“我们希望建成以北斗为核心的中国国家PNT体系，真正实现我们提到的5A，也就是任何人、在任何时间、任何地点，都可以用他所采用的任何导航方式，实现他想要的任何导航服务。”

徐英

中国科学院空间信息科学研究所研究员

北斗系统名称从何而来？北斗七星。北斗七星是中华民族的指路明星和导航星。人类很早就开始观测和使用北斗七星。北半球的人们通常用北斗七星和北极星来辨别方向。

《史记·天官传》记载：“阴阳之分，四时之立，五行之衡，四时之移，诸历法之定，皆与北斗有关。”这里的“斗”指的就是北斗七星。上古时期，北斗七星指引着我们，今天我们也有与我们生活息息相关的北斗七星系统。

北斗“3”的故事

对于北斗系统来说，有一个非常重要的数字，这个数字就是“3”。大家肯定都听说过一生二，二生三，三生万物。要讲清楚北斗系统的工作原理，首先要讲清楚“3”的故事。

首先要介绍的是三球定位，卫星导航定位系统最基本的定位原理就叫三球定位，我们同时有三颗卫星，通过测量我和卫星之间的距离，我肯定就知道自己在一个以卫星位置为圆心，以这个距离为半径的球体上的位置。

三个球面汇聚于一点，这是卫星导航定位最基本的原理，我们叫它三球面定位。但实际上，因为还要测量时间信息，所以至少需要四颗卫星才能实现最基本的定位。

卫星导航系统主要由三大部分组成，第一部分就是我们非常熟悉的卫星。

第二是地面站，包括地面监测站、定轨站和其他站。

第三个是终端，比如说手机，其实也是一个卫星终端。

网上有人提出这样的疑问：“从1983年陈方云院士提出北斗一号系统以来，北斗系统建设了这么多年，我们什么时候才能用上北斗系统？”其实，我们很多人的手机里已经有北斗系统了。

如果你用的是华为手机，回去之后可以在手机的应用商店下载一个叫北斗助手或者北斗伴侣的小软件。

下载完这个软件之后，找一个空旷的地方，打开手机，然后你会发现在卫星天顶视图中，有中国国旗的图标亮了起来，这就意味着北斗系统正在你的手机中为你提供服务。

现在华为、小米、魅族、三星等很多手机都有北斗系统。当然如果你用的是苹果手机，那就别尝试了，因为苹果手机没有用北斗系统。但我们也希望2020年北斗系统覆盖全球之后，苹果手机也能有北斗系统。

导航系统帮助我们的车辆从一个地方到达另一个地方，但实际上导航提供的服务不仅仅是定位。导航服务一般分为三类。

第一类服务是给你一个精准的位置，这个是最常用的服务，比如滴滴打车，微信手机上的位置分享，都是基于导航的服务。

第二种服务就是给你一个非常精准的时间，基于卫星导航的三球面定位，我们需要测量我和卫星之间的距离，在日常生活中，我们如果要测量两点之间的距离，我们可以用尺子来测量两点之间的距离。

但这样能测出我到卫星的距离吗？我要用多大的尺子才能把我和卫星连起来？在卫星导航中，其实有一个小秘密：我们从不直接测量距离，而是通过测量时间来测量距离。

我们从卫星发射电磁波，然后测量电磁波从卫星传输到我们之间的时间差。将这个时间差乘以光速，我们就能得到距离。

所以卫星导航就是通过测量时间来测量距离的，这也是我们能给你提供准确时间的一个主要原因，距离除以时间等于速度，就可以得到速度，所以卫星导航的三大服务就是给你提供准确的位置，准确的时间和准确的速度。

当然，北斗系统除了这三项服务外，还有一项附加服务——通信。它也是世界上唯一可以用于通信的卫星导航定位系统。

全球导航卫星系统

北斗系统并不是世界上唯一的系统，目前世界上只有美国的GPS、俄罗斯的GPS、欧盟的伽利略（）和中国的北斗，因为实现了全球覆盖，所以可以称为全球卫星导航定位系统。

除了上述四个覆盖全球的系统外，目前世界上还有两个区域定位系统，即日本的准天顶系统（QZSS）和印度的系统。

日本准天顶系统 (QZSS)

印度体系

当初日本准天顶卫星系统宣布提供服务时，网上有文章说日本准天顶卫星系统的精度比GPS好，比北斗卫星系统好。但实际上，准天顶卫星系统是一个区域定位系统，它的核心点是建立在GPS基础上的。

