中国的北斗卫星导航系统究竟发展得怎样？

北斗卫星导航系统是中国正在实施的自主研发、自主运营的全球卫星导航系统。 它可以全天候为全球各类用户提供高精度、高可靠性的定位、导航、授时服务，并具有独特的短消息通信功能。

北斗卫星导航系统副总设计师冉承其表示：“我们正在建设的北斗三号系统除了全球覆盖之外，在性能和系统可靠性方面也将有很大的提升。在定位精度方面，将提高一倍。”或者是现有系统性能的三倍。”

中国为何花费如此多的时间和精力发展北斗卫星导航系统？ 是如何与欧洲、美国、日本竞争的？ 中国的北斗卫星导航系统发展得怎么样？ 见下文。

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世界上有一个高端俱乐部。 它只有四名成员，但却引起了各国元首的关注和许多顶尖科学家和工程师的研究。 这个俱乐部就是GNSS（全球导航卫星系统）。 四个成员分别是美国GPS、欧洲GPS等伽利略、俄罗斯格洛纳斯、中国北斗。

中国北斗是新成员，也是发展势头最强劲的成员。 北斗到底怎么了？ 它对我们的生活有什么影响？ 这是一个非常有趣的话题。

1.从GPS开始

1957年10月4日，苏联发射了世界上第一颗人造地球卫星，人类迎来了太空世纪。 美国对此高度关注。 有一位名叫比尔·盖伊的数学家和一位名叫乔治·维芬巴赫的物理学家。 他们在霍普金斯大学应用物理实验室发现了一个现象，那就是这颗卫星的频率发生了偏移，研究发现是相对运动引起的多普勒频移效应。

两位科学家对此进行了实验研究，发现如果在地面设置多个接收器，就可以根据接收到的信号的不同频率差来计算出卫星的具体位置。 他们很高兴地讲述了他们的研究成果。 该实验室主任弗兰克·麦克卢尔表示，他们已经实现了对苏联卫星的多普勒定位和跟踪。

GPS接收器

弗兰克主任当时正在为海军进行一项研究。 研究内容是五角大楼如何获知军舰在茫茫大海中的具体位置。 听到两位科学家的报告后，他眼睛一亮。 既然你能找到卫星在哪里，那么如果你把问题转过来，卫星就能找到你在哪里，我们对海军军舰的定位就有了想法！

GPS系统就是基于这个想法而诞生的。 计划中首先需要解决的问题是：卫星应该采用哪个轨道：低、中还是高？ 如果采用低轨道，发射成本相对较低，精度相对较高。 但如果覆盖整个世界，就需要200颗卫星。 如此庞大的工程，实在是难以承受。

如果采用高轨道，理论上三颗卫星就可以覆盖全球。 不过，除了发射高轨卫星难度较大之外，更重要的是定位精度会很低。 原因有两个：一是轨道太高，会造成误差大。 其次，地球静止轨道与地面物体的相对速度很小，不利于多普勒频移求解方法的使用。

中轨道是一个更为折衷的解决方案。 只需24-36颗卫星即可覆盖全球。 由于轨道是运动的，即使地面物体不动，相对于卫星的速度也很大，可以充分利用多普勒频移。 方法。

基于以上综合考虑，美国选择了由24颗卫星组成的中轨星座。 第一颗于1978年发射，整个系统于1995年投入运行。目前有30颗卫星，分为军用和民用两种定位模式。 该方法向世界开放。

2、美国是活雷锋吗？

GPS极大地提高了人们的生活质量。 比如汽车、手机导航就非常重要。 人们告别了在纸质地图上寻路的历史。 GPS对于探险导航来说更为重要，因为它可以在关键时刻挽救生命。 这么好的东西，美国投入巨资，免费提供给全世界。 美国政府是骗子吗？

事实上，即使GPS不是免费的，也不需要收钱。 为什么这么说呢？ 由于GPS是一种单向通信系统，因此它类似于广播电视塔。 大家都知道广播电视塔只是传输信号。 到底是1个电台收听还是10000个电台收听，广电塔也不知道。 GPS系统也是如此。 这30颗卫星只是不断地向地面发送信号。 它不知道谁在接收和使用这些信号。 如果不知道，怎么能收钱呢？

通过卖高价解码芯片来收钱可以吗？ 答案是否定的，因为GPS采用一种单向通信机制，只发送而不接收。 这是加密传输的固有障碍。 即使实现了加密，几天之内就会被破解，尤其是当民用代码要求简单易用，接收设备要求成本低廉时，加密难度更大。

