北斗助手或者叫北斗伴。
把這個(gè)軟件下載下來(lái)之后，找一個(gè)空曠的地方打開(kāi)你的手機，然后你就會(huì )發(fā)現，在衛星天頂視圖當中，有帶著(zhù)中國國旗的圖標被點(diǎn)亮，那就說(shuō)明你的手機中是有北斗系統在為你提供服務(wù)的。
現在在華為、小米、魅族、三星等很多款手機中都有北斗系統。當然如果用的是蘋(píng)果手機，那不用試了，蘋(píng)果手機沒(méi)有使用北斗系統。但是我們也希望，在2020年北斗系統覆蓋全球之后，蘋(píng)果手機當中也會(huì )有北斗系統。
導航系統幫助我們的車(chē)輛從一個(gè)地方到另一個(gè)地方，但是事實(shí)上導航提供的服務(wù)不僅是定位，導航服務(wù)一般分為三類(lèi)。
第一類(lèi)服務(wù)是給你一個(gè)精確的位置。這是大家最常用的，比如手機上的滴滴打車(chē)、微信的位置共享，都是基于導航的這一服務(wù)。
第二類(lèi)服務(wù)是可以給你一個(gè)非常精確的時(shí)間。從剛才講的衛星導航的三球定位上來(lái)，我們需要測量我和衛星之間的距離。一般在生活當中，我們要測量?jì)蓚€(gè)點(diǎn)的距離，我們可以拿一根尺子，就能夠測量?jì)蓚€(gè)點(diǎn)的距離。
但是用這個(gè)方式，能夠測量和衛星之間的距離嗎？要拿一個(gè)多大的尺子，才能把我和衛星連接在一起呢？在衛星導航當中，其實(shí)有一個(gè)小秘密，就是我們從來(lái)不直接測量距離，而是通過(guò)測量時(shí)間來(lái)測量距離。
我們在衛星上發(fā)射一個(gè)電磁波，然后測算這個(gè)電磁波從衛星傳遞到我們之間的一個(gè)時(shí)間差。這個(gè)時(shí)間差乘上光速，就得到了距離。
所以在衛星導航當中，我們是通過(guò)測時(shí)間來(lái)測距離的。這也是我們可以為大家提供精確時(shí)間的一個(gè)主要的原因。距離除以時(shí)間等于速度，我們可以得到速度。所以，衛星導航的三種業(yè)務(wù)就是能夠給你精確的位置、精確的時(shí)間和精準的速度。
當然，北斗系統在這三種業(yè)務(wù)之外，還有一種附加的業(yè)務(wù)——通信，它也是全世界唯一一個(gè)能夠用來(lái)做通信的衛星導航定位系統。
全球衛星導航系統
世界上不是只有北斗系統。目前，只有美國的GPS、俄羅斯的GLONASS、歐盟的伽利略（GALILEO）和中國的北斗，這四大系統才能被稱(chēng)為全球衛星導航定位系統，因為它們實(shí)現了全球覆蓋。
除了這4個(gè)全球覆蓋的系統之外，目前世界上還有兩個(gè)區域定位系統，日本的準天頂系統（QZSS）和印度的IRNSS系統。
日本的準天頂系統在宣布提供服務(wù)的時(shí)候，網(wǎng)上就開(kāi)始有文章說(shuō)，日本的準天頂，精度拳打GPS，腳踢北斗。但是事實(shí)上，準天頂系統是一個(gè)區域定位的系統，它最核心的點(diǎn)是依賴(lài)于GPS建立的。
如果GPS不能用，那么準天頂的增強功能就不能用，它就沒(méi)有辦法做到高精度、厘米級定位等一系列的功用。
在全球的四大衛星導航定位系統當中，現在用于導航的衛星數量非常多，截止到2018年7月22日，所有能用的衛星數量已經(jīng)超過(guò)了100顆，還不包括我們的備份星和測試星。
所以，其實(shí)天上是有很多衛星的，而在民用服務(wù)中，也是把所有的衛星導航系統組合在一起使用的。
GPS在1991年的時(shí)候就建成了，精度一直也很高。但是我們國家還需要專(zhuān)門(mén)建北斗系統，俄羅斯還要建GLONASS系統，北斗系統從1983年提出到現在，已經(jīng)走過(guò)30多年，我們?yōu)槭裁匆ㄟ@么多時(shí)間和精力來(lái)建北斗系統呢？
建北斗系統的原因