如果不能使用GPS，那么准天顶的增强功能就无法使用，也就无法实现高精度、厘米级定位等一系列功能。

全球四大卫星导航定位系统中，现在用于导航的卫星数量非常多，截止2018年7月22日，全部可用卫星数量已经超过100颗，还不包括我们的备份卫星和试验卫星。

所以其实天上有很多颗卫星，而且在民用服务中，所有的卫星导航系统都是组合在一起使用的。

GPS从1991年就建成了，精度一直很高，但是我们国家还要建北斗系统，俄罗斯也要建，北斗系统从1983年提出到现在已经30多年了，我们为什么要花这么大的时间和精力去建北斗系统呢？

建设北斗系统的原因

我们在拍摄北斗系统的纪录片的时候，导演曾说过这样一句话：卫星导航定位系统是守卫国家边疆的一把金钥匙，我们自己的这把金钥匙，一定要握在自己人手里，这也是我们要建设北斗系统的原因。

俄罗斯虽然经历过经济衰退、苏联解体等一系列事件，但他们仍然在不断更新和建设该系统。欧盟伽利略系统建设之初，经历了非常长时间的美国强烈反对和欧盟内部分歧，在建设过程中，天空中的多台原子钟被彻底损坏。

前段时间伽利略系统已经彻底断网了，但是他们还坚持发展伽利略系统，每个国家都希望在自己的卫星导航系统基础上建立自己的主权和经济命脉。

可以看出，如果一个系统不是我国自主建设的，那么我们其实对它没有任何控制权，随时都有可能发生一些你们不知道的变化，这也是我们为什么要建设北斗系统的一个主要原因。

在军事领域，我们利用北斗系统保障国防安全，但在民用领域，目前呈现多系统融合的趋势。

在你的手机软件里，找我刚才说的那个软件，你会发现，你的手机不但用北斗定位，还用GPS，在民用领域，各种导航系统兼容并蓄，协同发展，所以北斗不仅是中国的北斗，更是世界的北斗。

北斗系统的发展

北斗系统的发展也经历了三个阶段，其中特别和“3”这个数字有关。北斗一号系统于2000年左右建成，只有两颗星，叫北斗一号，又称北斗双星，主要用于解决我国是否有卫星导航系统的问题。

北斗二号系统于2012年12月27日宣布提供服务，由北斗一号有源系统改为无源系统，主要为我国及周边亚太地区提供服务。

北斗三号系统于2018年12月27日宣布开始提供服务，2020年北斗三号系统将全面建成。北斗三号系统主要是由区域系统拓展为全球系统。

北斗三号系统建设过程也包括三步，2018年底主要服务我国及“一带一路”地区，2020年底服务全球。

北斗系统正在快速构建全球网络。这是北斗系统的卫星组成部分。北斗系统共有30颗卫星覆盖全球，其中包括3颗地球静止轨道卫星、24颗中轨道卫星和3颗低倾角轨道卫星。

北斗系统服务区域以我国及周边地区为重点，实现全球覆盖。

北斗是一个开放的系统，除提供公众服务外，还提供授权服务、广域差分服务和位置报告服务。

2020年以后，北斗系统将具备与GPS同等性能的广域差分服务，在重点区域，精度将达到1至1.5米，实际上比GPS的性能还要高。

相比北斗二号，北斗三号有哪些新亮点呢？首先要说的是星间链路，顾名思义，卫星之间可以相互连接，组成卫星网络。

有了星间链路，如果地面站之间发生灾难性的损失，所有地面站都消失了，我们仍然可以利用星间链路实现卫星的自主运行。因此，星间链路可以保证卫星的可用性和健壮性。

第二，北斗系统有高精度的氢原子钟，我们在北斗一号、北斗二号建设的时候，就准备从瑞士进口原子钟，瑞士的钟表很好，但是瑞士当时提出，中国需要获得欧洲的许可证。

至于如何获得许可证、通过什么方式获得许可证，双方并没有达成一致。因此，在北斗二号系统建设过程中，关键核心研究的是星载原子钟技术，而北斗三号使用的是更精确的氢原子钟，其精度可以高达110-15，也就是说，它的误差达到一秒需要非常长的时间。

这是北斗三号的又一个创新。我前面也讲了，从国外进口原子钟是不现实的，所以北斗系统有一个很重要的指标叫100%国产化。北斗系统的所有芯片、核心部件，包括天线、射频、基带，都有一个国产化指标要求。

我们都说北斗系统是一个独立的系统，第一它不依赖任何其他系统运行，第二它的核心技术都是自己的知识产权，不依赖其他国家的核心技术运行，这是一个大国重器国产化。最后一个创新点就是北斗三号有搜救功能，北斗三号已经加入海上搜救组织。