如果GPS免费的话，全球将形成一个巨大的市场。 以此体系为基础打造国际化新产业，形成强大的国家软实力。 因此，让GPS免费符合美国的国家利益。

免费GPS对于全世界的民生来说是一个福利，但对于军事来说却是一个挑战。 当然，它可以安装在与美国敌对的国家的军机和军舰上，美国人也不能禁止。 这对美国构成威胁吗？ 事实上，GPS只开放民用代码，其精度比美军使用的军用代码差十倍，这是一个巨大的挫折。 更重要的是，如果与美国发生战争，有人给你GPS民用代码，你已经非常依赖GPS了，甚至会失去指南针，这会让你失明。 如果美国不阻止你的GPS而是发送欺骗代码，瞄准美国的导弹可能会飞到自己的阵地，那就更可怕了。

因此，其他国家的军备绝对不能使用美国的GPS。 一旦产生依赖性，就会像吸毒者一样无法自拔。 他们必须开发自己的定位和导航系统。 当然，发展自己的定位导航系统只是少数大国的权利，因为全球定位导航系统过于庞大，综合国力较弱的小国无力承担。 还不如继续用GPS，省心。

三、北斗一代的由来

中国不能担心导航卫星的定位。 事实上，自20世纪70年代以来，它就一直在担心这个问题。 七五规划中提出“新四星级”计划，随后提出单星级、双星级、三星级、三星级至五星级区域系统解决方案、多星级全球体系概念。 研究、论证、再研究、再论证……它永远不会停止。

20世纪80年代初，以“两弹一星”之父陈方云院士为首的专家组提出了双星定位方案。 这在当时被认为是最好的计划，但由于经济条件等各种原因又被搁置了十年。 1991年是一个重大转折点。 海湾战争期间，美国的GPS在战斗中得到了非常成功的应用。 决策者意识到，如果没有这个装置，未来的战斗就不可能进行。 搁置了十年的双星定位计划随即启动。

为什么不像美国那样建立一个由30颗卫星组成的系统？ 当时的国家情况是，没有经验，没有钱。 当你刚开始的时候，你应该放轻松。 从小事做起，制造麻烦。 如果你做大了，很容易把锅弄乱。 有网友肯定会问，只能用空间中的三个坐标来定位。 两颗卫星还不够？ 这是一个很好的问题。 双星定位方案中有一个高度计。 用户需要自行测量海拔高度并将结果作为第三坐标。 这就像在地心安装了一颗虚拟卫星，实现了三星级定位。 那么为什么不直接发射三颗卫星呢？ 原因很简单，高度计很便宜，这个解决方案可以省钱。

只有两颗卫星。 当然，它们不能像美国GPS那样处于中轨道。 如果轨道低，覆盖范围就会小。 这两颗中轨道卫星大部分时间将在中国境外飞行。 那么中国如何利用它们呢？ 所以，我们只能建造高轨道的，而且必须是静止的，才能正常停在中国大陆上空。

对地静止高轨道是双星定位的必然选择。 从技术上来说，这无疑是正确的，但也引发了业绩疲软的隐患。 这是下一个要讨论的问题。 北斗一代饱受诟病。

4、北斗一代饱受诟病

MH370失事后，出现了大量的科普，让大众熟悉了多普勒效应这个词。 多普勒效应对于卫星来说是好事还是坏事？ 这取决于它是什么类型的卫星。 多普勒效应对于导航定位卫星来说是一件好事，因为卫星相对于地面物体和被测物体的相对速度越大，多普勒效应越明显，定位也会越准确。 这甚至是定位导航卫星的核心原理基础。

然而，多普勒效应对于通信卫星来说是一件坏事，因为频率偏移会导致通信失败，必须进行纠正。 例如，位于印度洋上空的亚太国际通信卫星相对于地面是固定的。 失踪的MH370在最后阶段发送的7个搜索信号被这颗卫星测量并发现了频率偏移。 这原本是要修正的数据，但没想到这一点，却成为推测飞机轨迹的唯一证据。

由于中国的两颗卫星处于地球静止轨道，自然可以完成与国际通信卫星相同的通信任务。 因此，定位和通信的能力被设计为北斗一代的技术特征，而GPS等其他定位导航系统则不支持通信功能。

美国的GPS不具备北斗那样的通讯功能。 这不能说是技术落后，因为它的卫星系统各司其职，定位卫星和通信卫星的性能都很出色。 中国第一代北斗扮演两个角色，听起来更全面。 事实上，中国将定位卫星送入通信卫星的轨道，自然获得了通信的副业。

