北斗系统为什么能定位？解个方程组你就知道了

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北斗卫星导航系统，是我国自行研制的全球卫星导航系统，也是继GPS、GLONASS之后，第三个成熟的卫星导航系统。

北斗可以为全球用户提供全天候、全天时、高精度的定位、导航和授时服务，是国家实施“一带一路”建设的重要支撑。然而，从无到有，北斗的研发过程却并不是一帆风顺的。
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北斗卫星导航系统
图源：光明日报<span style="color: rgb(136, 136, 136);font-size: 12px;letter-spacing: normal;"/>
01
促使北斗一号诞生的两大事件
北斗一号的诞生源于上世纪九十年代的两个偶然事件。


第一个事件是大家熟知的海湾战争。彼时，美国GPS系统刚刚完成8颗卫星组网，并彰显了在战争中的巨大潜力。它极大地提高了飞行员与地面部队的战斗能力，帮助联军在沙漠战场上取得了不俗的战果。这场战争改变了传统的作战方式，让我国看到了卫星导航的重要作用。

海湾战争中美军的战机编队
图源：公众号《流浪的橡树》
第二个事件是震惊中外的“银河”号事件。1993年，中国货轮银河号，遭美方质疑运有化学武器。为了拦截船只并登船进行搜查，美方关闭了所在地区的GPS信号。最终，货轮无奈在印度洋上漂流了33天，直至美方完成调查。


这一荒诞的事件给我国敲响了警钟，为了保障国家安全和中国人民的海外利益，就必须发展国产导航系统，摆脱GPS的垄断。

图源：动漫《那年那兔那些事》
第二年，我国就启动了北斗一号系统建设计划，正式开启了国产卫星导航系统的建设之路。


2000年，北斗一号系统首星发射；2007年，北斗二号启动，在汶川抗震救灾中发挥了重要作用；2020年，北斗三号建成，至此中国国产化卫星导航系统正式上线，为全球用户提供服务

北斗发展历程
图源：科普中国、星球研究所、装备科技
02
解方程获得位置信息
听到这里，大家可能会提出疑问，北斗究竟是如何实现导航定位功能的呢?其实，导航定位系统的本质就是利用距离求解位置，系统首先计算用户接收机到每颗卫星之间的距离，然后综合多颗卫星的数据计算出接收机的具体位置。这个过程说起来简单，实际操作却较为复杂。
在导航定位中，地面用户持有的定位终端作为接收端，导航卫星作为发射端。卫星需要按照一定周期发射包含卫星星历、工作状况、电离层延时修正等信息的导航电文。当用户接收到导航电文时，提取出卫星时间信息，将卫星时间与接收端时钟作对比后，系统就可以知道卫星与用户的距离，再利用导航电文的星历，推算出卫星发射电文时所处的位置与速度。
由于接收使用的时钟与卫星星载时钟不可能总是同步，由此产生的误差会导致最终测量得出的距离（伪距）不那么精确，也就不是真实距离。为了消除这个误差，除了使用用户的三维坐标x、y、z之外，还要将钟差也作为未知量来进行求解。根据解方程原则，有四个未知数的情况下需要四个已知方程式求解。因此，为了计算出准确位置信息，用户至少要能同时收到四颗北斗卫星的导航电文。

终端接受到四颗卫星信号就可实现定位
图源：传感器专家网
03
导航系统的技术难点
要想导航系统很好地工作，有几个技术难点必须要解决，而这些技术也是北斗实现全球卫星导航定位能力的关键。
首先是时间的精准度问题。众所周知，重要行动前要对表，这样才能确保大家时间一致。同样，导航定位中，时间的精准度也至关重要。那么，北斗是如何保证时间的精准呢？
为了提供高稳定的时间频率基准信号，每一颗导航卫星都要搭载精度非常高的原子钟。由于技术要求高、指标严苛，我国原子钟产品曾经完全依赖进口，是困扰无数航天人的关键问题之一。后来，我国科研工作者经过不断努力，终于研制出了精度达到国际先进水平的铷(

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原子钟。据说，该原子钟运行三百万年，误差都不超过一秒。

北斗铷原子钟
图源：央视网
影响导航精准性的另一重要因素是卫星覆盖数量，北斗是如何实现全球覆盖的呢？这里，我们以北斗三号为例，北斗三号卫星系统包含了GEO(地球同步轨道）、IGSO(倾斜同步轨道）和MEO(中轨道）三种不同的轨道。
GEO卫星相对地球静止，轨道高度35785km，单星覆盖区域较大，3颗卫星即可覆盖亚太大部分地区；IGSO卫星轨道高度与GEO相同，但存在轨道倾角，卫星星下点在本服务区内南北来回运动；MEO轨道高度21500km,是大部分导航卫星运行的轨道位置，需要多颗卫星组网实现全球覆盖。


<span style="font-size: 15px;letter-spacing: 2px;"/>这种混合星座的设计，能够保证亚太大部分地区，每时可见12-16颗卫星，全球其他地区每时可见4-6颗卫星。

北斗包含的三种不同轨道 甲：MEO；乙：IGSO；丙：GEO
图源：公众号《中学物理叶子工作室》
目前，北斗面向全球范围提供定位导航授时、全球短报文通信、国家搜救三种服务；面向亚太地区提供星基增强、地基增强、精密单点定位和区域短报文通信四种服务。
经过多次试验分析，研究人员判断北斗可应用于测量、电信、水利、渔业、交通运输、森林防护、减灾救灾和公共安全等诸多领域，具有非常广阔的前景。

作者：雷绪，资深军事爱好者，航天从业人士

编辑：一人白、小叮当
科学审核：马枊，西北工业大学博士毕业，上海机电工程研究所，20年相关从业经验
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来源：上海科技馆
编辑：牧鱼

daza110

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芃斐

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xjbhrt

真水

15914078741

转发了

我的AE86

银河号和GPS没有任何关系，作为国内权威学术单位，还在相信和传播这个谣言实在太令我失望了

wu18852138052

给我我也解不开

ofuzlj

非常了不起的成就

2132207956

方程组在哪里？

ytyt666

感觉是个假物理所，发表东西没多高质量。

3Dking

每次看完中科院的爽文会发现又浪费了多少时间

pmx1225

我找方程呢

yiying

转发了

wu18852138052

找了半天没找到方程组在哪