以前我們在為北斗系統拍紀錄片的時(shí)候，編導曾經(jīng)說(shuō)過(guò)這樣的一句話(huà)：衛星導航定位系統是一把守護國門(mén)的金鑰匙，自己家的這把金鑰匙，一定要握在自己人的手中，這就是為什么我們要建北斗系統。
俄羅斯雖然經(jīng)歷了經(jīng)濟滑坡、蘇聯(lián)解體等一系列事件，但是他們依然在持續地更新和建設GLONASS系統。歐盟的伽利略系統建設之初經(jīng)歷了非常漫長(cháng)的被美國強烈反對、歐盟內部意見(jiàn)的不一致，在建設過(guò)程中，天上的原子鐘還徹底壞了一批。
前一段時(shí)間伽利略系統還出現了全線(xiàn)的斷線(xiàn)，但他們還是在一直堅持發(fā)展伽利略系統。每一個(gè)國家都希望把自己國家的主權和國家的經(jīng)濟命脈，建立在自己的衛星導航系統基礎之上。
可見(jiàn)，如果一個(gè)系統不是我國自主建設的，那我們對它其實(shí)是沒(méi)有任何掌控權的，它隨時(shí)可能會(huì )發(fā)生一些你所不知道的變化。這也就是為什么我們要建北斗系統的一個(gè)最主要的原因。
在軍用方面，我們都是用北斗系統來(lái)保障國防安全的，但是在民用方面，目前是一個(gè)多系統聯(lián)合的趨勢。
在你們的手機軟件當中，找一下我剛才說(shuō)的軟件，就會(huì )發(fā)現，你的手機不僅用了北斗來(lái)為你進(jìn)行定位，也用了GPS 和GLONASS來(lái)進(jìn)行定位。在民用領(lǐng)域，各個(gè)導航系統是彼此兼容協(xié)調發(fā)展的，所以，北斗不僅是中國的北斗，也是世界的北斗。
北斗系統的發(fā)展
北斗系統的發(fā)展，也經(jīng)歷了三段歷程，和“3”這個(gè)數字真的特別有緣。北斗一號系統是在2000年左右建成的，它只有兩顆星，它叫北斗一號，也叫北斗雙星。它主要是解決我國衛星導航系統的有無(wú)問(wèn)題。
北斗二號系統是在2012年12月27日宣布提供服務(wù)的。它從北斗一號的有源系統，變成了一個(gè)無(wú)源系統，主要為我國和周邊亞太地區提供服務(wù)。
北斗三號系統，是在2018年12月27日宣布開(kāi)始提供服務(wù)的，在2020年將會(huì )實(shí)現北斗三號系統的完全建設。北斗三號系統主要是從區域系統擴展到了一個(gè)全球系統。
北斗三號系統的建設過(guò)程也包括三步。2018年底，它主要是服務(wù)我國和“一帶一路”地區，到2020年底的時(shí)候就會(huì )服務(wù)全球。
北斗系統正處在全球組網(wǎng)的快速建設過(guò)程中。這是北斗系統的一個(gè)衛星組成。北斗系統是30顆衛星覆蓋全球，其中有3顆靜止軌道衛星，24顆中軌道衛星，3顆小傾角軌道衛星。
北斗系統的服務(wù)區域，重點(diǎn)區域是在我國和周邊地區，實(shí)現的是全球覆蓋。
北斗是一個(gè)開(kāi)放的系統，除了公開(kāi)的服務(wù)，還有授權的服務(wù)、廣域差分服務(wù)和位置報告服務(wù)。
2020年之后，北斗系統在有了廣域差分的情況下，和GPS服務(wù)的性能是相當的。在重點(diǎn)地區，會(huì )有1～1.5米的精度，其實(shí)是比GPS的性能要高的。
與北斗二號相比，北斗三號到底有什么新亮點(diǎn)呢？首先要講的是星間鏈路。顧名思義就是衛星和衛星之間是可連接的，能夠形成一個(gè)衛星網(wǎng)絡(luò )。
有星間鏈路之后，如果在地面站之間發(fā)生了摧毀性的損失，所有的地面站都沒(méi)有了，我們還可以用星間鏈路來(lái)實(shí)現衛星的自主運行。所以，星間鏈路可以保障衛星的可用性和穩健性。
其次北斗系統有高精度的氫原子鐘。北斗一號、北斗二號在建設過(guò)程中，當時(shí)我們是準備從瑞士進(jìn)口原子鐘的，瑞士人表做得很好，鐘做得也不錯。但是瑞士當時(shí)提出，需要有一個(gè)歐洲對華的許可證。
