關(guān)于「北斗」的不正經(jīng)科普

寫(xiě)在前面

2020年是不平凡的一年。我們?cè)诮?jīng)歷疫情考驗(yàn)的同時(shí)，在航天領(lǐng)域捷報(bào)頻傳。今天和大家嘮一嘮其中和大家關(guān)系最緊密的北斗的故事。咱北斗前幾天還因?yàn)榻ǔ砷_(kāi)通又上了新聞~

• 19年1月3日，嫦娥四號(hào)在月球背面著陸成功。

• 20年5月5日，“胖五”（長(zhǎng)征五號(hào)B運(yùn)載火箭）搭載新一代載人飛船發(fā)射成功。

• 20年6月23日，長(zhǎng)征三號(hào)乙運(yùn)載火箭搭載北斗三號(hào)最后一顆全球組網(wǎng)衛(wèi)星發(fā)射成功。

• 20年7月23日，長(zhǎng)征五號(hào)遙四運(yùn)載火箭搭載火星探測(cè)器“天問(wèn)一號(hào)”發(fā)射成功。

在這一年多的時(shí)間里，中國(guó)在航天領(lǐng)域取得了許多歷史性成就。

其中，在2020年6月23日9時(shí)43分，我國(guó)成功發(fā)射了北斗系統(tǒng)第55顆導(dǎo)航衛(wèi)星，這是北斗三號(hào)的第30顆，也是最后一顆全球組網(wǎng)衛(wèi)星。至此北斗三號(hào)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)比原計(jì)劃提前半年時(shí)間全面完成部署。2020年7月31日，北斗三號(hào)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正式開(kāi)通。

這對(duì)中國(guó)，對(duì)通信行業(yè)是件大事，也對(duì)我們的日常生活有著重要的影響。

有兄弟姐妹對(duì)北斗不太了解，今天就和大家來(lái)嘮一嘮。

謝邀，人在蒙古，剛下航母。

什么是北斗？

這次要聊的北斗，可不是劉歡《好漢歌》里的“天上的星星參北斗”的北斗星，而是中國(guó)發(fā)射的人造地球衛(wèi)星。

人造地球衛(wèi)星是用途最廣、發(fā)射數(shù)量最多和效益最高的航天器。

1. 人造地球衛(wèi)星若按運(yùn)行軌道，可以分為：

• 低軌道衛(wèi)星，軌道高度為200～2000千米
• 中軌道衛(wèi)星，軌道高度為2000～20000多千米
• 高軌道衛(wèi)星（地球靜止軌道、地球同步軌道衛(wèi)星），軌道高度為35786千米

我們的北斗用的是后面兩種，包括24顆21500km的中圓地球軌道（MEO）衛(wèi)星、3顆地球靜止軌道（GEO）衛(wèi)星、3顆傾角55°的地球同步軌道（IGSO）衛(wèi)星。

2. 人造地球衛(wèi)星若按用途，可以分為：

• 科學(xué)衛(wèi)星（對(duì)內(nèi)探索地球、對(duì)外觀測(cè)天體）

• 技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星（例如載人航天前送動(dòng)物上天的返回式衛(wèi)星）

• 應(yīng)用衛(wèi)星

和我們?nèi)粘Ｉ铌P(guān)系比較緊密的是應(yīng)用衛(wèi)星，它包括氣象衛(wèi)星、通訊衛(wèi)星、導(dǎo)航衛(wèi)星等。

北斗就是其中的導(dǎo)航衛(wèi)星，用于定位導(dǎo)航，可沒(méi)有啥死兆星什么的。

導(dǎo)航不是GPS嗎，有人用北斗嗎？

說(shuō)到導(dǎo)航，大家都不陌生。開(kāi)車或者去陌生的地方旅游，誰(shuí)不開(kāi)個(gè)高德或百度的地圖軟件？現(xiàn)在家用小汽車那么普及，絕對(duì)和這有很大關(guān)系。不然車開(kāi)一半不認(rèn)識(shí)路了，要我停車翻紙地圖，那還不如打的找老司機(jī)帶帶我呢。導(dǎo)航軟件拯救了多少像我輩一樣的天然路癡，功德無(wú)量~