毕竟定位是北斗一代的主营业务。 大部分信道资源必须分配给定位数据的传输，因此留给通信的信道资源非常少。 它不能完成实时语音通信，只能完成短信功能。

由于这两颗恒星的轨道很高，地面被测物体与卫星的相对速度很低，所以多普勒效应并不明显，其定位精度自然远不如GPS。 事实上，通信功能比差很多，定位功能比GPS卫星差很多。

公平地说，北斗第一代已经达到了设计目标，项目非常成功。 毕竟它只有两颗卫星。 哪能和几十颗海事通讯卫星、GPS卫星相比。

我们不妨做一个假设。 如果没有国际海事卫星组织和GPS卫星，既能定位又能通信的北斗第一代就辉煌了。 但问题是，当北斗第一代问世时，这两个卫星系统已经相当成熟。

5. 与伽利略计划的联姻

北斗一代的用户体验比较差，那么接下来该怎么办呢？ 这时，中国看中了欧洲的伽利略项目，这是欧洲国家共同开展的全球定位导航卫星系统项目。 因为这个项目成本太高，没有哪个欧洲国家能够承担得起，但它却不得不这么做。 欧洲国家虽然与美国关系很好，但不能将国家安全完全与美国政府捆绑在一起。

欧洲有技术但缺钱，于是他们把目光投向了中国，双方一拍即合。 但后来，中国越来越觉得不对劲。 欧洲实际上将日本和印度纳入其中。 他们支付的费用较少，但拥有很多权利。 这不是把中国当成了最大的敌人吗？ 中国发现不对劲，下定决心退出。 退出后，它单干，开始研制北斗二号。

北斗二号计划到2020年发射35颗卫星，形成全球定位导航系统，比GPS多5颗。 额外的五颗是赤道上空的对地静止高轨道卫星，主要用于完成短信任务。 其余30颗与美国的30颗GPS卫星相同，均为中轨道移动卫星。

北斗二号的规模与GPS相似，应用的轨道和频率与欧洲伽利略相对一致。 这就不可避免地遇到卫星轨道和频率竞争的问题。 卫星轨道和空间频率是人类共享的资源，应该如何分配？ 国际规则是，不以国家划分，也不以人口划分，谁先占领，谁就说了算。

先到先得的原则是西方发达国家制定的。 他们认为，这是所有国家机会均等的公平原则。 理由是：如果有能力，也可以飞卫星。 我不会阻止你。 如果你不这样做，那就是你自己的错。 如果你从不打架，是不是就意味着赛道和频率会永远为你保留？ 这听起来很有道理，但更重要的是，即使你认为没有道理，你也没有能力阻止发达国家占领轨道和频率。

2005年，伽利略计划的第一颗卫星发射升空，但并未启动。 它只占据轨道，不占据频率。 为什么没有激活？ 原因是没钱，开要花钱，而且欧洲钱有点紧。 中国北斗二代第一颗星也升上了天空，一升上去就开了。 现在轨道和频率都被占用了。

欧洲的伽利略正在慢慢修修补补，而中国的北斗则不断发射卫星，后来又建成了双星。 伽利略项目与北斗二号的部分频率重叠，双方均处于国际电信领域。 联盟已登记，谁先得到谁就得到。 中国的快节奏让欧洲着急了，它通过美国向中国施压，要求中国放慢脚步，等待欧洲人民。

过去，欧美国家依靠技术和经济优势抢占资源，而中国技术和经济无能，只能吃苦头。 你以前从来不谦虚，现在又何必指望我谦虚呢？ 中国不顾欧美的抗议，继续按照既定节奏建造卫星。

6. 亚太地区网络

虽然35颗卫星尚未全部部署，但亚太地区北斗二代定位导航网络已经建成并投入使用。 GPS和北斗都拥有30颗中轨卫星。 他们每个人都在空间中编织了一张网络。 GPS最密集的网络在美国上空，北斗二号最密集的网络在中国上空，为当地提供服务。 这是第一要务。 这个原理当然很容易理解。 加拿大和墨西哥当然会选择GPS，但对于亚太国家来说，北斗比GPS更有优势。

亚太国家已经认识到北斗的覆盖优势，中国政府也积极推动北斗二号在亚太地区的应用。 因此，泰国、马来西亚、文莱、印度尼西亚、柬埔寨、老挝等国于2014年7月派出19名专家来华考察北斗二号，并研究探讨合作事宜。