怎樣才能獲得這個(gè)許可證，通過(guò)什么方式才能獲得這個(gè)許可證，都沒(méi)有任何的約定。所以，后來(lái)在北斗二號系統的建設過(guò)程中，關(guān)鍵的核心攻關(guān)就是星載原子鐘技術(shù)，北斗三號則使用了更高精度的氫原子鐘。它的精度可以做到110-15這么高，也就是說(shuō)要過(guò)去很長(cháng)很長(cháng)時(shí)間，它的誤差才有一秒。
這是北斗三號的另一個(gè)創(chuàng )新點(diǎn)。剛才講到了，從別的國家進(jìn)口原子鐘是不現實(shí)的，所以北斗系統有一個(gè)很重要的指標叫作100%國產(chǎn)化。北斗系統所有芯片，所有核心器件，包括天線(xiàn)、射頻、基帶，都有一個(gè)國產(chǎn)化的指標要求。
我們都說(shuō)北斗系統是一個(gè)獨立自主的系統。第一是它不依賴(lài)于任何別的系統而運行。第二，它所有的核心技術(shù)都是自己的知識產(chǎn)權，不依賴(lài)于別國的核心技術(shù)而運行，這是大國重器的國產(chǎn)化。最后一個(gè)創(chuàng )新點(diǎn)是，北斗三號有一個(gè)搜救功能。北斗三號加入了海事搜救組織。
以前伽利略系統的搜救過(guò)程是，你給伽利略衛星發(fā)了一個(gè)搜救信號，然后你就開(kāi)始等待。你不知道你的信號有沒(méi)有被收到，你也不知道，是不是會(huì )有人來(lái)救你。
北斗系統在收到你的搜救信號之后，會(huì )給你一個(gè)反饋，告訴你信號已經(jīng)收到了，安心等待吧，很快就會(huì )有人來(lái)救你了。所以這也是北斗三號的一個(gè)升級功能。
其實(shí)北斗系統遠遠不止這些功能，它有很多“首次”，讓我們一起期待2020年北斗系統建設完成，正式開(kāi)始為大家提供服務(wù)。
北斗系統的作用
天上有這么多衛星，衛星導航在我的生活當中，有什么作用呢？好像每天除了用它來(lái)打車(chē)，就沒(méi)有別的用處了。其實(shí)，在衛星導航系統業(yè)內有這樣的一句名言：衛星導航定位系統的應用，只受制于人們想象力的限制。
假設有一位A先生，假設他是做金融的?？匆豢此胩斓纳?，有多少是和衛星導航相關(guān)的。
作為現代手機重度依賴(lài)癥的患者，我早上起來(lái)第一件事情，就是給我的手機充電。事實(shí)上，在我們國家的電力系統當中，都是用衛星導航來(lái)為電站之間實(shí)現時(shí)間和頻率的同步的，以前用GPS，現在用北斗。
如果電力系統不能實(shí)現時(shí)間和頻率同步，就有可能出現用電高峰期的時(shí)候，峰值疊加而導致整片區域斷電的情況。所以我們每天都用的電，其實(shí)是有衛星導航為電力系統提供保障的。
給手機充完電，打開(kāi)手機之后，接下來(lái)就是吃飯。吃飯這件事情和衛星導航有關(guān)嗎？你需要用衛星導航，給你把米定位到嘴里嗎？其實(shí)不需要。但是衛星導航確實(shí)和農業(yè)密切相關(guān)。
自動(dòng)駕駛技術(shù)到今天一直沒(méi)有落地，但有一部分自動(dòng)駕駛落地了，比如，自動(dòng)駕駛的拖拉機、農業(yè)收割機。所以，在智能農業(yè)當中，衛星導航定位系統為自動(dòng)駕駛提供了位置的保障。所以每天吃的米，也是離不開(kāi)衛星導航定位系統提供的保障的。
吃完飯以后就要看電視了，在看電視的時(shí)候，經(jīng)常會(huì )看到電視里邊的新聞報道，某些國家、地區之間動(dòng)武了這樣的情況，導彈制導這件事情和衛星導航也是有關(guān)系的。
有時(shí)候我們也經(jīng)常會(huì )在電視里面看到，與動(dòng)物保護有關(guān)的新聞，動(dòng)物保護這件事情和衛星導航也有關(guān)系，說(shuō)要把一個(gè)芯片，安在動(dòng)物身上。
