只差最后1颗星！完全体“北斗”导航能否胜过美俄欧同行？

“北斗全球系统最后1颗组网卫星已经运抵西昌卫星发射中心，各项准备工作正在有序推进，计划6月择机发射。”全国政协委员、中国北斗卫星导航系统工程总设计师杨长风21日在全国政协十三届三次会议首场“委员通道”上说。

经过2018年10箭18星、2019年7箭10星的连续2年超高频率发射后，从下个月开始，我国将名正言顺地在全球卫星导航俱乐部里坐上“坐二望一”的位置，甚至在部分技术指标和功能上，北斗已经超过目前的老大GPS系统。

对于这个20年磨一剑的国之重器，可能有很多人存在各种各样的疑惑：什么是卫星导航系统?为什么要建卫星导航系统?有什么技术难点?北斗在国际上是什么水平，比起美国、俄罗斯、欧盟的导航系统如何?

卫星导航定位原理

什么是卫星导航系统?

用官方说法，卫星导航系统就是是能为用户提供全天候的3维坐标和速度以及时间信息的空基无线电导航定位系统。用大白话说，就是通过卫星信号，确定你在地球上位置的系统。

全球卫星导航系统则是在全球范围提供这种服务的系统。

为什么天上的卫星能够给地上的人提供定位?这就涉及到“四星定位”原理。

假如你所在位置在空间中距离某一颗卫星距离为25000km，距离另一颗卫星距离为28000km，那么以这2个距离为半径、以2颗卫星为球心画球，这2个球的相交面会形成一个圆形，你的位置可能在这个圆形上任一一点。

这时候引入第3颗卫星。假如你和其距离为31000km，以此为半径绕该卫星画球，这个球和之前的圆就相交在这2个点上。

排除掉1个不在地球上的点，剩下1个点就是你的位置。

这样，通过3颗卫星，你就能知道你在地球上的坐标(x，y，z)。

但是，在实际情况下，前面说的“距离”都是伪距，也就是假的距离。因为实际测量中，这些距离是用信号传输时间(光速)倒推的，最典型的就是卫星使用的原子钟和地面接收机石英钟之间的误差。

石英钟的时间误差比原子钟大几个数量级，这可能导致测量出的位置出现几十至数百米的误差。

这时就需要引入第4颗卫星作为时间零点，专门用来计算时间误差，才能精确解算出位置信息。此外，同时能接受到的卫星信号越多，计算出来的位置精度就越好。

从纯数学角度说，计算3个未知数(x，y，z)需要3个方程，这3个方程由3个卫星位置及到用户距离组成，加入时间误差变量(t)之后，未知数变为4个(x，y，z，t)，因此需要4个方程，这种情况就需要4颗星了。

通过这一技术，目前全球四大卫星导航技术精度，定位的精度基本在米量级。

按照美国GPS设计理念，在中距离轨道上布置24颗卫星，就能保证在任意时刻，地球上任意一点都可以同时观测到4颗卫星，实现定位。

除了卫星定位本身，还有2种方法可以提高定位精度，使得定位精度达到厘米乃至毫米的级别。

其中一种是实时动态载波相位差分(RTK)，即基准站通过数据链将其观测值和测站坐标信息一起传送给移动站。移动站不仅通过数据链接收来自基准站的数据，还要采集GPS观测数据，并在系统内组成差分观测值进行实时处理，同时给出厘米级定位结果。

用通俗的话来说，RTK是先架设基站，然后基站把自己的误差告诉你，你再用这个误差项结合自己的数据，去消除自己移动站的误差。

另一种是精密单点定位(PPP)技术，即利用单台双频地球导航卫星系统GNSS接收机，基于载波相位观测值和国际GNSS服务组织IGS 提供的卫星轨道和钟差产品进行单点定位的技术。

简单说就是先建许多观测站纠正定位误差，然后将纠正后的高精度信息发给移动站。

为什么要发展北斗?

卫星导航系统能提供全天候、高精度、实时的服务，在军用、民用领域均有很高的价值。

在民用领域，身处信息时代，导航是每台智能手机不可或缺的需求，可以说，如果没有手机导航，很多人就出门就要抓瞎，现代人依赖的网约车、外卖等行业更是无从发展。中国有着全球最大的卫星导航市场，而这个市场此前一直被美国的GPS系统占据。

而在军用领域，对于精确定位的需求更高，但在过往很长时间内，我国不得不依赖GPS。而美国在GPS系统建设之初，就应军方要求使用了选择可用性机制(SA)，其定位信息被故意加入了误差。虽然后来美国宣布取消SA机制，但实际在使用其产品时都仍有很大的风险及不可预测性。

基于上述考虑，中国开始发展自己的卫星导航技术。

1994年，中国决定启动北斗一号工程，进行试验探索，该阶段以2000年成功发射2颗地球静止轨道卫星为结束。

北斗一号也称为北斗卫星导航试验系统，采用的是比较落后的有源区域卫星定位系统。该系统在进行定位解算时需要用户发送请求给卫星，然后由地面控制中心完成全部的计算任务，将用户需要的数据传回给用户。

