热门:为全球导航，中国怎么做到的？

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原创星研究所星研究所来自专辑搜索中国:工程篇

↑一群国家地理控制，重点是探索终极世界

六月二十三日

中国西昌卫星发射中心

长征火箭搭载了最后一颗北斗组网卫星

划破天空

( 9点43分，北斗3号最后一颗世界组网卫星发射，摄影师@南勇)

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在那之后

卫星到达离地表约36000公里的轨道

稳定地工作

做了标记

中国的北斗卫星导航系统正在全面建设

这是一项巨大的工程

宇宙中的46颗导航卫星

日夜围着地球转

地面2700多个基站

分布在大江南北

“天地网”正在扩大

(北斗“完整”包括北斗二号卫星16架、北斗三号卫星30架、制图@郑伯容/行星研究所)

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这也是一项艰巨的工程

八万多名员工

300多个研究开发单位

前后奋斗了二十多年

梦想终于实现了

( 20年来，长征火箭作为北斗卫星的唯一交通工具，发射次数达到44次，下图是搭载第39次和第40次北斗卫星的长三乙火箭静静地发射的场景，摄影师@史悦)。

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这是一项更必要的工程

北斗现在应用很广泛

电力、金融、通信、交通

农业、测绘、灾害救援等

生产和生活的方方面面

中国会彻底摆脱的

美国对全球定位系统( gps )的依赖

(以时速350公里行驶的京张高铁，从一次刹车到停车的停止误差不足10厘米，下图是自动驾驶的京张高铁，摄影师@赵斌)。

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然后在北斗的帮助下

中国导弹具有超高精度的制导能力

国防利器越来越锋利

(年10月1日，庆祝中华人民共和国成立70周年大会阅兵式大浪-2导弹方队，照片来源@人民视觉)

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现在，

北斗系统( bds )已经覆盖了世界

美国全球定位系统( gps )和

俄罗斯格罗纳斯系统( glonass )

欧洲联盟伽利略系统( galileo )

被称为世界四大卫星导航系统( gnss )

二十年刷一剑

中国是怎么做到的？

01

导航卫星的秘密

我想得到我们的位置

宇宙需要配置。

至少三颗导航卫星

我继续发送电磁波信号

我们利用导航装置接收信号。

信号收发之间产生的时间差

乘以电磁波的传递速度(光速)

我们可以计算到卫星的距离

如果只有一颗导航卫星

以卫星为中心

我们和卫星之间的距离是半径

得到球面。

球面上的任意一部分

可能是我们的位置

(光速约等于3×108m/s，一颗导航卫星的明确位置球面，制图@郑伯容/行星研究所)

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如果有两颗导航卫星

两个球面相交就得到一个圆周

圆周上的任意一部分

可能是我们的位置

(两颗导航卫星的明确位置圆周，制图@郑伯容/行星研究所)

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如果有三颗导航卫星

得到三个球面相交的a、b两点

两点中的任一点

可能是我们的位置

( 3颗导航卫星的明确位置- 2点，制图@郑伯容/行星研究所)

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在这两点中

只有b点在地表附近

于是锁定了我们唯一的位置

(与地表有交点只有一个，制图@郑伯容/星研究所)

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这就是导航卫星的秘密

即三球交叉定位原理

事实上

测量时间的时候

产生各种误差

为了消除误差

通常需要第四颗卫星的辅助

然后我们可以随时随地

都可以接收4架以上的导航卫星信号

围绕地球运转的卫星总数往往远远超过四颗

例如美国gps或俄罗斯glonass系统

导航卫星的数量都在24架以上

( gps系统的定位表明同一个上空的卫星有四个以上。 原图源@Wikipedia，复制@郑伯容/行星研究所)。

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但是

1990年代

我想在短期内发射同样数量的导航卫星

对于航天和导航技术比较落后的中国来说

几乎是不可能实现的梦想

能否使用最小的卫星

你会实现定位目标吗？

02

摇摇晃晃地走

大胆的方案

空而生

陈芳允

“二弹一星”功勋，著名电子学家

由两颗卫星组成

双星定位系统

那个巧妙的地方是

在地上设置了“大脑”

即地面控制中心

利用地面控制中心。

人们可以在地球周围“虚拟”出球体

通过控制中心、卫星和客户三者之间的交互

计算客户的位置

(地面控制中心提供了已知的数据，如客户的海拔，具有很好的解算能力。 双星定位原理模式，制图@郑伯容/星研究所)