第一站是武汉光谷北斗集团，参观了国内最大的遥感卫星地面接收站。 第二站是黄石，我们参观了正在建设中的中国-东盟北斗示范城。 第三站是北斗地球。 国际航天工业研究院的第四站是参加“2014年北斗技术与应用国际培训班”。 我在两院院士李德仁带头的武汉大学测绘遥感国家实验室连续学习了半个月。

行程安排非常特别。 我们先带他们参观了一下。 行程非常密集，根本不让你放松。 北斗工业园里的每一处都比上一个更高端、更上档次，让他们的眼睛睁得越来越大，心里也被深深的震撼了。 震惊之余，国际知名科学家李德仁院士亲自授课，解答有关使用北斗的一切疑问。

泰国专家表示，泰国收不到部分GPS卫星信号，但北斗卫星信号全部可以接收。 当然，他们必须参与北斗的“天眼”计划，泰国现在已经建成了第一批CORS（连续运行卫星定位服务）综合系统）。 马来西亚将紧随其后，将成为下一个北斗“天眼”落户国家。

7.在渔业中的应用

北斗的第一次成功应用是2008年的汶川地震。虽然我们的日常通讯非常方便，有电话、短信、互联网等多种方式，但实际上都高度依赖光纤和基站。 当这些基础设施遭到大面积破坏的时候，你会发现QQ、微信、微博、短信……所有平时方便的沟通方式都没有了，除了靠喊叫根本没有别的办法。

当时，北斗仍是第一代系统。 虽然因为性能指标无法与GPS、海事卫星相比而被骂，但北斗第一代系统却展现出了地震时不受地面影响的优势。 其定位和短信功能充分发挥作用，成为救援指挥部队和一线救援人员最有力的通讯助手，最大程度保证了“72小时黄金救援时间”的有效利用，展示了救援指挥部队和一线救援人员最有力的通讯助手。北斗服务民生的技术优势。

远洋捕捞充满危险，遇到风险时及时得到援助非常重要。 最经济的渔民会准备两个电子设备，一个是GPS，另一个是海事卫星电话，以便遇到风险时能够及时寻求帮助。

如果遇到危险需要呼救，首先要使用GPS确定自己的位置，然后用海事卫星电话通知岸上救援队，告诉他们我遇险的GPS坐标，以便他们赶来救援。救我。 当然还有广播电台，但广播电台的可靠性不如海事卫星电话。 生死攸关的时候，如果不能渡过，那就是瞎子。 不过，拥有一部海事卫星电话非常昂贵，但为了关键时刻保命，他们不敢不买。 很多钓友对此都很纠结。

北斗二号网络在亚太地区部署后，渔民有了新的选择，那就是安装北斗卫星船载终端。 北斗双向短信功能在渔船救援中得到了完美运用。 遇到危险时，一键呼救，终端会自动通过卫星向岸上的救援队发送带有定位信息的求救短信，实现了GPS+海事卫星电话的功能，更加方便。

这个航站楼贵吗？ 政府大力推广，将其列为安全机械设备，并​​享受农机补贴政策。 政府追加投入1亿元，为辽宁、山东、浙江、海南等地1万艘渔船免费安装北斗终端。 后续安装将直接获得90%的补贴，渔民只需支付象征性的10%即可安装。

海事卫星电话很贵，但北斗卫星短信贵吗？ 答案是三毛！ 这是有史以来最便宜的卫星短信。

北斗卫星的短信功能很受欢迎。 据浙江省统计，2011年，浙江渔民利用北斗卫星发送短信1300万条，其中船与船之间发送短信604万条，船舶与手机之间发送短信696万条。

渔业省份在岸上建设了基于北斗二号的渔业信息服务基础设施，通过卫星向渔船发送实时天气、海浪、赤潮、鱼潮消息，甚至当天的鱼市价格，帮助渔民决策钓什么鱼。 渔民可以将渔获信息传输到海上岸边，并提前与卖家联系。

8、“两客一险”及地基加固系统

“两客一危”是指从事公路线路客运、旅游包车、危险品运输车辆。 它们必须配备电子定位装置，运行信息及时接入国家网络化联控系统。 在交通管理部门的监控大屏上，车辆的运动状态一目了然，超速、穿越禁行道路等违法驾驶行为会自动报警。 这是保护人民群众生命安全的规定。

“两客一险”的范围还在扩大。 警车、公务车、校车等也被纳入卫星定位监控系统。 不仅为了行车安全，还可以监控公车私用情况，让车辆行驶路线一目了然。 ，数据正确存储在数据库中，不允许驱动程序对其进行掩盖。

