你每天打开导航时有没有想过：在1.49亿平方公里的陆地上，北斗如何找到只有272平方厘米的你？｜科学讲坛——张爽娜

首颗“北斗二号”卫星发回信号的时间，

距离频率申请的失效时间不足4个小时。

每一位科研人员的加班加点，

最终将不可能的事情变成了可能。

张爽娜·航天科技集团五院

航天恒星科技有限公司研究员

格致校园第39期｜2023年 北京

大家好，我是张爽娜，中国航天科技集团公司下属中国空间技术研究院的一名研究员。今年（2023年）是我从事北斗应用的第15个年头，我就给大家讲讲《原来，你是这样的北斗》。

我有一个儿子跟在座的观众差不多大，今年上五年级。他最近喜欢上了灵魂三问：我是谁、我在哪、我在干什么。我今天的讲演也以这3个问题展开。

之前讲座的时候，我经常问大家这样一个问题：如果在野外迷了路，你会怎么办？所有人的回答都出奇的一致：用手机导航。

相信大家应该都用过导航服务，只要打开地图软件，输入想去的位置，它就能帮我们规划好路线，同时还会考虑到有没有封路，我们能不能过去。我在哪儿、要去哪儿、怎么去，这就是手机导航帮我们解决的问题，它已经成为了我们生活不可或缺的一部分。

那在手机导航出现之前，我们是怎样导航的呢？最早的时候，人们如果离开了家，想要找回家的路，往往会利用石堆和刻痕的方式；还有一种就是利用我们熟悉的北斗七星，以北斗七星勺柄的指向以及太阳的相对位置来确定自己的方向；旁边这个叫六分仪的东西之前是给海上船舶做定位用的；这是大家比较熟悉的司南（指南针），也是我国的四大发明之一；最后一种就是我们今天要重点讲述的卫星导航。

“导”是引导的意思，“航”是船的意思。为什么要强调给船指路呢？因为在陆地上，我们可以找一棵奇怪的树或者一座不一样的山当标志，但是在海上很难找到这样的标志点，在茫茫大海上寻找方向就变成非常困难的一件事情，所以最早需要导航的地方就是在水上驾着船行驶的时候。“导航”这个词就源自于引导船舶航行。

除了导航之外，还有一个词叫“定位”，就是确定位置。每次我们把地图软件打开的时候，首先会蹦出来的一个小蓝点代表自己的位置，而确定这个位置并不需要知道地面的信息。

但是如果想让手机引导我们去目的地，就需要结合地面的位置信息，比如有一段路在修今天不能走了，或者旁边有一条河过不去需要绕开它等等，这都是导航的过程。实际上，北斗卫星导航系统给我们提供的是定位，而地图软件解决的是导航的问题。

▲左：确定位置，不需要地面信息

右：引导航向，在定位的基础上结合地面信息

巧妙绝伦与惊心动魄的故事

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那卫星是怎么定位的呢？首先请大家看一幅“旅行者一号”拍摄的照片。

这是在1990年，“旅行者号”即将飞离太阳系时候的回头一瞥所拍下的照片，叫做“暗淡蓝点”。那个小小的亮点就是我们的地球，它在浩瀚的宇宙中就是这么小。可我们人类在地球上又会觉得，“地球怎么这么大？”

▲图片来源：NASA

地球的陆地面积是1.49亿平方千米，如果你穿的是一双34号的鞋，脚印面积只有272平方厘米。当我们想在地球上找到你时，就要把地球不停地拉大、拉大、再拉大。今天，我把这个地图拉到了我们所在的中关村中学，但是大家是不是依然找不到？

实际上，在陆地上找一双34号鞋的面积，相当于在5477.94万亿个小方块里搜索。那北斗或者GPS这样的卫星导航系统是怎么做到的呢？在这里不得不从卫星导航的诞生讲起了，我管这个故事叫做“巧妙绝伦的故事”，它用到了逆向思维。

逆向思维简单来说就是倒过来想。大家知道，第一颗人造卫星是1957年10月由苏联发上天的。苏联成功发射了这颗卫星之后，美国的科学家开始在地面接收它的信号。他们发现，知道了自己的位置，又收到了这颗卫星发的信号，就能计算出来这颗卫星运行的轨道。

于是聪明的科学家想，如果知道了卫星的轨道，同时又收到了测量接收的信号，是不是就能够算出自己的位置呢？没错，这个想法非常正确，我们现在就是用这种方式来确定自己的位置的。目前，不管是北斗还是GPS，通过接收4颗以上的卫星信号，就能够实现准确的定位。

那卫星发下来的信号里都包含什么呢？其实主要是两个部分，一个部分是它的时间，另一部分是它在三维空间内的点位位置。我们用到的手机等导航终端，就是利用卫星告诉的时间，然后计算信号到达的时间差，算出我到每一颗卫星的距离，然后再进行解算。

那卫星发射信号里的时间和位置信息是怎么来的呢？其实是有一整套的地面运行控制系统提供给卫星的。它会告诉卫星时间和位置的计算参数。

目前，世界上主要的全球卫星导航系统有4个：美国的GPS系统、俄罗斯的GLONASS系统、中国的北斗系统以及欧盟的伽利略系统。北斗和伽利略几乎是同时开始建设的，但是现在我们中国的北斗已经完成了全球部署。讲到这里，我们就不得不提一个故事，是一个关于北斗卫星导航信号的频率保卫战的“惊心动魄”的故事。

卫星发射的信号需要申请频率，也就是说，发的信号在哪个频段是要提前约定的，不能随便发。如果随便发就有可能对别人造成干扰，使别人正在发的信号没法用。国际上是由国际电信联盟（ITU）来负责无线电信号频率的管理工作。

