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2019-04-19 16:50

北斗脱口秀系列:北斗系统的7个“3”

出品:“SELF格致论道讲坛”公众号(ID:SELFtalks),作者:徐颖,中国科学院空天信息研究院研究员,题图来自Unsplash


“北斗系统是全世界唯一一个具备通信功能的卫星导航定位系统。”


大家好,今天特别荣幸来到上海,挑战一个以前从来没有挑战过的领域。我经常给大家做科普报告,但做脱口秀是第一次。

 


首先为大家介绍一下自己,我叫徐颖,来自中国科学院空天信息研究院,今天来给大家讲讲导航。

 

关于导航

 

提到导航,其实大家都非常熟悉。对于很多人来讲,导航基本上等于我们手机上的地图软件。刚才在后台我们还在聊,大家今天是怎么到浦东图书馆的?有说打车的,有说开车的,有说坐公交车的,有说骑自行车的,还有开坦克来的。对,那位小朋友,把你手中的玩具坦克放下,不要再玩了,我们开始听脱口秀。

 

其实,这是一个误解,导航是一个体系化的科学,并不完全等价于我们手中的地图软件。今天为大家讲解导航,首先要给大家介绍一个数字,这个数字是多少呢?这个数字是3。

 

为什么说这个数字是3?《道德经》中讲到,一生二,二生三,三生三世十里桃花。所以我们只要把“3”这个问题说清楚了,我们也就了解了导航当中的科学。

 

首先,导航不仅仅等于我们的地图,作为一个体系化的科学,导航包含三个基本要素:一个是时间,一个是位置,一个是引导我们从一个位置到达另一个位置的精准控制的过程,这个三位一体的体系我们才叫做导航。

 

基本原理

 

接下来,我们要说的是导航的基本原理。我们至少需要几颗卫星才能实现定位?三颗。


因为我们每一个人的位置都包含经度、纬度和高度三个未知数。我们需要三颗卫星得到三个测量值,列出三个方程,才能够求解出刚才的三个未知数。

 

当然通常来讲,我们至少需要四颗卫星,因为还有时间的问题。所以,四颗卫星是卫星导航定位的基本原理。

 

三大要素

 

那么是不是有了四颗卫星就解决了导航的所有问题呢?当然不是,俗话说一个好汉三个帮,一个篱笆三个桩,我们要解决导航问题也需要讲到三大要素。一个是卫星,一个是地面监测站,还有一个是用户终端。

 

卫星主要用来发射信号,地面站主要用来监测信号,而我们的终端就是跟大家接触最多的了,比如大家经常用的手机就是一个终端。

 

当然除了手机之外,北斗还有各种各样的终端,比如说我们的高动态、高精度、高灵敏度、抗干扰、反欺骗、小型化、低功耗、手持型、车载型、船载型、弹载型、星载型、机载型,还有我们的北斗手表、北斗鞋、北斗卡。各种各样,应有尽有。走过路过不要错过,全场两元,全场两元,两元钱你买不了吃亏也买不了上当,请进来看一看。

 

当然我们的北斗产品就是这么全,但是有一个北斗产品真的没有,就是前一阵我们刚刚辟谣的北斗地图APP,它真的不等于北斗卫星导航定位系统,这个我们真没有。

 

三大问题

 

那么是不是有了卫星、地面段和终端,我们就感觉自己可以出任CEO,迎娶高富帅,从此走上人生巅峰,踏上不再迷途的北斗之路了呢?当然不是,我们还需要解决三个重大问题。

 

第一个问题是时间的问题。大家会觉得时间有什么关系?我面前有一个计时器告诉我现在的时间,假设今天的脱口秀是下午四点开始,您四点零一分到现场,我想工作人员也一定会让您进来。那么我们为什么需要一个非常精准的时间呢?