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还有。

两颗卫星都在地球的静止轨道上

那个轨道的高度是35786公里

运行周期与地球的自转周期一致

总是可以朝向地球的同一个面

保证了整个时间段的信号罩

(地球静止轨道模式，制图@郑伯容/星球研究所)

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从1994年方案中获得正式立项

到2000年两颗北斗卫星成功上了轨道

历时六年以上的研究开发

北斗双星的构想

终于变成了现实

这就是北斗一号

那个信号

复盖全中国

(北斗1号的展望范围是东经70°-145°，北纬5°-55°，制图@王朝阳&； 郑伯容/星球研究所)

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客户不仅收到位置消息，

也可以像“发送邮件”那样积极发送复印消息

这在寻求帮助和援助时特别重要。

就像收音机一样

单方面接收数据的gps等系统

这是做不到的

“发邮件”的特征是可以知道自己的位置，也可以告诉别人。 这在地震、远洋等有点危险的地方很重要。 下图是2008年汶川地震中救助的场景，摄影师@嘉君洋)。

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这个功能是国际上第一个

美国gps之父帕金森教授

后来，这个功能受到了称赞

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我也能知道你在哪里，我在哪里

这是多么美好的体验啊

但是

北斗一号缺陷

同样很明显

其定位精度为20-100米

时间精度是20-100纳秒

与同步gps的10米和20纳秒的差别很明显

此外，只支持150家客户，在线

和全球展望的目标相差甚远

还有

“发送邮件”公式的交互模式

过程繁杂，信号容易被监听

不仅定位有1秒左右的延迟

自身位置也容易露出

对于高速运动的飞机和导弹来说

每一秒生死攸关

在军事行动中机密性更重要

(北斗一号和gps系统的定位操作是制图@郑伯容/星研究所)

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北斗一号

性能有点简单

但是，我们的导航系统基本上处理了前所未有的问题。

北斗之梦已经摇摇晃晃地开始了

今后顺利吗？

03

难攻不下

从新年开始

西昌卫星发射中心变得非常热闹

不到三年

从这里陆续发射14颗导航卫星

一年发射五次

一年发射三次

一年发射六次

( 2007年和2009年发射了北斗二号实验星。 下图是西昌卫星发射中心的两个发射塔架和火箭运输机车的同一个框架，摄影师@余明)。

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还有

还开展了运算和控制等地面辅助系统

卫星和地面调整测试也在同步进行

年末

新系统成功了。

这就是北斗二号

(北斗二号系统运行示意图，制图@郑伯容/星球研究所)

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与北斗一号相比

那个范围明显扩大了

扩大到亚太地区的大部分地区

定位精度也从20米提高到10米

时间精度达到10纳秒

(北斗二号的展望范围是东经70°-150°，南纬55°-北纬55°，制图@王朝阳&； 郑伯容/星球研究所)

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北斗一号独特的通信功能

完善和继承了

在紧急通信中可以帮助越来越多的人

(年4月25日尼泊尔发生8.1级地震，救援人员使用北斗实施搜索救援。 下图是尼泊尔新图巴宁恰克地区震灾后的场景，照片来源@人民视觉)。

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但是这样的升级，

不是一帆风顺的

阻挡在科学家面前的是

重重的难关

难关之一是

卫星怎么配置？

最适合导航卫星的轨道

高约20000公里的

中圆轨道

实现全球展望的最佳选择。

gps等系统的卫星分布

(不同轨道类型和卫星模式，制图@陈思琦&； 陈随/星研究所)

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但是

中圆轨道卫星

跳过目标区域的时间很短

这是

我想实现这个区域的稳定复盖

要发射足够数量的卫星。

但是那时

发射这样卫星的技术

在我国还不成熟

如果一切都采用了日元轨道

一定是充满了风险

为了在短期内实现目标

中国科学家另辟蹊径

第一次开始了“混音”的卫星布局方法

结队布阵

十四颗卫星分布在三种轨道上

四颗中圆轨道卫星除外

有五颗倾斜同步轨道卫星

保证信号到亚太地区的长期展望。

五颗地球静止轨道卫星

实现该区域全期间稳定的复盖

(倾斜同步轨道卫星的运行周期和轨道高度与地球静止卫星相同。 中国首次将倾斜同步轨道卫星用于定位。 下图是北斗二号系统的三种轨道模式，制图@郑伯容/星研究所)

