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北斗上天“拯救路痴”,卫星导航远不止收发信号

中奇 万铎 黄阳 发自 凹非寺

鹅板凳 | 公众号 ebandeng

经历了一番波折,本周我国北斗卫星导航系统终于成功发射了最后一颗组网卫星,中国终于用上了自己的全球导航系统。

作为中国迄今规模最大、覆盖最广、性能最强也是最复杂的巨型航天系统,北斗导航和其他国家的全球卫星导航系统有什么区别?我们又是如何通过卫星实现导航和定位的?

 

今天大鹅就和大家一起聊聊这些问题。

我们如何在地图上定位?

 

卫星定位早就不新鲜了,打开手机地图查看自己的方位已经是大家每天的日常。极端情况下,甚至不联网也能勉强定位一下。

 

但你想过这一切是怎么实现的么?

 

你肯定会说了:“这还不简单?我向卫星定位系统发个查询请求,系统再返回一个坐标,完事儿。”

 

但要真按这个方法,全世界那么多人挨个找卫星查位置,卫星可不得累死?

 

所以实际上,卫星是通过向地面发送广播,然后手机再接收来实现的

 

先举个简单的例子。

 

假如你穿越回了第二次工业革命前,也就是没有电子产品的时代,这时候你身上只有一张纸质地图,但并不知道自己在哪。

 

于是你开始询问身边的人,第一个人不是本地人、也不知道这是哪里,但他是从七侠镇溜达着过来的,走了大概有40里地。

 

那么你的位置,一定在以七侠镇为圆心,40里地为半径的圆上对吧?

 

 

但这样的地点太多了,你还是不知道自己在哪,于是你问了第二个人。他也不是本地的、也不知道这是哪,但他是从十八里铺赶着马车过来的,走了100里地。

 

那么现在你的位置肯定也在以十八里铺为圆心,100里地为半径的圆上。

       

根据地图一合计,这个圆和之前七侠镇那个圆有两个交点,所以你肯定是在这两个点上,范围虽然缩小了,但你仍然不知道自己在哪,于是你问了第三个人。

 

第三个人,这不巧了么,也不是本地的,他不知道这是哪,但他是从左家庄坐着驴过来的,走了20里地。

 

那么现在你就在以左家庄为圆心,20里地为半径的圆上,跟刚才的信息一综合,三个圆交叉在一个点上,你就知道了,原来自己来了平谷飞龙影视基地……

               

 

卫星定位的原理和这个差不多。

 

只不过现实生活中我们除了平面位置上的(x,y)信息之外,还能得到高度信息,也就是z轴坐标,卫星定位就是通过这三个球面的交点,来确定你的位置信息的。

 

搞懂了原理,我们接着往下说。

 

首先我们需要找到三个球心的位置。

 

导航系统里的卫星们都是一直在绕着地球转的,每时每刻都在向地面发送着自己的三维坐标,也就是经度、纬度以及高度三个信息,咱们用(x,y,z)表示。

 

光确定球心还不够,要算出来你所在的位置还需要知道半径。这时候我们就需要另一个参数,也就是时间

 

卫星里面还有一个很重要的部件,叫做原子钟,说白了,它就是一个时间非常精确的……钟。每次卫星发射自己坐标的时候,其实除了xyz轴的数据,它还会连带着把时间t也一块播报出去。

 

这些信息通过电磁波被手机接收之后,拿手机的时间和卫星上原子钟中的时间一对比,就知道电磁波飞了多久。

 

根据小学二年级知识我们知道,电磁波的速度是固定的,时间乘以速度就等于距离,这样一来半径就弄清楚了,就可以确定我们在地球上的坐标了。

 

但实际的卫星定位是通过四颗卫星的信息来确定坐标的,之所以比上面理论上多一个卫星信息,是为了验证准确性。

 

比如现在我们已经知道了第一组和第二组的圆心和半径,那么第三组的圆心恰好在一二两个交点点连线的中间,那么第三组数据就没用了,这时候就需要第四组的数据来工作了。

 

那么也许你会问,如果第四组数据的圆心恰好也在这咋办?

 

现实生活中这种现象是不可能出现的。因为这代表着俩卫星已经撞在一起了,这是在卫星发射阶段就已经完全杜绝的事情。所以我们说,想确定自己的定位最少需要四颗卫星。

 

当然上面这些只是理论,实际生活中还会有许多其他因素影响定位的准确性,比如云太厚阻挡信号;比如大厦太多反射信号;又或者你生活在重庆这种导航软件克星之城…… 

      

 

为了解决这些问题,现实生活中的卫星定位,往往还会通过手机基站、WiFi固定的Mac地址、数据模型预判等一系列操作来帮助进一步定位,这里我们就不展开讲了。

 

北斗和GPS有什么区别?

 

在开始谈差别之前,我们首先需要明白,构建了卫星定位系统的国家不只中国和美国,全球范围内还有一些友商。这些友商主要包括区域性卫星定位全球卫星导航两个大类。 

       

      

咱们先说个大家最熟悉的,美国的GPS。

 

这套系统由美国政府于1970年代开始进行研制,并于1994年全面建成,设计卫星数量24颗,实际在轨31颗

 

它的强大主要来自于研发早、技术积累多。说人话就是精度高。民用级别定位的的空间误差从2001年的1.6米一路下降到了2014年的0.7米。

 

发展早、精度高使得它占据了卫星定位市场很大一部分份额,目前全球范围内绝大多数民用的卫星定位都是基于GPS来运行的。

       

       

第二个咱们要说的就是俄罗斯的卫星定位系统——格洛纳斯

 