但是，我們經(jīng)常聽(tīng)導(dǎo)航軟件在叫“GPS信號(hào)弱”，而不是叫“北斗信號(hào)弱”，北斗是不是根本就沒(méi)人用，是一個(gè)面子工程呢？

答案當(dāng)然是：

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地圖軟件實(shí)際使用的是全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)GNSS（Global Navigation Satellite System）。而有能力把衛(wèi)星咻~咻~咻~~上去提供全球定位導(dǎo)航的只有四家：

• 美國(guó)，GPS（Global Positioning System，全球定位系統(tǒng)）

• 俄國(guó)，GLONASS（格洛納斯）

• 歐洲，Galileo（伽利略）

• 中國(guó)，北斗（BDS）

另外，還有日本準(zhǔn)天頂衛(wèi)星系統(tǒng)QZSS和印度區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)IRNSS，它們只能提供局部區(qū)域的定位導(dǎo)航。

一般國(guó)內(nèi)在售的安卓手機(jī)都是北斗的用戶了，里面的芯片是幾種導(dǎo)航系統(tǒng)都支持的。蘋果手機(jī)目前支持GPS，還不支持北斗。下面是一張基站側(cè)在網(wǎng)管后臺(tái)設(shè)置GNSS的截圖，在國(guó)內(nèi)我們一般設(shè)置為“GPS/北斗 GPS主用”或者“北斗/GPS 北斗主用”，GPS和北斗之間支持無(wú)縫切換。手機(jī)側(cè)和基站側(cè)一樣，只要手機(jī)支持，不同GNSS系統(tǒng)之間就是兼容的。

 

既然北斗和GPS是兼容關(guān)系，可以隨便切換，那為什么導(dǎo)航軟件只說(shuō)“GPS信號(hào)弱”呢？

這就是美國(guó)GPS的先發(fā)優(yōu)勢(shì)。

美國(guó)是最先研制衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的國(guó)家，美國(guó)的GPS緊隨俄羅斯的GLONASS之后開(kāi)放民用，在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，都是精度最高、市場(chǎng)份額最大、認(rèn)同度最高的。

先發(fā)優(yōu)勢(shì)帶來(lái)了命名和頻段上的優(yōu)勢(shì)。

• 命名優(yōu)勢(shì)簡(jiǎn)單，我先出生的，我起名叫李逵，你后出生的，不能重名，那你只能叫李鬼。這就是為什么后面國(guó)際通用的全球?qū)Ш较到y(tǒng)只能叫“雞你死（GNSS）”這么拗口的名字。因?yàn)楹?jiǎn)單明了的GPS，美國(guó)已經(jīng)叫過(guò)了吶。感覺(jué)那還不如叫“雞你太美GNTM，Global Navigation Trace Management”呢~

• 頻段優(yōu)勢(shì)是因?yàn)樾l(wèi)星發(fā)射信號(hào)大家不能用同樣的頻段，不然會(huì)互相干擾，而衛(wèi)星頻段又是誰(shuí)先申請(qǐng)誰(shuí)得。這就像種地，有幾塊地山清水秀適合種莊稼，美國(guó)GPS先來(lái)，就把最好的給先挑了。

所以，現(xiàn)在你在國(guó)內(nèi)用的可能就是北斗，只是因?yàn)槊绹?guó)GPS以前優(yōu)勢(shì)大、應(yīng)用廣，導(dǎo)航軟件根據(jù)習(xí)慣把北斗也叫成了GPS而已。

那北斗和美國(guó)GPS比誰(shuí)更厲害呢？

1. 從衛(wèi)星數(shù)量上看，北斗和GPS棋逢對(duì)手

美國(guó)GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由24顆衛(wèi)星組成，全部都是中軌道衛(wèi)星。參見(jiàn)https://www.gps.gov/