 

这是因为在卫星导航当中,我们是通过时间乘以北斗信号的传播速度来测量距离的。北斗信号的传播速度是光速,跟惊奇队长的飞行速度一样,所以如果时间相差一秒,那么距离就会差出去3后面8个0这么大的距离。就像你本来要去丽江结果给你定位到了西藏,这时导航就没有用了,还不如问百度。

 

所以我们要感谢物理学家,物理学家发明了原子钟,把精度做到了10的负13次方这样的量级。

 

这个精度意味着什么?意味着大概过去几千万年,时间的误差才会过去1秒。也就意味着如果现在我们面前有一台这个精度的原子钟,那么当它回溯到上一秒发生误差的时刻,我相信坐在台下的一定不是你们,而是恐龙了。

 

第二个问题是位置的问题。有了时间后,我们还需要一个精确的卫星的位置。这个问题的解决要感谢上帝,上帝扔了一个苹果,启迪了夏娃,又扔了一个苹果,启迪了牛顿,于是我们有了牛顿三大定律和开普勒定律,我们可以开始算卫星的轨道,才有了卫星的精确位置。

 

解决了时间和位置的问题,我们还需要解决第三个问题,即如何让系统共存,如何让系统正常运行?北斗三号预计30颗卫星覆盖全球,GPS24颗卫星覆盖全球,当前我们能够用的卫星数量已经超过了100颗。如何让这么多的卫星在天上工作,而彼此之间不互相干扰呢?就像现场同时有100个人说话,我们怎样才能分辨出每一个人,而不让他被其他人的说话声音所干扰呢?

 

我们有三种解决方案。第一种叫做时分技术,也叫作TDMA,也就是说我们有100个人说话,但分别在各自对应的时间,在1到100不同的时间段说话,这样我们就能分清彼此说话的时间。

 

第二种叫做频分技术,也叫作FDMA,也就是说让每颗卫星发送的信号在不同的频率,好比把人分开关在不同的小黑屋子里说话,小黑屋隔离效果好,那自然也就不互相影响了。

 

第三种叫做码分技术,也叫CDMA,我们在不同的卫星上调制不同的码元,给它附加特性来区分每一颗卫星的信号,好比让不同的人用不同的语言说话,有的说英语,有的说普通话,有的说四川话,然后分别再找只能听懂英语、普通话和四川话的人来听他们说话,这样也能区分不同卫星的信号。

 

解决完时间、位置和不同的发播方式这些问题之后,我们是不是终于能建成我们的卫星导航定位系统了呢?这个答案是肯定的。

 

北斗卫星导航系统

 

我们国家的卫星导航定位系统叫做北斗,它是全球覆盖的卫星导航定位系统,除了我国的北斗,全世界还有其他三个厉害的小伙伴,分别是美国的GPS系统、俄罗斯的GLONASS系统和欧盟的GALILEO系统。

 

除了这四大卫星导航定位系统外,其它的无论是日本建的还是印度建的,都属于区域覆盖,不能叫作全球定位系统。

 

北斗系统的建设不是一蹴而就,毕其功于一役的,北斗系统的建设也分为三个阶段:第一个阶段是2000年左右建成北斗双星系统,也叫作北斗一号系统;第二个阶段是2012年左右建成北斗二号系统,也叫作北斗区域系统,从有源定位系统变成无源定位的系统;第三个阶段是到2020年左右要建成北斗三号系统,也叫作北斗全球系统,北斗全球系统在2018年已经完成了基本建设,也实现了对一带一路地区的覆盖。

 

有了这么多卫星,有了北斗系统之后,北斗系统到底能为我们提供什么功能?总的来说,北斗系统的功能可归纳为三种,第一种是可以提供一个非常准确的位置,就像今天大家在这里如果打开手机上的北斗系统,你就会发现你的位置是在浦东图书馆。

 

第二种是能提供一个非常准确的时间,因为它自身的时间很准,所以也可以给我们做一个非常精准的授时。在我国的电力、金融系统中应用广泛。

 

第三种是北斗系统所特有的通信功能。北斗系统是全世界唯一一个具备通信功能的卫星导航定位系统。

 

所以,北斗系统作为一个基础的时空体系,为我们提供了全方位的无处不在的时空服务。2018年我国的航天事业取得了巨大突破,总共完成39次火箭发射,第一次达到世界第一发射数量,其中北斗完成了18颗卫星的发射。我们不仅拥有中国精度,我们也拥有中国速度。

 

作为一个航天人,我们为祖国骄傲,也为中国航天自豪,在未知的大航天时代面前,充满了无限种可能,从太空旅游到太空殡葬,从太空发电到太空采矿,人类在用想象力和技术力挑战着广袤无垠的宇宙空间。

 

虽然前路漫漫艰难险阻,但我们只能一往无前,无问西东。谢谢!


本文出品自“SELF格致论道讲坛”公众号(SELFtalks),转载请注明公众号出处,未经授权不得转载。

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