北斗，每一顆星都在閃亮

2020年已然成為過往，而現(xiàn)在完全可以斷言2020年是中國航天年，因為在這一年當中，中國航天邁出了很多堅實的步伐。其中，特別引人注目的當然也有北斗系統(tǒng)的收官之戰(zhàn)。從1983年陳芳允院士提出雙星定位的思想開始，到2020年北斗三號最后一顆衛(wèi)星發(fā)射，北斗系統(tǒng)已經(jīng)完成了組網(wǎng)建設(shè)，其應用也深入到我們?nèi)粘Ｉ钪械姆椒矫婷妗?/p>

衛(wèi)星導航必須自主

北斗系統(tǒng)是全世界第三個建成的衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)。世界衛(wèi)星導航有四個系統(tǒng)，可以被叫做全球定位系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)全球覆蓋：它們分別是美國的GPS，歐盟的伽利略，中國的北斗和俄羅斯的GLONASS。在北斗建成之前，最被大家所熟知的就是美國的GPS系統(tǒng)了。

GPS系統(tǒng)大約建成時間是在1994年，但是它被世人所熟知，其實是在1991年的海灣戰(zhàn)爭。在這場戰(zhàn)爭中，發(fā)揮出巨大作用的就是，當時尚未完全建成、但是已經(jīng)展現(xiàn)了它在軍事和國防方面巨大作用的GPS系統(tǒng)。這場戰(zhàn)爭，不僅奠定了美國的霸主地位，也對未來的戰(zhàn)爭以信息戰(zhàn)為主體、以制空權(quán)為核心的戰(zhàn)爭體系和戰(zhàn)爭思想進行了奠定。它所帶來的影響被叫做“新軍事革命”，一直延續(xù)至今。

在這場戰(zhàn)爭之后，全世界都看到了“養(yǎng)在深閨人未識，一朝名動天下知”的衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)，而世界上所有的超級大國，也都意識到了想要國家主權(quán)獨立，必須把衛(wèi)星導航這把“金鑰匙”握在自己手中。所以全世界的超級大國都開始構(gòu)建自己的“衛(wèi)導系統(tǒng)”，當然也包括我國。

“北斗”建設(shè)三步走

北斗系統(tǒng)是在1983年的時候，由兩彈一星的元勛陳芳允院士提出雙星定位的思想開始構(gòu)建的，但是，北斗系統(tǒng)的建設(shè)并不是一蹴而就的。

北斗系統(tǒng)建設(shè)分為三步走：第一步是在2000年左右建成的北斗一號系統(tǒng)，也叫做“北斗雙星”系統(tǒng)，它主要解決了我國衛(wèi)星導航定位的有無問題；2012年建成的北斗二號系統(tǒng)，也叫做“北斗區(qū)域”系統(tǒng)，它主要是把北斗一號系統(tǒng)當中的有源定位的方式，變成了無源定位的方式。無源定位的方式，能夠更好地解決用戶位置暴露風險，以及用戶容量受限問題，北斗二號系統(tǒng)真正為我國和周邊亞太地區(qū)提供了準確的導航定位和授時服務；2020年收官的系統(tǒng)叫做北斗三號系統(tǒng)，也叫做“北斗全球系統(tǒng)”。北斗三號系統(tǒng)主要是把一個區(qū)域系統(tǒng)變成了全球系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上也開發(fā)出了很多新技術(shù)，比如星間鏈路系統(tǒng)、高精度的氫原子鐘系統(tǒng)等等，所以北斗三號系統(tǒng)真正實現(xiàn)了不僅是中國的北斗，也是世界的北斗。

“三球定位”原理

北斗系統(tǒng)實現(xiàn)導航定位和授時服務的基本原理叫做“三球定位”，是指我們首先測量用戶和衛(wèi)星之間的距離，那么就可以知道，用戶一定在以衛(wèi)星為球心，以這個距離為半徑的一個球體上。之后繼續(xù)測量和衛(wèi)星二、衛(wèi)星三之間的距離，而這三個球它會交匯在一個點上，這個點就是用戶的位置。這就是全世界所有衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)的基本原理——“三球定位”。

要實現(xiàn)“三球定位”，其中一個非常核心的關(guān)鍵點是需要測量使用者和衛(wèi)星之間的距離。這個怎么能做到呢？肯定不可能在使用者和衛(wèi)星之間去拿一條皮尺測量，這也是所有衛(wèi)星導航的小秘密——把測量距離變成了測量時間。通過測量和衛(wèi)星之間的精準時間，再乘上光速，就可以得到距離了。

衛(wèi)星導航當中有一個非常核心的關(guān)鍵技術(shù)，叫做星載原子鐘技術(shù)。如今，北斗系統(tǒng)導航定位精度已經(jīng)能夠做到米級、厘米級，甚至毫米級了，這對我們的星載原子鐘的精度要求非常高。

全面實現(xiàn)國產(chǎn)化

在北斗二號建設(shè)之前，我國其實是不具備研制星載原子鐘能力，星載原子鐘主要靠進口。當時，北斗科學家意識到關(guān)鍵核心技術(shù)永遠求不來也要不來，一定要靠自己，經(jīng)過兩三年攻關(guān)成功實現(xiàn)了星載原子鐘技術(shù)突破，從而為北斗二號系統(tǒng)的順利建設(shè)和推廣提供了有效的基礎(chǔ)。

現(xiàn)在，包括星載原子鐘這樣的核心器件在內(nèi)，北斗三號已經(jīng)實現(xiàn)了100%的國產(chǎn)化，像氫鐘、銫鐘、銣鐘、鈣鐘、冷原子鐘等都已經(jīng)做得非常成熟，而且做得非常廣泛。這就是國家重大科研項目的需求引領(lǐng)了基礎(chǔ)技術(shù)的突破。

其實，北斗系統(tǒng)還有一個隱藏的授時功能，也就是時間同步。北斗系統(tǒng)既擁有高精度時鐘，也可以給其他的系統(tǒng)做精準的時間同步。目前在電力系統(tǒng)、金融系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等這些關(guān)系著國計民生的行業(yè)當中，都有北斗系統(tǒng)提供的精準的時間服務。

應用只受限于想象力

北斗系統(tǒng)的“北斗”這個名字，來自于北斗七星，是中華民族的指極星，也是中華民族的導航星。

作為導航星，北斗系統(tǒng)的應用其實早已融入到我們的日常生活之中：在用手機打車服務時，我們確定自己和司機之間的位置，其實就會用到北斗系統(tǒng)來定位；在漁船航運中也能夠給出海的漁民提供一個發(fā)短信報平安的方式，如果遇上危險還可以及時向海警求救。

此外，北斗在氣象領(lǐng)域應用非常廣泛。北斗系統(tǒng)的衛(wèi)星信號來自距離地球2-3萬公里的高度，衛(wèi)星在傳輸?shù)降孛娴臅r候會經(jīng)過大氣層，從而信號發(fā)生一些變化，對信號的變化進行反演，我們就可以進行精準的天氣預報了。

業(yè)內(nèi)一直有這樣一句話：衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)的應用，只受制于人們的想象力，隨著北斗系統(tǒng)的建成，必然能夠在應用和推廣方面大放異彩，真正讓每一個中國人都用上中國自己的北斗。