中國(guó)北斗2020.6.23完成北斗三號(hào)組網(wǎng)。北斗三號(hào)并不是單獨(dú)的衛(wèi)星，全稱是北斗三號(hào)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。三號(hào)系統(tǒng)是由30顆衛(wèi)星組成，包括24顆中軌道衛(wèi)星，6顆高軌道衛(wèi)星。北斗比GPS多的這6顆高軌道衛(wèi)星，可以為亞太地區(qū)提供更好的定位和短報(bào)文通信服務(wù)。參見(jiàn) http://www.beidou.gov.cn/

 

2. 從定位精度上看，北斗在中國(guó)現(xiàn)在是翻身做主人了

GPS在地球上任意區(qū)域，每時(shí)可見(jiàn)4~11顆衛(wèi)星。在地球上很多開(kāi)闊無(wú)遮擋的區(qū)域，GPS都能夠搜到8顆以上的衛(wèi)星。

北斗在亞太大部分地區(qū)，每時(shí)可見(jiàn)約12~16顆衛(wèi)星，全球其他地區(qū)每時(shí)可見(jiàn)4~6顆衛(wèi)星。

每時(shí)可見(jiàn)的衛(wèi)星多，說(shuō)明頭上的衛(wèi)星多。由于無(wú)線信號(hào)有這樣那樣的干擾，就像六月的天氣一樣善變~導(dǎo)致它充滿了不確定性。

所以，能同時(shí)搜到的衛(wèi)星越多，導(dǎo)航系統(tǒng)自動(dòng)校準(zhǔn)的準(zhǔn)確度就越高。畢竟定位時(shí)是按時(shí)間×光速計(jì)算的，真“失之毫厘謬以千里”。

為了實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的定位，需要至少能夠同時(shí)收到4顆衛(wèi)星的信號(hào)。低于這個(gè)數(shù)，就會(huì)叫“GPS信號(hào)弱”了。因此，頭上衛(wèi)星越多，這就增加了在有一點(diǎn)遮擋的場(chǎng)景下，準(zhǔn)確定位的希望！

北斗系統(tǒng)可向全球提供優(yōu)于10米的定位服務(wù)，亞太地區(qū)定位精度達(dá)到2.5~5米。還可以通過(guò)精密單點(diǎn)定位、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分（RTK，Real-time kinematic）、廣域差分等方式進(jìn)一步提高定位精度。更多的衛(wèi)星，保證了北斗相對(duì)于美國(guó)GPS的主場(chǎng)優(yōu)勢(shì)。畢竟咱還是講究為人民服務(wù)的嘛~

北斗現(xiàn)在可以提供哪些服務(wù)呢？

1. 北斗當(dāng)然可以提供導(dǎo)航服務(wù)

在國(guó)內(nèi)馳名的獐子島扇貝逃跑事件。證監(jiān)會(huì)就是借助北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)，通過(guò)獐子島采捕船衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)，還原了采捕船只的真實(shí)航行軌跡。獐子島自述采捕海域的120個(gè)調(diào)查點(diǎn)位中，有60個(gè)點(diǎn)位采捕船根本就沒(méi)去。證監(jiān)會(huì)通過(guò)北斗輔助，證明了獐子島對(duì)調(diào)查結(jié)果進(jìn)行造假，處以60萬(wàn)元罰款，對(duì)15名責(zé)任人員處以3萬(wàn)元至30萬(wàn)元不等罰款，對(duì)4名主要責(zé)任人采取5年至終身市場(chǎng)禁入。

 

2. 北斗可以救命

其他的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)都是無(wú)源系統(tǒng)。即，衛(wèi)星只管不停發(fā)射信號(hào)，接收的人自己計(jì)算自己在什么位置。