无源定位系统则是用户终端不向卫星发送请求信号，而是直接同时接受4课卫星的信号，在用户终端完成定位计算工作。

有源定位系统的优点是成本较低、定位快，但是在定位精度、用户容量、定位的频率次数、隐蔽性等方面均受到限制，另外该系统无测速功能，也不能用于精确制导武器。无源定位由于要靠终端计算，性能有限，定位速度慢，但在其他方面全面领先。

2004年，中国启动了具有初步全球导航能力的北斗卫星导航系统建设(北斗二号)。2007年，中国首颗无源定位卫星在西昌发射场发射成功，标志着国产卫星定位系统进入了一个新的时代。

除了采用和其他三大系统同样的无源定位技术以外，北斗二号还有一大进步：开始使用国产原子钟。

原子钟是利用电子跃迁释放电磁波原理制造的钟。在原子内部，电子绕原子核高速旋转，有不同的旋转轨道。电子在不同的旋转轨道上具有不连续的能量差异，称为能级。电子在不同能级之间跃迁频率是固定的，利用这一特性，便可以制作出非常精确的计时仪器。

星载原子钟是导航卫星上的精密仪器，需要满足卫星发射及在轨运行时需要面对的振动、温度、辐照等环境要求，而且对体积和重量指标极为苛刻。北斗一号建设时，卫星使用的原子钟需由瑞士进口。

而到了北斗二号时，我国开始使用中国航天科工提供的原子钟，自2012年开始，北斗已经开始全部使用国产原子钟，其性能与进口产品相当。

有意思的是，2017年，欧洲伽利略卫星导航系统爆发了大规模原子钟事故，18颗卫星72台原子钟中，有高达9台出现故障。虽然依靠卫星设计时留下的大量冗余度，这一故障并不影响导航系统的使用，但也为其安全性敲响了警钟。

与此同时，印度的区域导航卫星系统(IRNSS)7颗卫星采用了21个伽利略同款原子钟，结果截至2018年也坏了9个。

2009年，北斗三号工程正式启动建设。2017年11月5日，我国利用长征三号乙运载火箭以“一箭双星”方式发射了北斗三号第1和第2颗组网卫星，至此，开启了北斗卫星导航系统全球组网的大幕。

2018年11月19日，我国用长征三号乙运载火箭以“一箭双星”方式成功发射第42、43颗北斗导航卫星，全球组网基本系统空间星座部署任务圆满完成。卫星调试完成后，北斗系统于当年12月开始提供全球服务。

今年6月最后1颗北斗导航卫星发射后，北斗三号全球组网工作将圆满结束。

坐二望一?

很多人关心的一个问题是，当全球组网完成后，北斗导航系统在全世界范围内是什么水平?

这个问题很难回答，因为从总体技术方向上，4家都是一样的，并没有哪个系统领先别人特别多。

比较导航系统最直观的指标是精度。根据官方数据，北斗系统提供的公开服务导航精度为10米，在亚洲区域为5米;GPS公开服务精度也是10米(正在建设的GPS III据称提高了2倍);俄罗斯的格洛纳斯在广域差分系统和局域差分系统下分别提供5-15米和3-10米的精度;伽利略提供1米级别精度的服务。

从这点来看，伽利略似乎是最先进的，但这只是公开服务的精度，比如北斗的授权服务可以达到亚米乃至厘米级别的精度，部分车载系统就可以实现这一点。同时，我们也不知道这个数据的统计口径，到底是单纯的卫星定位精度还是使用了增强辅助手段的精度。

总体而言，误差主要包括以下来源：

1、轨道误差，就是卫星告诉你的位置和其真实的位置有偏差。

2、时钟误差，就是卫星告诉你的时间和标准时间有偏差。

3、伪距噪声，就是导航信号本身的精度。

4、电离层延迟，就是卫星信号在从太空穿越大气层，经过电离层时其速度会变慢，而我们却不知道它慢了多少时间。

5、对流层延迟，与电离层延迟相似。

6、多径，就是卫星信号碰到一些反射物体，发射的信号会对实际信号有影响，让用户误判到底哪个才是真正想要的信号。

7、接收机噪声，就是接收机自己在测量距离时也会带入自己的误判。

在实际使用中，根据美国之前公布的GPS系统数据，时钟误差、轨道误差和伪距噪声导致的误差都是1米，电离层延迟是10米，对流层延迟是1米，多径是0.5米，接收机噪声是1米。

而和卫星直接相关的，就是时钟误差、轨道误差和伪距噪声这3项，对误差影响最大的电离层延迟和对流层延迟，和电离层、对流层的千变万化有关，卫星技术对此无能为力。

为了解决这个问题，之前的GPS和格洛纳斯都提供双频载波信号，利用电离层对不同频段卫星信号干扰程度不同的特性建立修正模型。

像多径误差这种，就要靠更好的天线以及多测来消除;接收机噪声则和设备相关。

然而这也只是民用精度，根据市面上流传的说法，各导航系统的军用精度都要更高。虽然这部分数据外界无从得知，但也可以根据一些消息侧面了解。

首先，在卫星发送的信号码中，军码比民码更短，码长越短精度越高。

其次，军用系统往往有特殊技术。比如，美国在2018年开始发射的第三代GPS导航卫星，就具备一种专供军用的双天线系统，其中一个天线可以向希望提高导航精度和抗干扰性的区域发射指向性波束。

