導航那些事

大家都看過《魯賓遜漂流記》，如果現在有一個人獨自漂流到了孤島上，這個時候他有GPS，他就能知道自己在什么位置，但他無法通知別人，還是只能在荒島上求生。而如果他用的是北斗系統，不僅可以知道自己的位置在哪里，而且還能夠把位置發送給幾十公里、幾百公里之外的人，很快得到救援。

導航系統與地圖的關系

今天我們主要聊聊與生活相關的導航的那些事。

首先要明確的是，導航系統和地圖是兩個東西。北斗是我國自主建設的衛星導航定位系統，是我國基礎建設的設施，而高德地圖和百度地圖等是地圖。

高德公司和百度公司是把導航的定位結果顯示在地圖上，讓你知道你在地圖上的什么位置，如何去往地圖的另外一個位置，所以數據既可以是GPS也可以是北斗，這一點我們是看不見的，主要取決于我們手機里面的芯片。

因此地圖不等同于導航，導航是國家的基礎設施，地圖將導航呈現給所有用戶，使用戶有一種更好的直觀體驗。

導航定位的原理

要了解導航在生活中的其它用途，先要知道導航到底是什么。

很多人以為導航是一種能夠指導我們從一個地方走到另一個地方的工具。事實上，導航不只是一個表面現象，它更是一門復雜的科學，除了與衛星和電磁波有關，還與時間離不開關系。

衛星導航的基本定位原理是一個三球交匯的定位，確定一個衛星的位置，確定與衛星的距離，然后以衛星為圓心畫出一個球面。假設我在這個球面上的某一個點，當我要測量我和三個不同衛星不同位置的時候，畫出三個球體，三個球體交匯在一點上，這一點就是我的位置。

這個過程最重要的是需要測量我和衛星之間的距離，通過測量電磁波在空中傳播的時間來獲得。現在的導航系統定位精度能夠達到厘米級甚至是毫米級，這就意味著在導航系統當中一定要把時間做得非常精準。

衛星導航定位需要多準，有物理學家在實驗室發現，當他們的原子從一個能級到另一個能級的時候帶來的能量是非常穩定的。如果我們以這個頻率作為一個鐘擺的話，能夠得到非常精準的時鐘，這也就是原子鐘的由來。

中國原來沒有原子鐘的技術，計劃從瑞士進口原子鐘，但是進口遭到諸多阻撓，所以決定自主研究，大概花了兩到三年的攻關時間解決了中國原子鐘的有無問題。

我們最新的原子鐘是天宮二號原子鐘，精度能夠做到幾萬年時間誤差一秒，這已經達到了世界領先水平，是典型的因國家需求而推動基礎科技進步的例子。

導航定位的發展

我們現在的地圖靠遙感車觀測，對地觀測精度可以達到厘米級，精度非常高。但古代地圖只能靠手繪，精度非常不準，再后來的工具，有指南車、指南針和指南龜。再后來有了電，人們開始用無線電來做導航。無線電導航系統最開始不是用衛星，而是在地面假設無線電的基站做導航。電磁波沿著地面進行傳播時會受到干擾，導致定位精度不高，而且地面覆蓋面積和范圍有限，所以就有了人造地球衛星。

中國第一顆人造地球衛星叫東方紅。雖然蘇聯建造了世界上第一顆人造地球衛星，但最早利用人造衛星導航的是美國。美國海軍發現潛艇出去精準總是達不到要求，研究后發現是潛艇自身位置精度不高的原因，所以就有了子午儀。

子午儀由四顆衛星系統構成，與三星定位的原理不同，它只需要一顆衛星就能夠實現定位。雖說一顆衛星就能實現定位，但是一顆衛星會導致定位的精準不夠高，大概是百米開外的量級，需要長時間的測量才能有足夠的力源進行結算，并且運動速度不能過快，只能給類似于像蝸牛這樣的用戶進行導航和定位。也就是因為這樣的缺點，子午儀系統后來被GPS系統所取代了。