国际电信联盟管理这些无线电信号频率有两个规则。第一个规则是先用先得，也就是说谁先申请谁先用。第二个规则是逾期作废。我一旦同意了你在这个频段发信号，7年之内，如果你没有通过这个频段发信号，那么这个频段就会分配给其他想要用的人或者是组织。

在2000年，中国的北斗系统和欧盟的伽利略系统几乎同时向ITU提出了卫星导航这个信号频率使用的申请。2000年4月18日，北斗频率资源获得了批准。大家可以算一算，北斗卫星最晚应该在什么时间发下来这个信号呢？是的，应该要在2007年4月18日之前。

大家再看一下首颗“北斗二号”卫星向北京发回信号的时间，是在2007年4月17日的20时左右，距离频率申请的失效时间不足4个小时。这是每一位科研人员加班加点提高效率的结果，最终将不可能的事情变成了可能。

“北斗三兄弟”都有谁？

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2008年，我开始读博士，这个时候，我们国家正在建设“北斗二号”。

事实上，北斗的建设过程分为三步。第一步是1994年到2000年的“北斗一号”，它有两个特点。第一个特点是区域服务，就是只能够为我们中国及中国周边的地区提供服务。第二个特点是有源，就是如果想定位的话，我需要给卫星发送一个信号，同时还要接收卫星给我发的信号，才能够定位。

从“北斗二号”开始，就不需要再给卫星发信号，只需要接收到卫星发射来的信号就可以实现定位。这种定位我们管它叫无源定位，“北斗二号”和“北斗三号”都是无源定位。它们的区别是什么呢？“北斗二号”形成的是区域服务能力，服务的是中国及周边的亚太区域；而“北斗三号”形成的是全球的导航定位服务能力。

接下来我们再看下“北斗三号”的星座。“北斗三号”的卫星星座实际上分三种轨道，第一种是地球静止轨道（GEO），第二种是倾斜地球同步轨道（IGSO），第三种是中圆轨道（MEO）。我们北斗人把它称为“北斗三兄弟”，也管它们叫“吉星”“爱星”“萌星”。

这3颗吉星、3颗爱星，再加上24颗萌星共同组成了我们的“北斗三号”星座。吉星的轨道高度是35786公里，是高轨卫星，它的单颗卫星覆盖的范围很广，一颗卫星就能够覆盖地球42.4%的面积，三颗卫星就实现了除南北极以外的整个覆盖。

爱星和吉星的轨道高度是一样的，但是爱星的星下点轨迹是绕“8”字型，和吉星对地定点的特点是不一样的。萌星的轨道高度是21528公里，它作为卫星导航系统组网的主力成员，其实一直在地面上画着波浪线，一圈又一圈地在跑。

值得一提的是，“北斗三号”的卫星星座和GPS、GLONASS、伽利略都是不同的，这是国际上首次采用了混合星座来实现卫星导航，我也把北斗三兄弟的小档案做了一个梳理。

大家只要在手机上装一个北斗教仪或者北斗伴APP，就可以感受到北斗卫星在手机上真实接收的情况。

下面三幅图当中，左边的是定位结果，可以看到这里面写的是未定位，这是因为我在录屏的时候在室内，而卫星信号是无法进入到室内的。中间这幅图，我们是能够看到卫星在我们天顶相对于我们的位置的。最右边的这幅图是导航的电文，尽管是一串字母和数字，但如果你感兴趣的话，找一找相关的协议，也能够读懂这些数字背后的含义。

生活中的北斗

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北斗究竟有哪些应用呢？

第一种应用，我想聊聊大家最喜欢收的快递。大家买东西的时候，每天都想知道它什么时候能到手上，实际上在这里面北斗也帮了忙。在快递车、快递员的手机或者终端上是有北斗定位芯片的，这个位置再反馈到快递车辆的监控平台，再由平台推送到购物平台，最终我们就能够在手机上看到什么时候可以收到快递。

另一个大家很熟悉的应用就是电话手表。电话手表当中有北斗芯片，能够获得自己的位置；而这个位置通过我们手机的移动基站，就能够传递到爸爸妈妈手机上，这样爸爸妈妈就可以看到小朋友在哪里了。

接下来的一种应用是共享单车，它们通常有会有一颗北斗芯片获得它的位置。在共享单车刚出现的时候还没有电子围栏，很多车辆会被遗弃在角落里。在北斗电子围栏上线后，如果想把车停在电子围栏外面就不可能了，因为这样没法锁车。

最后我想聊聊大家可能不那么熟悉的灾害预警。在我们国家有很多区域是灾害频发区，比如经常会出现泥石流等自然灾害的山区位置。北斗三号基本服务精度是水平9米，高程一般是10米。如果想要监测灾害，这个精度是远远不够的。所以我们在灾害预警当中采用的是北斗高精度的定位终端，它的定位精度可以达到厘米级、甚至是毫米级。

在地震或者泥石流发生之前，附近的地面会发生位置移动，当北斗监测到位置移动之后，科研人员通过分析位移数据来预测灾害。比如这个区域的位移多次超过了设定的1厘米，科研人员通过分析数据就可能会发出即将发生灾害的预警，让周边的人转移到安全地带。

讲到这儿，大家可能会问，北斗已经建好了，是不是我们没有什么工作可做了？不是的，不管是北斗卫星还是北斗终端，都需要不断地让自己变得更加强大。希望未来有更多的同学能够加入到北斗的建设中来，让我们的北斗成为更好的北斗！

文章转载自"格致论道讲坛"公众号