從深空到深海，從個人到萬物，中國北斗衛星導航系統作爲提供時空基準信息的系統，不僅是我們的信息基礎設施，更是護衛國門的一把金鑰匙。自主可控的衛星導航系統，對於國家的重要意義不言而喻。可是，北斗真的是「不明覺厲」嗎？跟我們普通人有什麽關係呢？其實它遠在天邊，却近在眼前。截至2020年第一季度，在中國市場申請入網的智能手機裏，有四分之三以上都支持北斗定位的。這一太空高科技，普遍關照著普羅大衆。

今天，我們先來揭秘一下北斗到底有哪些獨門秘籍。

「心臟」300萬年誤差一秒

在複雜的、代表現代高尖端科技前沿技術的衛星導航系統中，其中能被稱之爲「心臟」的部分，有著怎樣超然的能力呢？

由於衛星導航系統在空間高速運轉，不同種類的接收機用戶，位置處於不斷變化的過程中，且地球自身也持續不斷地轉動，其間微小的時間誤差，將導致光速運行的無綫電波産生巨大的測量誤差，因此時間系統的精確計量和同步具有極其重要的意義。

我們知道，天地間越同步，誤差越小，定位的精度就越高，大家得到的數據就越準確。要修煉好這門技能，核心就是做好時間測量，也就是掌握好時間的精度。而要掌握好時間精度，就要靠原子鐘。

而北斗的心臟，就是一座原子鐘。它是目前人類最精確的時間測量儀器，也是導航衛星最關鍵的核心設備。在衛星導航系統中，1納秒就是十億分之一秒的時間誤差，將導致0.3米的距離誤差。如果我們時間差出去一秒，那我們的距離就會差出去3後面8個零這麽大的距離！人類要想實現這麽精密的時間測量，一般的鐘可做不到，只有靠原子鐘的力量。

根據量子力學的原理，原子內部有上下兩個能級結構，當原子從一個能級躍遷至另外一個能級時，吸收或者釋放出的電磁波頻率是固定的，這也就是我們所說的共振頻率。例如銫133的一個共振頻率爲9192631770赫茲。用它製作的計時儀器就可以非常準確了。北斗衛星導航系統使用的是由中國航天科工集團所研製的星載銣原子鐘，這些原子鐘實現了元器件100%國産化，目前的精度可達到300萬年誤差僅爲1秒。

「三」的奧秘

「道生一，一生二，二生三，三生萬物」。北斗系統的發展中也蘊含了很多與「三」有關的奧秘，包括北斗系統發展戰略、系統架構、星座配置、工作原理、信號體制、服務規劃、未來願景等等諸多方面。

北斗系統由空間段、地面段和用戶段三部分組成。其中空間段由3顆GEO衛星、3顆IGSO和24顆MEO衛星等組成。地面段則包括主控站、時間同步/注入站和監測站等若干地面站，以及星間鏈路運行管理設施。北斗系統用戶段包括北斗及兼容其他衛星導航系統的芯片、模塊、天綫等基礎産品，以及終端設備、應用系統與應用服務等。

北斗獨創了「三種軌道」混合星座。它是由GEO衛星、IGSO衛星和MEO衛星三種軌道衛星組成的混合導航星座。中國衛星導航系統管理辦公室主任冉承其指出，世界上其他衛星導航系統都是單一軌道的部署，北斗是三個軌道的衛星組成的星座系統。除了MEO軌道之外，還有同步軌道的，一個是靜止的GEO衛星，一個是傾斜同步軌道的IGSO衛星，由於它們的存在，在亞太大部分地區，用戶搜到的衛星就會比其他系統多。因爲這兩個軌道的衛星高度更高，可見性更好。「除了天地雙向通信，北斗還具有短報文系統，而短報文通信功能是其他國家的衛星導航系統都不具備的功能。在海上，沒有手機信號，或者灾害發生時通信受阻，這時候，如果你有北斗終端，就可以通過衛星發送短報文來與外界聯繫。如果你在中國及周邊地區，一次可以發一千個漢字呢。不過它跟發手機短信又不太一樣。現在的普通手機還發不了短報文，必須用北斗專門的通信終端才能發。中國的漁民和海洋執法船都有這樣的裝備。」