而在这一地区的军码接收机上，将显示出2颗处于同一位置的GPS导航卫星，大幅度提高抗干扰性，并进一步提高定位精度。

另外，一些“硬指标”也可能反映出关于卫星导航系统精度的端倪，比如说导航卫星数量。

根据前文所述的导航原理，同一个地点，能接收到卫星信号越多，定位就越准确。因此卫星数量是影响精度的重要指标。

在这方面，北斗系统的卫星是最多的。北斗系统采用3轨道设计，分别在距离地面21500千米中圆轨道的3个轨道面、赤道上方35800千米高的地球静止轨道和同高度的地球同步轨道部署了27颗、5颗和3颗卫星，总数35颗。

其他3家导航系统卫星都处于中圆轨道，而GPS有32颗卫星(8颗备份)，格洛纳斯有29颗(5颗备份)，伽利略有30颗(3颗备份)。

另一个卫星系统精度的硬性指标是地面站数量和位置，这点和消除电离层延迟等误差相关。

这方面的数据目前尚无详细版本，但基本可以判断，军事基地遍布全球的美国，GPS地面站的位置会远远优于其他系统，可实现全天候无缝覆盖，测定轨精度高，注入频度高。

其他3家除了在自己的地盘经营地面站外，根据公开报道，我国曾和巴基斯坦和东盟签订合作协议。而欧洲则在非洲的传统影响范围发展地面站系统。另外，中俄、中欧之前也曾达成协议，互相在对方领土修建地面站。

除了这些通用指标，北斗还有一些独特的功能：

1、3条轨道。前面说到北斗系统35颗卫星分布在3条轨道上，其中27颗中圆轨道卫星保持对全球范围内任一点的稳定覆盖，而地球静止轨道和倾斜同步轨道的8颗卫星则停留在亚太地区上空提供专属服务，大幅提高本地区精度。

2、3种工作频率。上文提到消除电离层延迟要用到双频信号，而三频则可以构建更复杂模型消除高阶影响。当然，虽然这是北斗先采用的技术，但是格洛纳斯和GPS后续也都在跟进，只不过二者要全部更换卫星还需要一段时间。

此外，在3个频段上发射也增加了不同信号(军用、民用)的调制选项，抗干扰能力得到提升，也提高定位可靠性，对于厘米级乃至毫米级定位中最核心的载波相位模糊度解算也大有益处。

3、短报文系统。北斗一号采用的是有源定位系统，需要卫星和地面双向通信，这在当初本来是落后之处，但是在二代、三代系统完善后反倒成了优势。配合上处于和通信卫星同一轨道(地球静止轨道)的5颗导航卫星，北斗系统有独特的通讯功能——短报文系统。

在常规通讯手段被破坏的情况下，这个功能将发挥重要作用。比如2008年5月12日的汶川地震，那时候的北斗一代系统成为了前期救援指挥部队和前线救援人员最关键的通信手段，最大限度地保证了“72小时黄金抢救时间”的有效利用。

当然，以上功能都只是锦上添花，并不能在全球导航系统对比中起到决定性效果。

那么，为什么大家技术大体相似，还说北斗可以“坐二望一”呢?这主要是从应用和发展的角度来看。

作为全球最先建成的卫星导航系统，GPS在民用市场已经一统江山，而在美国强大的财力支持下，其维护和发展也不成问题。其他3家只能依托于本土市场和GPS市场的夹缝，徐图发展。

剩余3家中，中国本土有14亿人的大市场，之后还可以开拓东盟、一带一路国家等等合作伙伴市场，卫星导航系统的发展也是相当顺利，前途最好。

而俄罗斯本身市场较小，卫星系统的发展也将受限于经济和财政状况。苏联解体后，格洛纳斯的发展长时间停滞，甚至连卫星维护和替换都做不到。本世纪初，该系统一度只有8-10颗卫星能够运作。

此后，在格洛纳斯“粉丝”普京的支持下，该系统得到充足资金，从2003年开始快速完善。但在未来，该系统的发展仍取决于俄罗斯国力。

而欧洲的伽利略发展更为艰辛。之前伽利略坑了中国2.3亿欧元的事已经尽人皆知(不知道的可以在前瞻经济学人APP搜索之前的文章《差点被欧盟坑没的“北斗”，19年后终成世界第一》)，而他们此后也遭到了报应——在美国的外部压力和自己内部撕逼的情况下，伽利略系统发展一度停滞10年之久。

而在2018年恢复卫星导航建设节奏之后，欧洲又面临英国脱欧的窘境。在要求脱离欧盟的同时，英国还在2018年宣布，退出伽利略项目，自建卫星导航系统。而这不仅意味着伽利略系统失去一个提供十几亿资金的大金主，还失去了英联邦这个庞大的潜在市场。