有趣+涨知识:关于「北斗」的不正经科普

21ic电子网 2020-08-06

写在前面

2020年是不平凡的一年。我们在经历疫情考验的同时,在航天领域捷报频传。今天和大家唠一唠其中和大家关系最紧密的北斗的故事。咱北斗前几天还因为建成开通又上了新闻~


  • 19年1月3日,嫦娥四号在月球背面着陆成功。

  • 20年5月5日,“胖五”(长征五号B运载火箭)搭载新一代载人飞船发射成功。

  • 20年6月23日,长征三号乙运载火箭搭载北斗三号最后一颗全球组网卫星发射成功。

  • 20年7月23日,长征五号遥四运载火箭搭载火星探测器“天问一号”发射成功。


在这一年多的时间里,中国在航天领域取得了许多历史性成就。


其中,在2020年6月23日9时43分,我国成功发射了北斗系统第55颗导航卫星,这是北斗三号的第30颗,也是最后一颗全球组网卫星。至此北斗三号全球卫星导航系统比原计划提前半年时间全面完成部署。2020年7月31日,北斗三号全球卫星导航系统正式开通。


这对中国,对通信行业是件大事,也对我们的日常生活有着重要的影响。

有兄弟姐妹对北斗不太了解,今天就和大家来唠一唠。

谢邀,人在蒙古,刚下航母。


什么是北斗?


这次要聊的北斗,可不是刘欢《好汉歌》里的“天上的星星参北斗”的北斗星,而是中国发射的人造地球卫星。


人造地球卫星是用途最广、发射数量最多和效益最高的航天器。


1. 人造地球卫星若按运行轨道,可以分为:

  • 低轨道卫星,轨道高度为200~2000千米
  • 中轨道卫星,轨道高度为2000~20000多千米
  • 高轨道卫星(地球静止轨道、地球同步轨道卫星),轨道高度为35786千米


我们的北斗用的是后面两种,包括24颗21500km的中圆地球轨道(MEO)卫星、3颗地球静止轨道(GEO)卫星、3颗倾角55°的地球同步轨道(IGSO)卫星。


2. 人造地球卫星若按用途,可以分为:

  • 科学卫星(对内探索地球、对外观测天体)

  • 技术试验卫星(例如载人航天前送动物上天的返回式卫星)

  • 应用卫星


和我们日常生活关系比较紧密的是应用卫星,它包括气象卫星、通讯卫星、导航卫星等。

北斗就是其中的导航卫星,用于定位导航,可没有啥死兆星什么的。

导航不是GPS吗,有人用北斗吗?


说到导航,大家都不陌生。开车或者去陌生的地方旅游,谁不开个高德或百度的地图软件?现在家用小汽车那么普及,绝对和这有很大关系。不然车开一半不认识路了,要我停车翻纸地图,那还不如打的找老司机带带我呢。导航软件拯救了多少像我辈一样的天然路痴,功德无量~

但是,我们经常听导航软件在叫“GPS信号弱”,而不是叫“北斗信号弱”,北斗是不是根本就没人用,是一个面子工程呢?
答案当然是:

点击查看答案 



地图软件实际使用的是全球导航卫星系统GNSS(Global Navigation Satellite System)。而有能力把卫星咻~咻~咻~~上去提供全球定位导航的只有四家:
  • 美国,GPS(Global Positioning System,全球定位系统)

  • 俄国,GLONASS(格洛纳斯)

  • 欧洲,Galileo(伽利略)

  • 中国,北斗(BDS)


另外,还有日本准天顶卫星系统QZSS和印度区域卫星导航系统IRNSS,它们只能提供局部区域的定位导航。

一般国内在售的安卓手机都是北斗的用户了,里面的芯片是几种导航系统都支持的。苹果手机目前支持GPS,还不支持北斗。下面是一张基站侧在网管后台设置GNSS的截图,在国内我们一般设置为“GPS/北斗 GPS主用”或者“北斗/GPS 北斗主用”,GPS和北斗之间支持无缝切换。手机侧和基站侧一样,只要手机支持,不同GNSS系统之间就是兼容的。

 


既然北斗和GPS是兼容关系,可以随便切换,那为什么导航软件只说“GPS信号弱”呢?

这就是美国GPS的先发优势。

美国是最先研制卫星导航系统的国家,美国的GPS紧随俄罗斯的GLONASS之后开放民用,在很长一段时间内,都是精度最高、市场份额最大、认同度最高的。

先发优势带来了命名和频段上的优势。

  • 命名优势简单,我先出生的,我起名叫李逵,你后出生的,不能重名,那你只能叫李鬼。这就是为什么后面国际通用的全球导航系统只能叫“鸡你死(GNSS)”这么拗口的名字。因为简单明了的GPS,美国已经叫过了呐。感觉那还不如叫“鸡你太美GNTM,Global Navigation Trace Management”呢~


  • 频段优势是因为卫星发射信号大家不能用同样的频段,不然会互相干扰,而卫星频段又是谁先申请谁得。这就像种地,有几块地山清水秀适合种庄稼,美国GPS先来,就把最好的给先挑了。


所以,现在你在国内用的可能就是北斗,只是因为美国GPS以前优势大、应用广,导航软件根据习惯把北斗也叫成了GPS而已。


那北斗和美国GPS比谁更厉害呢?