其實(shí)北斗系統確實(shí)給長(cháng)頸鹿、藏羚羊、熊貓都做過(guò)這樣的芯片。比如，藏羚羊生活在無(wú)人區，我們就需要用這樣的芯片為它提供保護服務(wù)。
看完電視之后要去上學(xué)，我們出門(mén)打車(chē)這個(gè)事情和衛星導航也有關(guān)系。這是大家最熟悉的應用。
我們在用滴滴打車(chē)的時(shí)候，有時(shí)候也會(huì )看到老人或者兒童走失的信息，讓你如果發(fā)現線(xiàn)索要及時(shí)上報。
老人兒童走失這件事情和衛星導航也有關(guān)系，因為北斗系統曾經(jīng)做過(guò)老少關(guān)愛(ài)，給小朋友們做過(guò)卡，做過(guò)鞋，做過(guò)手表，如果發(fā)現老人和兒童走失，向系統提出請求，它會(huì )給你返回走失者最近一次出現的位置。
在打車(chē)之后，車(chē)輛行駛在路上，有時(shí)候會(huì )經(jīng)過(guò)高架橋，橋梁的穩建性和衛星導航也有關(guān)系，事實(shí)上，在衛星導航系統中，有一個(gè)很重要的應用，叫作形變監測。
就是我們會(huì )用衛星導航的接收機，來(lái)觀(guān)察這個(gè)橋是不是已經(jīng)發(fā)生了一些微小的變化。如果它發(fā)生了變化，就需要及時(shí)對它進(jìn)行維護，以避免發(fā)生危險。
這個(gè)應用還可以用在山體滑坡、泥石流、鐵軌的路基沉降的監測上面，都是跟衛星導航相關(guān)的。大家有時(shí)候會(huì )在立交橋上看到特別大的貨車(chē)，我們把它叫作“兩客一危”系統，就是危險品車(chē)輛和大型客車(chē)。
我們國家其實(shí)做過(guò)“兩客一危”的項目，要求在這樣的車(chē)上，強制裝上衛星導航系統，以保障公共安全。
假設現在到機場(chǎng)了，在飛機的精密進(jìn)近的過(guò)程當中，都是需要衛星導航系統來(lái)保障安全的。所以我們每次安全的出行，乘坐飛機，都有衛星導航在為你提供保障。
再回到這位先生的職業(yè)上來(lái)。他是一個(gè)做金融的先生。其實(shí)，在金融的結算當中，我們通常會(huì )通過(guò)衛星導航為金融結算提供非常精確的時(shí)間。因為在金融結算當中，如果結算的時(shí)間差出去一毫秒，結算的金額可能會(huì )差出去好幾千萬(wàn)美元。
這也就是為什么衛星導航系統對于民用也非常重要。除了軍事當中的打擊、精確制導需要衛星導航之外，在民用方面，衛星導航系統關(guān)系著(zhù)國計民生，電力、金融、通信、天氣……衛星導航一直在各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮著(zhù)非常重要的作用。
未來(lái)是否還有北斗四號和北斗五號其實(shí)我們不知道，但是我們正在做導航的“未來(lái)”，它叫作中國國家PNT體系。北斗系統已經(jīng)經(jīng)過(guò)了幾十年的發(fā)展，而且在2020年就會(huì )完成建設正式走向應用，但是它還有一些覆蓋不到的區域。
比如在室內，導航系統是沒(méi)有信號的，在地下，導航系統也是沒(méi)有信號的。在水下，現在只能利用聲吶導航。我們希望能夠構建一個(gè)以北斗為核心的中國國家PNT體系，能夠真正實(shí)現我們說(shuō)的5A，就是任何人，在任何時(shí)間，在任何地點(diǎn)，能夠用他所使用的任何導航手段，實(shí)現其所想要達到的任何導航服務(wù)。
這就是我們所努力的未來(lái)，雖然未來(lái)是未知的，但是我相信在科研人員的努力下，我們國家北斗系統的未來(lái)一定可以被大家遇見(jiàn)，而且未來(lái)一定是光明的。
（責編：梅亞川）