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难关之二是

精度如何提高？

电磁波以光速传播

即使有1纳秒的时间误差

发生的距离误差也有0.3米

所以卫星定位的精度是

第一取决于卫星原子钟的精度

卫星、地面站和客户之间的

时间同步

国际通用的星载原子钟

精度必须达到10-13

相当于每十万年产生一秒的误差

当时拥有这项技术的国家

只有美国、俄罗斯和瑞士

(下图是美国gps卫星的艺术形象图，图像来源@nasa )

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北斗一号使用的原子钟

是从瑞士进口的

但是到了北斗二号

引进原子钟的合作被中断了

所以

北斗二号是为了顺利完成

中国人需要分秒必争

实现原子钟的自主开发

北斗卫星导航系统的卫星和运载火箭分别由中国航天科技集团有限企业所属的中国空间技术研究院和中国运载火箭技术研究院开发生产，下图为中国空间技术研究院的员工正在调整设备，摄影师@宸)

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时间的紧迫性不止这些

难度的三

那就是卫星

如何按时发射。

根据国际电信联盟的规则

卫星运行的轨道和信号频率

录用前必须事先申请。

申请通过后的七年内

完成卫星发射的轨道和信号接收

否则，相关资源将被收回

2000年4月18日

中国的申请通过了

这是今后七年里

卫星和火箭必须万无一失

(卫星和火箭对接的整流罩，在广角拍摄中画面边缘有张力变形，摄影师@南勇)

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科学家们夜以继日

重复实验和测试

七年内掌握相关卫星技术

两年内突破原子钟的难关

只有十多天

完成卫星的取出、测试、重新装入等

一系列又多又杂的操作

修复了即将发射的突发性故障

(卫星发动机出故障，专家们正在仔细检查设备。 其中从右数第二人是北斗1号和2号系统的总设计师孙家栋院士、摄影师@南勇)。

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2007年4月17日下午8点

当人们成功接收到信号时

轨道失效之前的截止时间

只剩下四个小时了

到此为止

吃尽技术封锁，突破

复盖亚太地区的卫星导航系统已经建成。

距离实现全球导航。

只有最后一步

04

天空网

最后一步

各方面都会升级。

北斗三号卫星

招聘寿命从8年增加到了10年以上

其构成部件

实现一切中国制造

其中原子钟的性能将继续升级。

精度达到了1000万年差1秒

此时，火箭技术

我不再成为碍事的人了

一箭双星的发射已经是“炉火纯青”

年末

发射一箭双星

年

发射九箭十七星

年

发射六箭八星

年

发射三箭三星

不到三年

三十颗卫星

前所未有的速度

发射，完成组织网

(年6月23日，北斗3号最后一颗世界组网卫星发射，摄影师@史悦)。

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于是

在宇宙中

三架地球静止轨道卫星

分布在赤道正下方

三颗倾斜同步轨道卫星

稳定覆盖亚太地区

中圆轨道卫星24架

白天和晚上都围着地球跑

那些是共同构成的

一个巨大的卫星互联网

吊在宇宙里

可以说是广阔的天网

从那以后

不管是白天还是晚上

无论你在地球的任何地方

北斗卫星抬头五到六颗

全球涵盖的目标

终于实现了

(北斗三号系统运行示意图，制图@郑伯容/星球研究所)

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这样还不够。

卫星飞越中国境外时

缺少地面控制命令时。

卫星不能保证在正常的轨道上运行

为此目的

人们在卫星之间建了一座桥

彼此可以通信和测距

互相监督队形，自动保持

结构纷杂。

星际链路

这大大减少了

系统对地面站的依赖

即使地面网站全部无效。

北斗系统仍然可以通过星际链路。

自主运行六十天

(星际链接模式，制图@郑伯容/星球研究所)

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还有

中国国内的

在地上

2700多个地面参考网站

和几个数据解决中心

也遍布中国的大地

构成地面数据加工互联网。

即使卫星信号到达

各种地形，建筑物的遮蔽和反射

也可以提供额外的地面新闻补充

人称地基加固系统

北斗地基加固系统包括框架网和区域加固密度网两个部分，其中框架网基站一共155个，区域加固密度网基站超过2700个，下图是框架网站的点分布模式，制图@王朝阳&； 郑伯容/星球研究所)

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经过这项修正和解决

整个系统的误差继续减少

精度持续增加

米级、分米级也可以

到厘米级、毫米级

能准确地到达

设置电子篱笆

保证共享自行车保持在指定范围内

(湖北省襄阳市共享自行车临时保管场所，图片来源@vcg )