與此同時，北斗系統是全球第一個提供三頻信號服務的衛星導航系統。GPS使用的是雙頻信號，使用雙頻信號可以减弱電離層延遲的影響，而使用三頻信號可以構建更複雜模型消除電離層延遲的高階誤差。同時，使用三頻信號可提高載波相位模糊度的解算效率，理論上還可以提高載波收斂速度，這就是北斗的後發優勢。

此外，位置信息（Position）、速度信息（Velocity）和時間信息（Time）是構成北斗信息服務的「三要素」。

北斗系統可向全球提供優於10米的定位服務，亞太地區定位精度達到5米。北斗系統提供的位置信息服務，輸出結果爲「經度、緯度、高程」或者「x，y，z」，不管哪種輸出形式，恰好都是「三個參量」，一個不多，一個不少。同時，通過精密單點定位、星基增强、地基增强等方式，可將定位精度提高到米級、分米級乃至厘米級。北斗系統提供的測速精度能力優於0.2米/秒。北斗系統可爲用戶提供優於20ns的授時服務，在此基礎上利用差分授時、雙向比對等技術手段，可進一步提升授時精度。

實際上，無論你在哪里，北斗都在你身邊。在全國30多個城市650多萬輛汽車上都裝有北斗芯片；國際上主流的智能手機都用到了北斗。手機導航有兩部分組成。一部分是收衛星導航信號的芯片，這個衛星導航是以芯片的模式體現在手機的硬件裏面，另外一部分是基於芯片收星以後提供服務的導航軟件，比方說大家熟悉的百度、高德地圖，把北斗發送的位置信息展示在一張地圖上，讓人們方便地去找路。手機終端是否用到北斗系統，是體現在芯片裏面的。

現實生活中，一到立交橋、高架上，導航顯示的信息就讓人犯暈。這是因爲衛星提供給手機的是一個空間位置，包括經度、緯度和高度的三維位置信息，而導航軟件提供的地圖是二維的，沒有體現定位高度，所以就會出現導航誤差。

協同5G打開新世界

從2017年11月以來，北斗近兩年連續18次組網發射，將28顆北斗三號組網衛星，2顆北斗二號的備份衛星，順利送入軌道。平均每個月發射1.2顆衛星，刷新全球衛星導航系統組網速度世界紀錄。

隨著北斗構建了更加高精度、高可靠、高安全的新一代信息時空技術體系，北斗在應用和産業化方面也在不斷邁上新臺階。北斗和5G的融合更是將在智慧城市、智慧製造、智慧家庭、智慧農業等未來的新技術方面發揮出巨大作用。

在我國遠洋捕撈的漁船上，搭載著2萬多台套北斗導航系統終端，每年服務3億人次以上。每年有上百名海上遇險的漁民利用北斗導航的精確定位得到了救援。

在東北和新疆廣袤的農場裏，2000多套無人耕種機械，接收著來自北斗衛星的定位信號，在大田裏循著既定路綫自助耕作，提高作業效率30%以上……

北斗智能公交系統實現了公交車輛的精確到站預報和智能化管理，平均到站時間預報誤差小於1分鐘，每天惠及數百萬市民出行。

曾經，我國95%的民用導航市場被美國主導的GPS全球定位系統所壟斷；如今，大部分市場份額已被我國自主知識産權的北斗導航系統所取代。

業內專家一致認爲，2020年是北斗實現轉折發展的關鍵年，將從系統建設轉向産業發展，從研發轉向産業化應用，從單一技術産業向多技術多産業深化融合轉折。

目前，北斗爲道路上行駛的車輛提供了高精度定位服務，它可以實現端到端亞米級，甚至厘米級的動態定位。在極端惡劣的天氣下，車載激光雷達和攝像頭等融合感知設備會一定程度上失效，從而影響車車、車路之間的狀况判定，不能及時有效地傳遞信息，「而北斗高精定位技術却不受天氣環境等外界因素影響，在任何情况下，它都可以保證汽車的精准定位，可以充分保障車輛行駛安全，降低事故發生率」。

公路交通無疑是我國衛星導航系統應用最成熟、最廣泛的行業之一，此外，在測繪、航空、智慧城市、公共安全、工農機械、無人系統等領域，北斗的應用也將進一步深化。衛星導航定位系統究竟有哪些應用，專家說了——北斗的應用只受制於我們的想像力。

讓我們立即進入「北斗+5G」打開的新世界吧！

（陳冰／文）