1. 从卫星数量上看,北斗和GPS棋逢对手

美国GPS卫星导航系统由24颗卫星组成,全部都是中轨道卫星。参见https://www.gps.gov/


中国北斗2020.6.23完成北斗三号组网。北斗三号并不是单独的卫星,全称是北斗三号全球卫星导航系统。三号系统是由30颗卫星组成,包括24颗中轨道卫星,6颗高轨道卫星。北斗比GPS多的这6颗高轨道卫星,可以为亚太地区提供更好的定位和短报文通信服务。参见 http://www.beidou.gov.cn/
 
2. 从定位精度上看,北斗在中国现在是翻身做主人了
GPS在地球上任意区域,每时可见4~11颗卫星。在地球上很多开阔无遮挡的区域,GPS都能够搜到8颗以上的卫星。

北斗在亚太大部分地区,每时可见约12~16颗卫星,全球其他地区每时可见4~6颗卫星。

每时可见的卫星多,说明头上的卫星多。由于无线信号有这样那样的干扰,就像六月的天气一样善变~导致它充满了不确定性。



所以,能同时搜到的卫星越多,导航系统自动校准的准确度就越高。毕竟定位时是按时间×光速计算的,真“失之毫厘谬以千里”。

为了实现准确的定位,需要至少能够同时收到4颗卫星的信号。低于这个数,就会叫“GPS信号弱”了。因此,头上卫星越多,这就增加了在有一点遮挡的场景下,准确定位的希望!

北斗系统可向全球提供优于10米的定位服务,亚太地区定位精度达到2.5~5米。还可以通过精密单点定位、实时动态差分(RTK,Real-time kinematic)、广域差分等方式进一步提高定位精度。更多的卫星,保证了北斗相对于美国GPS的主场优势。毕竟咱还是讲究为人民服务的嘛~


北斗现在可以提供哪些服务呢?

1. 北斗当然可以提供导航服务
在国内驰名的獐子岛扇贝逃跑事件。证监会就是借助北斗导航定位系统,通过獐子岛采捕船卫星定位数据,还原了采捕船只的真实航行轨迹。獐子岛自述采捕海域的120个调查点位中,有60个点位采捕船根本就没去。证监会通过北斗辅助,证明了獐子岛对调查结果进行造假,处以60万元罚款,对15名责任人员处以3万元至30万元不等罚款,对4名主要责任人采取5年至终身市场禁入。
 
2. 北斗可以救命
其他的卫星导航系统都是无源系统。即,卫星只管不停发射信号,接收的人自己计算自己在什么位置。

而北斗独有的有源定位和短报文功能,可以化被动为主动。有源定位功能,可以通过专门的北斗终端(不是手机)告诉别人我在哪。短报文功能就是卫星的短信功能。它们在灾害救援、搜救场景,有非常大的价值。因为在海上、深山等手机没有信号的地区,或者是由于自然灾害导致通信中断时,北斗系统就是保障生命安全的“千里眼”。

2008年汶川地震时,震中地区受灾极其严重,通信、电力、交通全部中断,无法与抗震救灾指挥部取得联系。所以每次救灾,都能看到咱通信人冲在最前面抢修和恢复通信的消息。


而在通信恢复前,前往汶川救援的部队就是因为携带了北斗终端,才能及时向指挥部报告自己的位置,方便指挥调度。并且还通过北斗短报文功能,发回了“我支队已于11时以摩托化向成都方向机动”、“卧龙特区请求空投帐篷和药品”等重要消息,最大限度地保证了“72小时黄金抢救时间”的有效利用。

2020年7月,在湖南省石门县由于持续大量降雨导致山体滑坡。抗洪救灾前线也通过北斗系统对可能发生滑坡、水位暴涨的险情,进行24小时监控,提前发布预警,在灾害发生前撤离14户33人。
 
3. 北斗还可以帮助生产
北斗结合遥感技术,还可以测量土地分布、土壤养分、林区面积等。

2020年5月27日,测量队登顶珠峰,重新对珠峰高度进行精准测量,就有使用北斗卫星系统进行配合。此次珠峰高程的精确测定,可以结束国际上对珠峰高度口径不统一的混乱局面,为世界地球科学研究做出贡献。特别是此次测量所使用的北斗系统、国产测绘仪器,我国都拥有自主核心技术,其社会效益和科学意义巨大。

故事还将继续

故事还将继续
在同一个领域,不管是国家还是科技,没有永久的和平,不变的只有竞争。北斗的发展历经坎坷,从白手起家,不断克服困难和积累沉淀,现在终于走到了世界前列。

北斗是如此,通信行业整体也是如此。1G空白,2G跟随,3G参与,4G追赶,5G领先。

发展的历程与艰辛,篇幅有限就不去回顾了,但是故事还没有结束,相信在一代代通信人的艰苦奋斗下,未来我们会做得更好!


最后说一句


好奇自己手机到底在接收啥子卫星信号的朋友,可以在安卓应用商店下载个叫“北斗伴”的APP。如下,可以看到手机当前能搜到的卫星有哪些。

(友情提示:该APP功能有点玄幻,经常自动关闭,玩玩就好)



   
作者:加班仙人
来源:中兴文档
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