这种特种车辆的卫星监控以前需要使用GPS，现在明确要求使用北斗二号。 有人质疑这一点。 以前基于GPS的系统本来可以完成任务，现在却被迫推广国内的北斗。 这不是浪费人力和金钱吗？

这确实不是浪费人力和金钱，而是有长远规划的必要措施。 中国正在计划开发第二代北斗地基增强系统。 它将在路灯杆、信号塔等地安装北斗设备，形成北斗地基增强系统，可与天基卫星配合，实现米级以下的实时定位精度。

一旦北斗二号天基系统和地基系统成功结合，大型卡车将不再敢长期占据超车道。 以前的GPS定位精度是10米，无法区分车道。 给儿童定位的手表会更加准确、灵敏。 定位信息不再是“某个地方附近”，而是精确到孩子站在哪块地砖上。

地基增强系统必须与天基系统密切配合。 如果这个覆盖全国的系统是建立在美国GPS的基础上的，万一有人收费怎么办？ 或者如果底层数据被阻塞，那么我们就会陷入困境。 我们已经有了完全自主产权的北斗二号。 当然我们自己的基础增强系统必须和我们的北斗二号配套。

9、变形检测及自动驾驶测试

北斗二号有很多用途。 据统计，用途有200多种。 例如，其中之一就是变形监测，专门测量水坝、桥梁、高速公路等大型建筑物的沉降和变形。 网友们一定会好奇，北斗和GPS的精度都是10米，怎么能做到这么细致的工作呢？ 这源于差分算法技术。

任何测量都会有误差，对多次测量的结果进行统计平均将有效减少误差。 卫星定位的差分算法也是如此。 一次定位的精度为10米，但通过合并数千个定位数据，就有可能获得更精确的结果，甚至精确到一毫米以内。

显然，测量的次数越多、时间越长，准确度就越高。 但建筑物的沉降和变形速度较慢，可以利用这些特点进行高精度测量。 将北斗设备固定在建筑物上，让它自动接收定位信息。 经过一个月的海量定位数据积累后，进行差分计算。 计算出精度小于毫米的定位数据。 这比手动测量方便、准确得多。 。

很多远程监测点没有手机信号，基于GPS的变形监测必须靠人工采集。 使用北斗进行变形监测的另一个好处是，可以通过北斗短信功能将数据直接发送回基地，只需在其上安装太阳能电池板即可。 现在，定位、差分计算、数据返回全部自动化。

在地面设施的配合下，北斗的实时定位精度远高于GPS，这为另一项业务提供了技术手段，那就是基于北斗二代系统的无考员驾考。

如今，倒车进入停车场等驾驶考试项目已经实现了电子监控，按下线就会触发警报，但路考仍然需要考官。 未来，所有驾驶科目考试可能会完全被北斗系统取代。 测试车辆上安装有北斗接收器。 无论是停车场还是路考，系统都会实时准确记录车辆轨迹并自动评分，会比考官更加严格、公平。

十、北斗二号推广

采用免费或补贴的方式推广北斗二号。 例如，当渔船安装北斗设备时，政府并没有禁止渔民继续使用GPS和海事卫星电话。 相反，它为北斗设备提供大量补贴，并且仅象征性地收取卫星短信费用。 显然，北斗方案性价比更高。 当然，渔民会安装北斗并放弃它。 使用 GPS 和海事卫星电话。

北斗二号拥有200多个应用，以不断提供更好的北斗产品。 当时国内很多研究定位导航的高科技公司都转向北斗二号进行研究。 北斗二号的技术体系与GPS类似。 从GPS切换到北斗并不困难。 北斗二号项目的研究将享受高新技术企业的免税政策和资金支持。

11. 国际电信联盟

标准和法规是电信行业的重中之重。 国际电信联盟是负责制定国际电信规则和标准的国际组织。 它的地位在信息时代变得越来越重要。 国际电信联盟正在制定5G关键技术、频率范围和技术标准。 这是影响全球电信业发展的一件大事。 此外，还接收各国卫星轨道和频率的申请，并进行备案和审批。 中国专家Zhao 当选为国际电信联盟的新秘书长，成为国际电信联盟150年历史上的第一位中国秘书长。

据估计，新的行业正在出现数千亿，而贝杜的前景非常乐观。

资料来源：Lei ，智囊团（ID：），作者：传播博士，受欢迎的科学作者Occam的Razor | 综合共产主义青年联盟中央委员会（ID：）