雖然有缺點，但子午儀讓大家看到了衛星導航定位系統最大的優點，那就是全天候、全天時，能在任何時間地點給全世界任何人提供導航定位的信息。美國建好子午儀后，蘇聯建設的蟬系統原理與子午儀完全一樣。而蘇聯剛開始建蟬系統沒多久，美國就開始建設美國導航史上用戶最多、世界影響力最大的系統——GPS。

GPS從70年代開始建設，是24顆衛星，4X6的軌道面，世界上第一個全球覆蓋的衛星導航定位系統。1991年海灣戰爭期間，美國依靠GPS系統，不僅改變了世界格局，還帶來了一場軍事變革，奠定了現代化戰爭以信息為基礎的核心理念，讓制空權站上戰爭中無與倫比的高度，之后全世界的超級大國都有一個共識，那就是要有自己的全球覆蓋衛星導航定位系統。

現在世界上最著名的衛星導航定位系統共四個：美國的GPS系統、俄羅斯的GLONASZ系統、我國的北斗系統和歐盟的伽利略系統。雖然各國都遇到過很多困難，但是沒有哪個國家想過放棄衛星定位導航系統的建設，包括日本、印度，也在建設衛星導航定位，但是還沒辦法做到全球覆蓋。

北斗系統建設發展歷史及應用

中國衛星導航定位建設從1983年開始，專家提出“雙星定位”概念，因為當時24顆星一次覆蓋沒有財力支撐，所以就有了北斗一號系統，這主要解決了我國衛星導航定位的有無問題。

北斗一號系統需要用戶先發起一個請求，報告系統我想知道我的位置，然后地面站才會把位置算出來，將這個位置再發送給用戶，這種叫做有源定位，和現在全球系統的無源定位方式不一樣。

北斗一號系統建設的過程中，我們開始啟動了北斗二號系統的建設。2012年北斗二號系統正式投入運行，主要解決我國以及周邊地區定位服務的問題。按計劃，到2020年我國要建成一個北斗全球系統，實現全球覆蓋，能夠和GPS正式兼容操作，走向全球，這就是我國北斗衛星導航系統建設“三步走”發展戰略。

北斗二號系統主要是由35顆衛星構成，5顆是地球靜止同步公道衛星，3顆是小傾斜軌道的衛星，27顆是MEO衛星，它和北斗一號最大的區別在于從有源定位變成無源定位。現在的手機假設里面裝載了北斗芯片，想要定位，不需要手機發起信號了，直接接受衛星下傳下來的信號，就可以知道自己的信息。一方面解決了容量的問題，不再有上行，不再有容量的限制，不再往上發信號，避免有一種暴露自己位置的風險，這個是二代和一代的最主要的區別之一。

我們建設北斗系統最重要的作用是保障國家領土主權，包括經濟基礎設施等等，更重要的是要保證其在我國以及周邊地區的高精度覆蓋。所以北斗最后采用混合星座的設計，MEO衛星大概只有30%到50%時間能夠經過上空，小星軌道衛星有70%到80%時間能夠看到它，采用這樣的星座構型能夠有更加穩定、更好的定位精度。

在生活中北斗系統應用廣泛。比如漁船航運中，在南海領域，因為沒有建設基站，漁民的手機無法通信，漁民出海一個月，遇上危險無法和家里人聯絡。所以在南海的漁船上大約有70%的比例配備了北斗系統，一方面方便漁民能夠給家里人發短信，另一方面漁民能知道自己的位置信息，如果遇上危險也能夠及時把位置信息發送給海警，確保自身生命和財產的安全。

比如精準授時，北斗系統時鐘精度非常高。電力系統中，需要把時間做得很準，從而保證各個電力能夠錯峰，不至于出現燒壞系統的情況。金融系統要在同一個時刻結算，如果結算時間差之毫秒，就可能會導致最后的結算金額差之幾千萬美元，所以金融系統也要求時間非常精準。

此外，北斗系統在地震、泥石流、天氣監測、智能駕考、森林救火、智能農業、動物保護、老少關愛等方面都有應用。