2020年已然成為過往，而現在完全可以斷言2020年是中國航天年，因為在這一年當中，中國航天邁出了很多堅實的步伐。其中，特別引人注目的當然也有北斗系統的收官之戰。從1983年陳芳允院士提出雙星定位的思想開始，到2020年北斗三號最后一顆衛星發射，北斗系統已經完成了組網建設，其應用也深入到我們日常生活中的方方面面。
衛星導航必須自主
北斗系統是全世界第三個建成的衛星導航定位系統。世界衛星導航有四個系統，可以被叫做全球定位系統，能夠實現全球覆蓋：它們分別是美國的GPS，歐盟的伽利略，中國的北斗和俄羅斯的GLONASS。在北斗建成之前，最被大家所熟知的就是美國的GPS系統了。
GPS系統大約建成時間是在1994年，但是它被世人所熟知，其實是在1991年的海灣戰爭。在這場戰爭中，發揮出巨大作用的就是，當時尚未完全建成、但是已經展現了它在軍事和國防方面巨大作用的GPS系統。這場戰爭，不僅奠定了美國的霸主地位，也對未來的戰爭以信息戰為主體、以制空權為核心的戰爭體系和戰爭思想進行了奠定。它所帶來的影響被叫做“新軍事革命”，一直延續至今。
在這場戰爭之后，全世界都看到了“養在深閨人未識，一朝名動天下知”的衛星導航定位系統，而世界上所有的超級大國，也都意識到了想要國家主權獨立，必須把衛星導航這把“金鑰匙”握在自己手中。所以全世界的超級大國都開始構建自己的“衛導系統”，當然也包括我國。
“北斗”建設三步走
北斗系統是在1983年的時候，由兩彈一星的元勛陳芳允院士提出雙星定位的思想開始構建的，但是，北斗系統的建設并不是一蹴而就的。
北斗系統建設分為三步走：第一步是在2000年左右建成的北斗一號系統，也叫做“北斗雙星”系統，它主要解決了我國衛星導航定位的有無問題；2012年建成的北斗二號系統，也叫做“北斗區域”系統，它主要是把北斗一號系統當中的有源定位的方式，變成了無源定位的方式。無源定位的方式，能夠更好地解決用戶位置暴露風險，以及用戶容量受限問題，北斗二號系統真正為我國和周邊亞太地區提供了準確的導航定位和授時服務；2020年收官的系統叫做北斗三號系統，也叫做“北斗全球系統”。北斗三號系統主要是把一個區域系統變成了全球系統，在此基礎上也開發出了很多新技術，比如星間鏈路系統、高精度的氫原子鐘系統等等，所以北斗三號系統真正實現了不僅是中國的北斗，也是世界的北斗。
“三球定位”原理
北斗系統實現導航定位和授時服務的基本原理叫做“三球定位”，是指我們首先測量用戶和衛星之間的距離，那么就可以知道，用戶一定在以衛星為球心，以這個距離為半徑的一個球體上。之后繼續測量和衛星二、衛星三之間的距離，而這三個球它會交匯在一個點上，這個點就是用戶的位置。這就是全世界所有衛星導航定位系統的基本原理——“三球定位”。
要實現“三球定位”，其中一個非常核心的關鍵點是需要測量使用者和衛星之間的距離。這個怎么能做到呢？肯定不可能在使用者和衛星之間去拿一條皮尺測量，這也是所有衛星導航的小秘密——把測量距離變成了測量時間。通過測量和衛星之間的精準時間，再乘上光速，就可以得到距離了。
衛星導航當中有一個非常核心的關鍵技術，叫做星載原子鐘技術。如今，北斗系統導航定位精度已經能夠做到米級、厘米級，甚至毫米級了，這對我們的星載原子鐘的精度要求非常高。
全面實現國產化
在北斗二號建設之前，我國其實是不具備研制星載原子鐘能力，星載原子鐘主要靠進口。當時，北斗科學家意識到關鍵核心技術永遠求不來也要不來，一定要靠自己，經過兩三年攻關成功實現了星載原子鐘技術突破，從而為北斗二號系統的順利建設和推廣提供了有效的基礎。
現在，包括星載原子鐘這樣的核心器件在內，北斗三號已經實現了100%的國產化，像氫鐘、銫鐘、銣鐘、鈣鐘、冷原子鐘等都已經做得非常成熟，而且做得非常廣泛。這就是國家重大科研項目的需求引領了基礎技術的突破。
其實，北斗系統還有一個隱藏的授時功能，也就是時間同步。北斗系統既擁有高精度時鐘，也可以給其他的系統做精準的時間同步。目前在電力系統、金融系統、通信系統等這些關系著國計民生的行業當中，都有北斗系統提供的精準的時間服務。
應用只受限于想象力
北斗系統的“北斗”這個名字，來自于北斗七星，是中華民族的指極星，也是中華民族的導航星。
作為導航星，北斗系統的應用其實早已融入到我們的日常生活之中：在用手機打車服務時，我們確定自己和司機之間的位置，其實就會用到北斗系統來定位；在漁船航運中也能夠給出海的漁民提供一個發短信報平安的方式，如果遇上危險還可以及時向海警求救。
此外，北斗在氣象領域應用非常廣泛。北斗系統的衛星信號來自距離地球2-3萬公里的高度，衛星在傳輸到地面的時候會經過大氣層，從而信號發生一些變化，對信號的變化進行反演，我們就可以進行精準的天氣預報了。
業內一直有這樣一句話：衛星導航定位系統的應用，只受制于人們的想象力，隨著北斗系統的建成，必然能夠在應用和推廣方面大放異彩，真正讓每一個中國人都用上中國自己的北斗。
（作者系中國科學院空天信息創新研究院研究員、北斗導航系統科學家。本文選自作者在2021科學跨年之夜活動上的演講）
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