北斗三号卫星导航系统建成开通的意义 北斗三号卫星导航系统开通，有什么重大意义，对老百姓有什么影响？
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北斗三号卫星导航系统开通，有什么重大意义，对老百姓有什么影响？
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2020年6月23日9时43分，北斗卫星导航系统第55颗卫星搭乘长征三号乙运载火箭从西昌卫星发射中心成功升空。自1994年开始预研的北斗卫星导航系统终于完成全部组网星座发射任务，正式建成！
图片来源：央视新闻
北斗卫星导航系统（以下用北斗指代），将中国人千百年来“寻路靠北斗七星”的经验变成现实，也在方方面面彻底改变了中国人的生活方式。本文将围绕关于北斗的十个经典问题，详细解读这个宏大工程的意义。
一、为什么有GPS还要做北斗？
美国的GPS起步于70年代，经过多年发展、尤其商业运作以后，已经走入人们日常生活中。但是，它的本质是军用卫星导航系统，隶属于美国空军，毫无疑问会时刻以本国利益为第一位。在实践中，卫星工程师不仅能在信号方面增加干扰、欺骗手段等，还能停掉某一地区的服务，芯片定价权和使用权限等也在他们手中。
例如，GPS开放民用服务后，普通用户只能使用定位精度更差且增加了选择可用性（干扰）的民用码定位服务。2000年5月2日，为打压俄罗斯GLONASS（格洛纳斯，俄罗斯军民两用卫星导航系统）的商业化空间，GPS系统选择主动去掉干扰参与竞争，定位精度瞬间提高10倍以上。但这也意味着，它可以随意恢复任何干扰、甚至彻底停止区域服务。这类事情在近些年印巴冲突、中东地区冲突中屡见不鲜。
当天06:00时GPS系统去除干扰后，定位精度大大提高（图源：http://schlaggo.de）
GPS目前几乎用在了美军任何一种需要定位的武器中，民用方面也占据着全世界千亿美元计的巨大市场。因而，无论是事关国家国防安全，还是导航应用市场的巨大商业利益，中国都必须拥有自己的卫星导航系统，这个领域不会存在真正意义的国际合作。
目前，只有美国、俄罗斯、中国、欧盟先后建立了全球卫星导航系统，日本、印度建有区域卫星导航系统，这几个国家/地区都把相应系统作为发展中的重中之重，意义可见一斑。
二、为什么北斗有三种轨道？
美国、俄罗斯和欧洲的星座只部署在距离地球约20000千米的中远地球轨道（MEO），以实现轨道周期（约12小时）与信号覆盖范围的最佳平衡。为达到全球任一点都能收到4颗卫星信号以实现定位授时的目标，至少需要24颗卫星保证服务质量。
日本和印度星座仅服务本国，选择了轨道周期与地球自转同步的轨道，距离地面35786千米，从地面观测相对稳定。其中，日本QZSS高度依赖美国GPS系统，使用至少3颗卫星运行在倾斜地球同步轨道（IGSO），保障日本高纬度地区和城市高楼林立环境下的使用。印度由于更加靠近赤道，在IGSO之外还使用了定位于赤道上空的静止/同步地球轨道（GEO）。
北斗卫星轨迹在地面投影：蓝色8字形轨迹为IGSO卫星，红色定点为GEO卫星，绿色为MEO卫星（未全部展示所有卫星，图源：http://doi.org/10.1038/srep04692）
而对于北斗而言，“小孩子才做选择，我全都要”！北斗兼具了MEO、GEO和IGSO三种轨道。MEO(倾角55度、高21500千米)，保证全球高精度定位。主要运行在亚太地区的GEO（倾角0度，高35786千米）和IGSO（倾角55度，高35786千米）则保证亚太和“一带一路”地区更高精度定位。
