北斗不只七颗星
2017/11/6 中国科学院北京综合研究中心
在中国北斗七星可能是知名度最高的星星了，由于独特的排列方式，千百年来，北斗七星及其“勺子”的形状家喻户晓，在各类文学作品中也是满满的“回忆杀”，让人不禁想起小时候仰望夜空，寻找勺尾巴的悠闲时光。如今，随着夜晚越来越“亮”，寻找北极星的难度也节节攀升，不过好在我们也不需要再依靠星星来辨别方位，低头看看手机，就能实时定位，拯救了包括小编在内的一大批路痴+天文盲，实在是功德无量。
目前我们使用的手机地图或者车载定位系统大部分依托GPS(Global Positioning System 全球定位系统)，GPS是由美国国防部研制建立的一种具有全方位、全天候、全时段、高精度的卫星导航系统，它由三部分构成，一是地面控制部分，由主控站、地面天线、监测站及通讯辅助系统组成。二是空间部分，由24颗卫星组成，分布在6个轨道平面。三是用户装置部分，由GPS接收机和卫星天线组成。GPS定位的原理被称为四点定位法，如下图所示：
我们生活在一个三维空间中，因此只要有三点位置，比如经度、维度和高度(x,y,z)就可以确定我们的位置了。GPS卫星就相当于一个广播台，在不停广播自己的位置信息和广播时间，GPS的地面接收器，接收到卫星的讯息后，用当前时间减去时间戳上的时间，就能够得到讯息传送所耗费的时间△t，因此接收器的位置就可以用如下方程进行计算了：
不过由于c值很大(理想状态下就是光速)，一个极小的时间误差都会被放大很多倍从而导致定位不准，因此，在实际操作中，一般是增加一个卫星的位置和距离信息，来把时间也算作一个变量，从而提高定位的精确性。此外，GPS还设计了差分定位系统，即通过增加一个参考GPS接收器来提高定位精度，目前GPS的定位精度可在10米以内，已经是十分成熟的全球定位系统了。
然而由于GPS系统是美国国防部主导的系统，其军事和政治色彩过于浓厚，从国家安全和长远发展的角度来看，研发设计自主知识产权的全球定位系统就显得十分必要，于是北斗卫星导航系统就应运而生了。北斗导航系统(BDS)的研发起源于上世纪70年代，最早被命名为“灯塔”，后来考虑到北斗星在指路上的渊源历史，更名为北斗导航系统。区别于GPS，北斗导航系统采取了三球相交原理，即分别以地心和1 号、2号工作卫星3个点为球心, 以客户端至这3 个点的距离(R1、R2、R3)为半径, 形成3 个相交的球面, 3个球面的交点共有2个(P1 、P2 ), 排除位于南半球的P2交点, 由已知的3个球心的位置和半径可以求解出用户机P1 点的位置信息(同上面的坐标公式)。在实际计算中, 客户端至地心的距离R1 由内置的高度表测出，所以到地心的距离实际上是H+R。
当然上面这个原理是北斗导航系统的1.0版本，也就是我们没钱养这么多卫星的简易版本，虽然国内够用了，但是覆盖面小，精度差，需要大量的校准工作。随着我们国家综合实力的不断提升，发射卫星早就不再是什么难事，到北斗2.0阶段，导航系统已经拥有14颗卫星(5颗静止、3颗偏轨道即区域、6颗全球)，这样北斗导航系统也能实现四个卫星定位，大大缩小了钟差，也将北斗导航的覆盖范围扩大到了整个亚太地区。
显然北斗导航系统的升级之路才刚刚开始，昨天19时45分，西昌卫星发射中心用长征三号乙运载火箭，以“一箭双星”方式成功发射第二十四、二十五颗北斗导航卫星。这两颗卫星属于中圆地球轨道卫星，是我国北斗3.0版本的第一、二颗组网卫星，开启了北斗卫星导航系统全球组网的新时代。遵循卫星越多，定位越准、覆盖越全的基本原理，目前北斗系统的精度已经能达到2.5米—5米，辐射亚太。2018年我国计划发射18颗北斗三号组网卫星，覆盖“一带一路”沿线国家；2020年左右，将完成30多颗组网卫星发射，实现全球服务能力。原来的北斗七星如今变成了北斗群星，比GPS的24颗卫星还要多，小编只能说厉害了我的国，有钱真的好任性~(#^.^#)
如今，北斗卫星导航系统已名副其实的成为继美国全球定位系统(GPS)、俄罗斯格洛纳斯卫星导航系统(GLONASS)之后第三个成熟的卫星导航系统，并跻身联合国卫星导航委员会认定的供应商之列。其独特的短信播报功能，更将在野外搜救、军事行动中大放异彩，造福于民。
本期编辑：冯凯悦
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