这套系统最早是苏联在1982年开始研发的,苏联解体后一度丧失了大多数卫星与功能。后来俄罗斯接过了衣钵,缝缝补补又接着用了。

 

格洛纳斯系统设计卫星数量24颗,实际在轨卫星有27颗

 

这里插一句,卫星定位这件事吧,最开始是给打仗准备的,后来发现日常生活中也存在需求,逐渐开放了民用层面的业务。

 

而且由于前苏联采用了频分多址体制(FDMA),让卫星信号抗干扰能力更强了。于是乎这个格洛纳斯的精度一度比GPS还高

       

      

除了二战后美苏两大势力以外,其他国家和地区也不想在这个领域受制于人,欧盟琢磨着自己也该来一套卫星定位系统,于是有了2002年的伽利略计划。

 

该系统由欧盟通过欧洲空间局欧洲导航卫星系统管理局建造,总部设在捷克共和国的布拉格。

 

整个卫星定位系统有两个地面操控站,分别位于德国慕尼黑附近的奥伯法芬霍芬和意大利的富齐诺,现有22颗在轨卫星

 

中国一开始也有加入这个计划,寻思着跟欧洲一块做。钱啊、资源啊都没少砸。

 

结果发现欧洲这帮人啥都不带我们玩,核心技术也不让我们看,一气之下咱们就另起炉灶了,那之后才有了北斗二代、三代。

 

说完全球卫星导航系统,咱们来聊聊区域性的。啥叫区域性?就是没钱、没技术,只能覆盖特定区域的卫星定位

        

        

首先是印度区域导航卫星系统,简称IRNSS、NAVIC。它是一个由印度空间研究组织(ISRO)发展的自由区域型卫星导航系统,印度政府对这个系统有完全的掌控权。

 

它的诞生还有一段故事,说的是1999年,在印度和巴基斯坦战争期间,印度这边优势本来比较明显。

 

然后美国看到了,觉得不能让印度太得瑟,于是就直接关闭了印巴战区的所有GPS服务。导致印度的武器和士兵瞬间拉垮,遭受了巨大的损失。

       

     

 印度人气不过,觉得还是自己弄的靠谱,于是乎就有了现在的IRNSS,现有在轨工作卫星7颗,计划在未来将在轨工作卫星提高到11颗

       

      

美国在这方面没吃过亏的另一个小弟日本,则走向了另一个方向。

 

日本的许多城市高楼密布,卫星信号很容易在各种光滑垂直的墙面上形成反射,造成“城市峡谷”效应,这就造成了GPS的定位精度在日本大大下降。

 

日本人一琢磨,那咱们就做个GPS补完计划吧,于是有了准天顶卫星系统。基本上就是往天上多发射几个卫星,弥补GPS在日本使用上的不足。

 

准天顶卫星发送的GPS可用性增强信号和现代化的GPS信号兼容,因此确保了两系统的互通性,通过这种方法提高GPS在亚太地区定位能力的稳定性和准确性

 

日本这个准天顶卫星系统最初是计划发四颗卫星就完事儿,实际上也在18年全部发射完毕了。

 

但是后来想想感觉光靠美国还是不太靠谱,于是17年时宣布打算再发射三颗卫星,以保证哪天GPS信号用不了了,自己手头还能有个备份。

 

印度人默默点了个赞。 

              

说了这么多,终于到了我们自己的北斗卫星导航系统。

 

从2000年发射的第一颗北斗卫星开始到现在,北斗卫星导航系统一共走过三代,今年最后一颗组网卫星发射完成,北斗全球星座的布局就算是完成了。

 

刚说到我们的北斗二号和三号是因为发现欧洲人不靠谱所以我们回来自己弄出来的,这里还有个小插曲,就是能够给卫星定位系统使用的频段是有限的,好的频段之前都被美国苏联占得差不多了,所以之前和伽利略合作的时候,和欧盟一起申请的是同一信号频段

 

但后来不是闹掰了么,就这个信号频段的问题跟欧盟也闹了8年。

 

闹归闹,集中力量干大事的咱们可是没闲着,截止到2012年底我们的北斗二代已经发射了16颗卫星,并正式提供了亚太区的定位服务。相比之下欧盟的伽利略才发射了6颗卫星。

 

欧洲人不得不服,也只好按照规矩跟咱们协商着来,最后中欧在2015年达成了频率共用共识。

 

到了现在的北斗三代,无论是卫星本身的硬件水平,还是定轨、运控等方面都有了大幅提高,卫星的服务范围也从原来的区域性定位提高到了现在的全球服务水平。

 

总结

北斗是不是很强?

 

是,我们花了二十多年的时间就走完了其他国家四十多年的路。

 

从刚开始步履蹒跚,三年才发射了四颗卫星,到后来技术大爆发,单单2018年就进行了十次火箭发射任务,将总计十八颗卫星放到了预定轨道,这也创下了全球卫星导航系统组网最快纪录。

 

光是定位精度,北斗已经和GPS不相上下了。

 

北斗三号系统中的导航卫星单机和关键元器件,国产化率也已经达到100%

 

这一系列成功使得我们在国家安全层面不再受制于人,这也是为什么GPS已经很好用了,我们还要自己下大功夫研究一套卫星定位系统的原因。

 

当然我们也要看到不足,在稳定性、卫星质量和使用寿命上,我们和最新的GPS仍有差距。

 

特别是在GPS已经有了非常成熟的、庞大的商用规模情况下,北斗较高的芯片成本让我们短时间内不容易打开市场局面。

 

当然啦,我们既然能只花一半的时间就完成了别人写了四十年的作业,大鹅相信这些困难的解决也只是时间的问题。

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