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能准确地到达

阅兵方阵中

各类型装备队匀速前进

每一飞行步的米秒都不错

距离误差在正负10厘米以内

(年9月23日，国庆节阅兵预行时的飞行梯子，摄影师@拾城田卫涛)

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能准确地到达

监测水库、大桥等

工程外观变形

(请在横画面上看。 画面左下角是中国第二大水电站溪洛渡水电站。 现在，150多个监视点设置在水电站两侧的边坡上，同时不断提供毫米级精度的数据，及时发现安全隐患，摄影师@柴俊峰)。

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除此之外。

北斗小费

可以嵌入手机。

年第三季度至今

在中国市场申请加入的400部手机中

支持北斗导航的近300种。

(司机采用智能手机导航，摄影师@任炳旭)

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可以装备运输工具。

截至年12月

650多万辆驾驶车辆

四万辆邮政和快递车辆

3200多个内河导航设施

2900多座海上导航设施

装备着北斗系统。

成为世界上最大的运营车辆动态监督管理系统

(重庆市牛角沱轻轨站外，一辆公共汽车在高架桥上行驶，摄影师@拾城崔力)

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到此为止

天网组合在一起了

这是北斗系统进化的终极形态

北斗三号

05

北斗二十年

2000-

从北斗一号首星发射

进入北斗三号末星

二十年了

二十年间

遇到很多困难。

科学家们没有退缩过

他们一步一步地经营，循序渐进

第一步是为了中国

第二步:亚太

第三步，为了世界

今天

中国终于建成了

自己的卫星导航系统

未来

对世界开放

也可以成为70多亿人生活的一部分

(在电力线上设置北斗线故障指示器，正确发现事故部位，及时诊断故障，缩短停电时间。 下图是山谷中这个起伏的输电塔，摄影师@邱会宁)

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空气中

失踪的污染物

纳入环境监测新闻系统。

逃不出北斗的“慧眼”

利用北斗系统可以获取大气污染物相关监测点的实时位置，利用北斗通信功能将新闻发送到监测中心。 下图是排放中的工厂烟囱，做了信号，摄影师@邱会宁)

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田地之间

通过北斗系统和农业设备的合作

能够实时掌握耕作深度、行间等新闻

工作效率提高50%

产量提高5%-8%

(下图是搭载北斗导航系统的播种机从事的场景，吉林省、摄影师@邱会宁)

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还有国境线

山高，林密，谷深恶劣的环境

通信设施全部无法复盖

边防官兵们依靠北斗系统

能够及时、稳定地发布消息

(在手机基站等无法复盖的地区，北斗的定位和通信功能很重要，下图是边防官兵在边境巡逻，摄影师@李涵军)。

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但是

这些还不足够

就像中国卫星之父

北斗一号和二号系统的总设计师

孙家栋说的

▼

我们建设北斗的钥匙还在使用。 更普及，更深入地使用才是胜者。

是

科学家们排列了二十年星星

终于织好了“天罗地网”

中国卫星导航系统

终于从设想变成了现实

而且这是

只是故事的开始

未来的日子

中国的北斗卫星导航系统

责任和使命的真正所在

创作小组

写作:艾蓝星

:桧公子

图片:任炳旭

设计:郑伯容，陈随

地图:王朝阳，陈思琦

审校:黄超，王朝阳

专家的审查

中国科学院计算技术研究所罗海勇博士

【谢谢】本文在创作中得到了清华大学经管学院出身的刘运操的大力支持，非常感谢。

【参考文献】

[1]中国卫星导航系统管理事务所.北斗卫星导航系统的快速发展报告( 4.0版)。

[2]中国卫星导航系统管理事务所.北斗卫星导航系统的应用实例。

谢军、王海红等.卫星导航技术[m] .北京理工大学出版社。

[4]田建波，陈刚.北斗导航定位技术及其应用[m] .中国地质大学出版社。

刘天雄.卫星导航系统概论[m] .中国宇宙飞行出版社，

[6]袁树友.下安物望-北斗应用100例[m] .解放军出版社，

王金锋.空中指南-中国是系列导航卫星[m] .吉林出版集团，2009年发射的。

[8]《开讲了:北斗系统总设计师杨长风》。

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... the end ..。

行星研究所

一群国家地理控制，重点是探索终极世界

原标题:“为了全球导航，中国是怎么做到的？ 』

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