过去伽利略系统的搜救流程是你向伽利略卫星发出搜救信号，然后你开始等待，你不知道你的信号有没有收到，你也不知道会不会有人来救你。

在北斗系统接收到你的搜救信号之后，会给你一个反馈，告诉你信号已经接收到了，你耐心等待，很快就会有人来救你。所以这也是北斗三号的一个升级功能。

其实北斗系统的功能远不止这些，它有不少“第一”，让我们共同期待2020年北斗系统建设完成，正式开始为大家提供服务。

北斗系统的作用

天上那么多卫星，卫星导航在我的生活中到底起什么作用呢？好像除了每天用它叫出租车，就没什么别的用处了。其实卫星导航系统行业有一句名言：卫星导航定位系统的应用只受限于人们的想象力。

假设有一位A先生，从事金融行业。我们来看看他的日常生活，有多少与卫星导航有关。

作为一个现代手机成瘾严重的患者，早上起床第一件事就是给手机充电。其实我们国家的电力系统，都是通过卫星导航来同步电站之间的时间和频率，以前是GPS，现在用的是北斗。

如果电力系统不能实现时间和频率同步，就有可能在高峰时段，峰值重叠，造成整个区域停电。所以我们每天使用的电，其实都是卫星导航为电力系统保驾护航的。

手机充电开机后，接下来就是吃饭。吃饭和卫星导航有关系吗？吃到嘴里的饭需要卫星导航来定位吗？其实不需要。但卫星导航确实和农业息息相关。

自动驾驶技术到今天还没有真正实现，但是有些自动驾驶已经实现了，比如自动驾驶拖拉机，农业收割机。所以在智慧农业中，卫星导航定位系统为自动驾驶提供了位置保障。所以我们每天吃的米，也离不开卫星导航定位系统提供的保障。

吃完晚饭，我就看电视。看电视的时候，经常会看到一些关于某些国家和地区之间军事行动的新闻报道。导弹制导也和卫星导航有关。

有时我们在电视上经常看到与动物保护有关的新闻，动物保护也与卫星导航有关，据说应该给动物安装芯片。

事实上北斗系统确实给长颈鹿、藏羚羊、大熊猫都做了这样的芯片，比如藏羚羊生活在无人居住的地区，所以我们就需要用这样的芯片，为它们提供保护服务。

看完电视，我们去上学，出门打车，也和卫星导航有关，这是大家最熟悉的应用了。

我们在使用滴滴叫车的时候，有时会看到老人或者小孩失踪的信息，希望大家有线索要及时举报。

老人、小孩走失的问题也和卫星导航有关，因为北斗系统已经用于关爱儿童、关爱老人，还制作了儿童卡、儿童鞋、儿童手表等，如果你发现老人、小孩走失，就向系统发出请求，系统会带你回到走失者最后所在的位置。

打车之后车辆在路上行驶，有时候会经过一座立交桥，桥梁的稳定性也和卫星导航有关，其实卫星导航系统中有一个很重要的应用叫变形监测。

我们会用卫星导航接收器来观察大桥是否发生了一些细微的变化，如果有变化的话，需要及时进行维护，避免发生危险。

这个应用还可以用于监测山体滑坡、泥石流、铁路轨道下沉等，这些都和卫星导航有关。有时候在立交桥上，你会看到非常大的货车，我们叫“两客一危”制度，就是危险品车和大型客车。

我们国家其实已经做了“两客一危”的项目，要求这类车辆必须配备卫星导航系统，以确保公共安全。

假设你现在已经到达机场，飞机在精密进近过程中，需要卫星导航系统来保证安全，所以，我们每次安全出行、乘坐飞机，都有卫星导航系统为你提供保障。

我们再回到这位先生的职业，他是金融人，其实在金融结算中，我们一般会用卫星导航来提供非常准确的时间，因为在金融结算中，如果结算时间差一毫秒，结算金额就可能差几千万美金。

这也是为什么卫星导航系统对于民用来说也非常重要的原因。卫星导航系统除了军事打击、精确制导之外，在民用方面也关系到国计民生。卫星导航在各个领域，包括电力、金融、通讯、气象等，一直都发挥着非常重要的作用。

我们不知道未来是否会有北斗四号、北斗五号，但我们正在致力于导航的“未来”，也就是中国的国家PNT系统。北斗系统已经发展了几十年，2020年将建成并正式投入使用，但仍然有一些它无法覆盖的区域。

比如导航系统在室内或者地下是没有信号的，水下导航只能用声纳来实现。我们希望建成以北斗为核心的中国国家PNT系统，真正实现5A，也就是任何人在任何时间、任何地点，都可以用任何导航方式，实现任何自己想要的导航服务。

这就是我们为之奋斗的未来，虽然未来是未知的，但是我相信在科研人员的努力下，我们国家北斗系统的未来一定会被大家看到的，一定会是美好的。

本文经授权转载自“SELF格致论道论坛”微信公众号

▼

过去的亮点

▼

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.