而北斗獨(dú)有的有源定位和短報(bào)文功能，可以化被動(dòng)為主動(dòng)。有源定位功能，可以通過(guò)專門的北斗終端（不是手機(jī)）告訴別人我在哪。短報(bào)文功能就是衛(wèi)星的短信功能。它們?cè)跒?zāi)害救援、搜救場(chǎng)景，有非常大的價(jià)值。因?yàn)樵诤Ｉ?、深山等手機(jī)沒(méi)有信號(hào)的地區(qū)，或者是由于自然災(zāi)害導(dǎo)致通信中斷時(shí)，北斗系統(tǒng)就是保障生命安全的“千里眼”。

2008年汶川地震時(shí)，震中地區(qū)受災(zāi)極其嚴(yán)重，通信、電力、交通全部中斷，無(wú)法與抗震救災(zāi)指揮部取得聯(lián)系。所以每次救災(zāi)，都能看到咱通信人沖在最前面搶修和恢復(fù)通信的消息。

而在通信恢復(fù)前，前往汶川救援的部隊(duì)就是因?yàn)閿y帶了北斗終端，才能及時(shí)向指揮部報(bào)告自己的位置，方便指揮調(diào)度。并且還通過(guò)北斗短報(bào)文功能，發(fā)回了“我支隊(duì)已于11時(shí)以摩托化向成都方向機(jī)動(dòng)”、“臥龍?zhí)貐^(qū)請(qǐng)求空投帳篷和藥品”等重要消息，最大限度地保證了“72小時(shí)黃金搶救時(shí)間”的有效利用。

2020年7月，在湖南省石門縣由于持續(xù)大量降雨導(dǎo)致山體滑坡?？购榫葹?zāi)前線也通過(guò)北斗系統(tǒng)對(duì)可能發(fā)生滑坡、水位暴漲的險(xiǎn)情，進(jìn)行24小時(shí)監(jiān)控，提前發(fā)布預(yù)警，在災(zāi)害發(fā)生前撤離14戶33人。

 

3. 北斗還可以幫助生產(chǎn)

北斗結(jié)合遙感技術(shù)，還可以測(cè)量土地分布、土壤養(yǎng)分、林區(qū)面積等。

2020年5月27日，測(cè)量隊(duì)登頂珠峰，重新對(duì)珠峰高度進(jìn)行精準(zhǔn)測(cè)量，就有使用北斗衛(wèi)星系統(tǒng)進(jìn)行配合。此次珠峰高程的精確測(cè)定，可以結(jié)束國(guó)際上對(duì)珠峰高度口徑不統(tǒng)一的混亂局面，為世界地球科學(xué)研究做出貢獻(xiàn)。特別是此次測(cè)量所使用的北斗系統(tǒng)、國(guó)產(chǎn)測(cè)繪儀器，我國(guó)都擁有自主核心技術(shù)，其社會(huì)效益和科學(xué)意義巨大。

故事還將繼續(xù)

故事還將繼續(xù)

在同一個(gè)領(lǐng)域，不管是國(guó)家還是科技，沒(méi)有永久的和平，不變的只有競(jìng)爭(zhēng)。北斗的發(fā)展歷經(jīng)坎坷，從白手起家，不斷克服困難和積累沉淀，現(xiàn)在終于走到了世界前列。

北斗是如此，通信行業(yè)整體也是如此。1G空白，2G跟隨，3G參與，4G追趕，5G領(lǐng)先。

發(fā)展的歷程與艱辛，篇幅有限就不去回顧了，但是故事還沒(méi)有結(jié)束，相信在一代代通信人的艱苦奮斗下，未來(lái)我們會(huì)做得更好！

最后說(shuō)一句

好奇自己手機(jī)到底在接收啥子衛(wèi)星信號(hào)的朋友，可以在安卓應(yīng)用商店下載個(gè)叫“北斗伴”的APP。如下，可以看到手機(jī)當(dāng)前能搜到的衛(wèi)星有哪些。

（友情提示：該APP功能有點(diǎn)玄幻，經(jīng)常自動(dòng)關(guān)閉，玩玩就好）

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