自研才能自強！北斗三號前景解讀

薛山

無論軍用民用，我們都必須要有屬于自己的定位系統

北斗三號系統導航星座示意圖

衛星定位系統本質上都是納秒級別的授時系統，知道衛星信號之間的時間差之后就能獲知經緯度和深度信息，大家最熟悉的衛星定位系統應該就是GPS，GPS系統隸屬于美國，1978年發射第一顆，1993年完成全球組網，總計有30顆衛星在運行，按定位精度可細分為P碼（軍用）和C/A碼（民用）。由于GPS采用的是單向通信體制，只發射信號而不接收信號，所以GPS并不知道哪些終端在使用它的信號，因此它并不具備收費的前提，所以大家都可以免費使用它，但它可以做的是調整精度甚至切斷部分區域的信號發射，試想如果沒有定位系統，手機不再能導航，電網工作穩定性變差，股票交易所無法精確同步，包括大氣、地球磁場、板塊運動、洋流、冰川等自然研究全都無法展開，民航飛機自動導航和起降輔助都失去功能，基建工程測量與校正效率大幅降低……軍用就更不用多說，幾乎所有現代武器都需要導航系統輔助，可精確繪制敵我雙方位置圖并實現少量彈藥的精準打擊，試想這些技術的實現前提掌握在他人之手會帶來什么后果？1999年的印巴卡吉爾戰爭，為終止雙方沖突，美國就切斷了印度的GPS服務，此舉完全限制了印軍的進一步行動，所以后來印度才放棄了GPS，自己做了一套只能覆蓋南亞地區的IRNSS系統，這正是軍事上被第三方定位卡脖子的典型案例。

在俄羅斯GLONASS系統工作之前，GPS的民碼被人為加入了干擾技術，精度僅僅為百米級別，后來為了競爭才解除了干擾限制，提高到了現有的米級，才讓現代化的民用導航系統成為現實。從各種先例來看，衛星定位系統都不可依賴于第三方，必須要有完全屬于自己的一套！這就是北斗的初衷。

北斗其實一直在默默服務，5G時代或擔當重任

高通、海思、聯發科、三星等主流基帶廠商都已支持北斗導航

很多人可能會問，那么北斗究竟民用落地到什么程度了呢？事實上，我們正在用的手機，尤其是國產安卓手機早在2014年就采用了多模導航系統，支持北斗、GPS甚至GLONASS，下一代的iPhone有可能會采用高通基帶方案，所以理論上也會支持北斗導航。簡單來說手機導航APP會自動按信號優劣來選擇使用哪套方案，因此我們其實早就用上了北斗導航系統。根據《2020中國衛星導航與位置服務產業發展白皮書》顯示，截至 2019 年底，國產北斗兼容型芯片及模塊銷量已突破 1 億片，國內衛星導航定位終端產品總銷量突破 4.6 億臺，其中具有衛星導航定位功能的智能手機銷售量達到 3.72 億臺。

而2020年可以說是5G開始發力的第一年，而對于10米精度的北斗定位來說，通過與基站的載波相位差分定位，可以實現厘米級的定位精度，這意味著有高密度特性的5G基站更適用于配合北斗接收機，進而實現高覆蓋率的高精度定位，讓自動無人機、機器人巡檢、車聯網、物流管理等變得更加準確并形成技術鏈、產業鏈和價值鏈的良性循環，簡單而言，5G時代更利于北斗的進一步演化，使其成為應用面更廣泛的基建基礎。

北斗一號始于2000年，北斗三號目標覆蓋全球

北斗二號的覆蓋范圍示意圖

衛星定位的基本原理是衛星與地球位置發生相對運動，頻率偏移而產生的多普勒頻移效應，通過多個衛星的發射信號頻差就能推算出地面位置，那么最重要的問題就是，這些衛星放在哪個高度更合適？原則上來說，低軌道的單顆衛星發射成本低且精度高，但對衛星的總數量要求很高，超200顆，規模過于浩大，而高軌道雖然覆蓋面廣，理論上3顆就能滿足，但因為高軌道是相對位置靜止的地球同步軌道，發射難度大、相對速度小所以定位精度低，所以24～32顆就足夠的中軌道是定位衛星的基本思路，以獲取運行成本和性能的均衡。

而在2000年10月31日首次發射的北斗導航試驗衛星，采用的是高軌道（地球同步軌道）方案，到2007年2月3日總計發射了4顆，組建為北斗一號系統，它能實現基本的定位，且因為處于靜止軌道所以能夠實現通信衛星的通信功能，所以北斗一號是定位/通信二合一。不過平心而論，它的定位和通信功能相對當時的國際水平來說還是比較低，最大的意義是實現了從無到有。

2007年4月14日首發，2012年組網成功的北斗二號采用了5顆地球靜止軌道衛星（35786公里高軌道），4顆中圓地球軌道衛星（21500公里中軌道）和5顆傾斜地球軌道衛星（35786公里高軌道）的組合，現能實現東經約55°～180°，北緯55°～南緯55°的覆蓋，也就是區域服務型定位系統。

而2015年開始首發，剛剛完成組網的北斗三號的設計目標是全球覆蓋，民用定位服務的精度在10米以內，結合遍布全國的2600個地基增強站，可提供最高厘米級的精度。北斗三號由3顆地球靜止軌道衛星、24顆中圓地球軌道衛星和3顆傾斜地球軌道衛星組成，亞太大部分地區，每時可見12～16顆衛星，全球其他地區每時可見4～6顆衛星，衛星可見性和幾何構型較好。也是全球唯一的由三種軌道衛星構成的復合系統，穩定性和可靠性都很高，并且具備單次40個漢字的短報文通信功能，也就是通過北斗衛星來傳遞信息，這對于無法使用光纖或GSM基站信號的遠洋漁業或重大自然災害搜救工作來說具備很大的實用性，哪怕是相對簡單的北斗一號，在汶川地震時也起到了為前線人員提供定位和短信通信的重要作用，而目前全國已有7萬余艘漁船和執法船安裝了北斗終端，累計海事救援人數超10000人。

考慮到授時系統的性能核心就是時間準確性，而時間準確性取決于采用哪種原子鐘材料，北斗三號衛星系統里有E-14量級天穩定度的銣原子鐘和E-15量級天穩定度的氫原子鐘，300萬年才會誤差1秒，精度很高。

編輯總結

簡單來說，北斗系統的研發基礎是軍事上的國家安全，北斗三號的組網意味著我們在全球范圍內都建立了屬于自己的定位網絡。而且全球衛星導航有著萬億美元規模的市場，北斗提供全球服務就意味著我們也可以在這個市場里分一杯羹，隨著“一帶一路”沿線的縱深發展，未來北斗系統帶來的經濟收益只會越來越多。在民用端，更高精度的定位系統結合5G時代，也會激發自動駕駛、機器人物流等新興領域的進化，所以無論從哪個角度來看，發展自己的衛星定位系統都可以說是新基建的重要一環，大家都應該清楚地認識到這一點。