三、为什么北斗有一号、二号、三号？
卫星导航系统是一个庞大的工程，它是大型航天载荷发射技术、大型星座运营维护技术、高水平通用导航卫星平台研发技术、无线电远距离通讯技术、高精度星载原子钟技术等诸多高精尖技术的集大成者，门槛极高，其中任何一项都面临严苛的技术封锁。但困难从来都不是“造不如买”的借口，从1994年开始，中国航天人一步一个脚印，筚路蓝缕，攻坚克难啃硬骨头，把整个北斗建设过程分成了三步走策略，也就对应北斗一号、二号和三号。
北斗一号主要是试验系统。在2000-2007年间发射了4颗试验性质卫星，全在地球静止轨道，它以区域测试服务为主要目标，目前已全部退役，不算入正式星座。
北斗二号主要是区域导航系统。在2007-2019年间共计发射了20颗（包含备份星），8颗为GEO卫星、7颗为IGSO卫星，主要服务亚太。5颗为MEO卫星，仅能提供有限的全球覆盖。系统总体上服务于亚太地区。
北斗星座示意图（图源：北斗办）
北斗三号是全球卫星导航系统。从2015年至今共计发射了35颗，其中5颗为测试性质，不提供服务。正式星座中，3颗为GEO卫星，3颗为IGSO卫星，24颗为MEO卫星，向全球提供高精度、全天候、全天时的导航定位授时服务。
于此同时，卫星平台也在不断大幅改进，不同北斗卫星（包含试验星）在东方红3号等卫星平台基础上反复改进，演化出了10余个版本，难度可想而知。目前北斗二号大部分卫星依然在正常工作中，因而实际处在运行状态的北斗星座超过40颗，大幅超过了GPS的32颗，未来随着北斗二号部分卫星逐渐退役，总数会降低，但会维持在30颗以上。
四、为什么北斗都用长征三号甲系列火箭发射？
长征三号甲系列火箭是我国的王牌火箭，最大特点是第三级采用了比冲（衡量发动机工作效率的指标，越大越好）更高的液氧液氢发动机，因而它也是长征火箭家族用于发射更高更远任务的专属火箭，例如嫦娥、风云（二/四）、各种通讯卫星等，北斗家族同样如此。
从左至右：长征三号基本型、甲型、乙型和丙型火箭对比（图改自：GW_Simulations）
经过多年成熟发展，长征三号火箭形成了四种主要构型，基本型已于2000年退役。目前现有长征三号甲、乙和丙三种主要型号服役，以及近10种改进版本。相比较长三甲，长三乙/丙增加了助推器，且做了大幅升级，能力更强。其中长三乙不仅携带了4个助推器（长三丙2个）、还可携带远征上面级，能够执行北斗一箭两星任务，能力最强。北斗所有发射任务中，长三乙实现了15次一箭两星任务，运送了30颗卫星入轨，可以说是王牌中的王牌！
五、为什么北斗能服务无限个用户？
北斗三号是一种无源定位系统，每一颗导航卫星的本质就是告诉你这么一个事情：现在几点了（时间ts），我在哪里（xs，ys，zs）。当你（接收机）收到信号时，可以通过比对，得到接收机上时间与接收到的卫星信息显示时间之间的差值，这个差值乘以光速就是你和卫星之间的距离。还有一个方法是数中间隔了多少个信号波长。卫星由于有专门的科学家维持，它的位置极其精确，误差在1厘米级别；卫星上搭载的钟是原子钟，几百万年才可能错1秒，因此，它的所有信息几乎可以被认为无误差。
那么你只需要解出四个参数：在地球上的三维坐标x，y，z和钟差t（毕竟用户的石英钟不可能和原子钟精度相比，需要把它的误差做一个未知数解出来）。观测到四个卫星，就可以构建四个方程，解出四个未知数。
用户只需接收到四颗卫星信号，即可精确确定自身位置和时间（图源：/d/mvdmimg/20221114/jbtfbiip3xb.webp”/>
