北斗九问(1)
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升空，随后成功进入预定轨道。这意味着自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!
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，在方方面面彻底改变了中国人的生活方式。本文将围绕關于北斗的几个经典问题，详细解读这个宏大工程的意义。
一问：为什么有GPS还要做北斗
美国的全球定位系统(简称GPS)起步于20世纪70年代，经过多年发展，尤其是经商业运作以后，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，由于更了解自己的信号体制，工程师不仅能在信号方面增加干扰、欺骗等手段，空间段还能停止某一地区的服务，芯片定价权和使用权限等也在美方手中。
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例如，GPS开放民用服务后，普通用户只能使用定位精度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，为打压俄罗斯军民两用卫星导航系统格洛纳斯(GLONASS)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，它可以随意恢复干扰，甚至彻底停止区域服务。这类事情在近年印巴冲突、中东地区冲突中屡见不鲜。
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以千亿美元计的巨大市场。因而，无论是从国家国防安全，还是导航应用市场的巨大商业利益来看，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上的国际合作。
目前，只有美国、俄罗斯、中国和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的重中之重，意义可见一斑。
二问：为什么北斗有三种轨道
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美国、俄罗斯和欧洲的星座只部署在距离地球约2万千米的中远地球轨道(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。
▲ 长征三号甲系列(图自中国航天科技集团)
日本和印度的星座主要服务本国，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系统高度依赖美国GPS系统，使用至少3颗卫星运行在倾斜地球同步轨道(IGSO)，保障在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)。
对于北斗而言：“小孩子才做选择，我全都要!”北斗兼具MEO、GEO和IGSO三种轨道。MEO(倾角55°，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°，高35786千米)和IGSO(倾角55°，高35786千米)则保证亚太和“一带一路”地区更高精度的定位。
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▲ 北斗导航卫星模型
三问：为什么北斗有一号、二号、三号之分
卫星导航系统是一个庞大的工程，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、无线电远距离通信技术、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，即对应北斗一号、二号和三号。
北斗一号主要是试验系统。2000—2007年共发射了4颗试验性质卫星，全是GEO卫星，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。2007—2019年共发射了20颗卫星(包含备份星)，其中，8颗为GEO卫星，7颗为IGSO卫星，主要服务于亚太地区；5颗为MEO卫星，仅能提供有限的全球覆盖。所以，北斗二号系统总体上服务于亚太地区。
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北斗三号是全球卫星导航系统。从2015年至今共计发射了35颗卫星，其中5颗为测试性质，不提供服务。在正式星座中，3颗为GEO卫星，3颗为IGSO卫星，24颗为MEO卫星，可向全球提供高精度、全天候、全天时的导航定位授时服务。
与此同时，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，远超GPS的32颗。未来，随着北斗二号部分卫星逐渐退役，虽总数会有所降低，但仍将维持在30颗以上。
四问：为什么北斗卫星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，越高越好)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，例如嫦娥系列、风云(二/四)卫星以及各种通信卫星等，北斗家族同样如此。, http://www.100md.com(毛新愿)