出品：科学大院
作者：张晟宇（中国科学院微小卫星创新研究院）
监制：中国科学院计算机网络信息中心 中国科普博览
论语中说“父母在，不远游，游必有方”，说的是年轻人可以出去闯天下，不过要有个明确的方向。
但是，作为一个路痴“明确方向”这样困难的事情简直就是要了命。
过去辨识方向的方法是有限的，看山看书看水是识别导航，看太阳，看星辰是天文导航。
我国古代还有个成语叫“斗转星移”，虽然语义已经变成了时间的变化，其根源却是古人用北极星和北斗七星的位置关系来判别方位时间的智慧。
所以咱们国家的全球导航系统便取了“北斗”这个名字，也算是颇有深意。
说起来，中国曾经一直在导航领域处于领先地位，中国人发明的指南针，通过地磁实现了方向的确定；在航海中利用“过洋牵星术”通过牵星板测量星辰高度从而获得所处位置，而定位与制导正是导航的基本理念。
全球导航系统的出现、发展到全面应用，不但拯救了全世界的“路痴”，还带来了难以估量的国民经济发展的促进作用。
在整个人类的发展过程中，被广泛使用的主要是天文导航的手段，尤其是在大航海时代，不管是七下西洋的郑和船队还是欧洲的航海家都发明了先进的天文导航仪器，或者找到了其他方法。
然而这种天文导航还是受到诸如天气条件等不确定因素的影响，且并不是所有人都能熟练使用这些仪器的。
于是在人类的航天事业开始之后，利用人造卫星构建一个全球的导航系统的想法就应运而生了。
天然的星星不好用，就用人类自己造的星星呗！
人类的第一颗人造卫星上天以后，科学家利用多普勒频移曲线（鸣着汽笛的火车迎面驶来，鸣笛声的波长被压缩，频率变高，尖利刺耳；火车远离，声音波长就被拉长，频率变低，声音减缓低沉。）测算卫星所处的轨道位置。
于是就有人利用逆向的思维考虑，如果准确地知道卫星的轨道位置，就能通过测量卫星信号的多普勒频移值来推算出地面的位置了。
在其后的短短几十年中，人们逐渐建设了包含我国北斗导航卫星系统在内的多套全球卫星导航系统，产生了深远的影响和巨大的价值。
那么全球导航卫星系统（GNSS）究竟是如何拯救“路痴”的呢？
一般来说，我们生活中出门在外，首先要明确自己的位置，然后明确方向，选择最佳的路径，前往目的地。
导航卫星都是“广播”卫星，不断地用无线电波向大家报告自己的位置和时间，在地面上的导航用户利用GPS接收机（譬如我们的手机）接收着来自这些卫星广播信号。
接受者需要解算出的是自己所在时刻所处的位置，在一个3D的世界里，位置使用三个量表示的，所以连上时间一起解算出来就需要四个方程才能求解出四个未知数。
所以说我们起码要同时接收到4颗以上卫星的信号才有可能进行定位，实际情况当然是多多益善啦~所以要实现全球的定位就需要足够多的卫星来提供定位信息。
要实现全球的导航，就需要一个覆盖全球的卫星星座，而这个卫星星座的主流四大系统都选择了中高轨道（MEO）来部署导航星座。
正是利用了MEO，我们可以使用20多颗到30颗左右的卫星来实现全球的广播信号覆盖，同时也因为MEO轨道发射费用低于地球同步轨道，系统实现的成本也比较低。
由于所有的信号都是以光速传播的电磁波，所以时间的准确性就尤其的重要，也就是说，每颗卫星带在身边的“表”要非常地准，1ns（一秒的10亿分之一）的时间误差都会带来0.3m的位置误差。
星上携带的钟要很准，要达到1000年只能差1s的水平，运行中由国家授时中心提供时间基准，实现统一的时间。
时间精度保证了，解方程不是还有卫星的位置吗？
那是当然。
所有卫星的位置通过准确的测算形成卫星的轨道星历，卫星在广播的时候就会广播这个位置信息，地面的接收机就可以依据这些信息来计算卫星在特定时刻的准确的位置了。
全球卫星导航系统是一个非常复杂是系统，在系统的运行过程中还有很多因素在影响着系统的定位精度。
例如卫星在广播的过程中要穿过大气层中的电离层和对流层造成电磁波的时延、信号在传播路径上收到遮挡（高楼，高山等）、被障碍物折射的信号造成的多路径误差等等。
于是又应运而生了导航增强技术，比如在差分技术，通过一个测站来校正接收机的测量误差，从而实现较好的定位精度。
全球卫星导航系统不但可以服务于军事，为国民生产提供时间、位置信息（大型工程建设的测绘、支持全面的物联网物流信息），还实现便民服务（例如帮助我们找路），以及更多其他的应用。
例如，由于卫星导航使用的是L波段的信号进行广播的，我们可以利用GNSS信号经过地面的反射后重新测量，从而领用土壤水分对L波段的吸收特性来进行土壤湿度的监测。
另外，我们也可以通过测量GNSS经过大气传播衰减后的信号来反演出气象数据从而获得大气的温度、压力和湿度值。使得构建更加有效的天气预报系统成为可能。
当然应用不止于此，正所谓脑洞越大，世界越大。
2020年，我们国家将建设完成覆盖全球的卫星定位导航系统北斗。并牵引一个庞大的民用产业链的形成。
中国的北斗系统在系统的兼容性，精准定位，授时以及通信服务方面都具备很多优势，我国的卫星导航产业已经进入了一个高速发展期。
中国科学院在北斗卫星系统和应用系统的建设过程中，发挥自己的优势和特长，从单项技术突破到卫星研制以及地面应用设备等方面都做出的贡献，相信在未来的发展中还会发挥更大的作用。
“科学大院”是中国科学院官方科普平台，致力于前沿、权威、有趣、有料。由中国科学院科学传播局联合主办、中国科普博览运营。关注微信公众号“科学大院”获取更多信息。更多合作与科学大院工作组cas@cnic.cn联系。
