北斗，每一颗星都在闪亮

2020年已然成为过往，而现在完全可以断言2020年是中国航天年，因为在这一年当中，中国航天迈出了很多坚实的步伐。其中，特别引人注目的当然也有北斗系统的收官之战。从1983年陈芳允院士提出双星定位的思想开始，到2020年北斗三号最后一颗卫星发射，北斗系统已经完成了组网建设，其应用也深入到我们日常生活中的方方面面。

卫星导航必须自主

北斗系统是全世界第三个建成的卫星导航定位系统。世界卫星导航有四个系统，可以被叫做全球定位系统，能够实现全球覆盖：它们分别是美国的GPS，欧盟的伽利略，中国的北斗和俄罗斯的GLONASS。在北斗建成之前，最被大家所熟知的就是美国的GPS系统了。

GPS系统大约建成时间是在1994年，但是它被世人所熟知，其实是在1991年的海湾战争。在这场战争中，发挥出巨大作用的就是，当时尚未完全建成、但是已经展现了它在军事和国防方面巨大作用的GPS系统。这场战争，不仅奠定了美国的霸主地位，也对未来的战争以信息战为主体、以制空权为核心的战争体系和战争思想进行了奠定。它所带来的影响被叫做“新军事革命”，一直延续至今。

在这场战争之后，全世界都看到了“养在深闺人未识，一朝名动天下知”的卫星导航定位系统，而世界上所有的超级大国，也都意识到了想要国家主权独立，必须把卫星导航这把“金钥匙”握在自己手中。所以全世界的超级大国都开始构建自己的“卫导系统”，当然也包括我国。

“北斗”建设三步走

北斗系统是在1983年的时候，由两弹一星的元勋陈芳允院士提出双星定位的思想开始构建的，但是，北斗系统的建设并不是一蹴而就的。

北斗系统建设分为三步走：第一步是在2000年左右建成的北斗一号系统，也叫做“北斗双星”系统，它主要解决了我国卫星导航定位的有无问题；2012年建成的北斗二号系统，也叫做“北斗区域”系统，它主要是把北斗一号系统当中的有源定位的方式，变成了无源定位的方式。无源定位的方式，能够更好地解决用户位置暴露风险，以及用户容量受限问题，北斗二号系统真正为我国和周边亚太地区提供了准确的导航定位和授时服务；2020年收官的系统叫做北斗三号系统，也叫做“北斗全球系统”。北斗三号系统主要是把一个区域系统变成了全球系统，在此基础上也开发出了很多新技术，比如星间链路系统、高精度的氢原子钟系统等等，所以北斗三号系统真正实现了不仅是中国的北斗，也是世界的北斗。

“三球定位”原理

北斗系统实现导航定位和授时服务的基本原理叫做“三球定位”，是指我们首先测量用户和卫星之间的距离，那么就可以知道，用户一定在以卫星为球心，以这个距离为半径的一个球体上。之后继续测量和卫星二、卫星三之间的距离，而这三个球它会交汇在一个点上，这个点就是用户的位置。这就是全世界所有卫星导航定位系统的基本原理——“三球定位”。

要实现“三球定位”，其中一个非常核心的关键点是需要测量使用者和卫星之间的距离。这个怎么能做到呢？肯定不可能在使用者和卫星之间去拿一条皮尺测量，这也是所有卫星导航的小秘密——把测量距离变成了测量时间。通过测量和卫星之间的精准时间，再乘上光速，就可以得到距离了。

卫星导航当中有一个非常核心的关键技术，叫做星载原子钟技术。如今，北斗系统导航定位精度已经能够做到米级、厘米级，甚至毫米级了，这对我们的星载原子钟的精度要求非常高。

全面实现国产化

在北斗二号建设之前，我国其实是不具备研制星载原子钟能力，星载原子钟主要靠进口。当时，北斗科学家意识到关键核心技术永远求不来也要不来，一定要靠自己，经过两三年攻关成功实现了星载原子钟技术突破，从而为北斗二号系统的顺利建设和推广提供了有效的基础。

现在，包括星载原子钟这样的核心器件在内，北斗三号已经实现了100%的国产化，像氢钟、铯钟、铷钟、钙钟、冷原子钟等都已经做得非常成熟，而且做得非常广泛。这就是国家重大科研项目的需求引领了基础技术的突破。

其实，北斗系统还有一个隐藏的授时功能，也就是时间同步。北斗系统既拥有高精度时钟，也可以给其他的系统做精准的时间同步。目前在电力系统、金融系统、通信系统等这些关系着国计民生的行业当中，都有北斗系统提供的精准的时间服务。

应用只受限于想象力

北斗系统的“北斗”这个名字，来自于北斗七星，是中华民族的指极星，也是中华民族的导航星。

作为导航星，北斗系统的应用其实早已融入到我们的日常生活之中：在用手机打车服务时，我们确定自己和司机之间的位置，其实就会用到北斗系统来定位；在渔船航运中也能够给出海的渔民提供一个发短信报平安的方式，如果遇上危险还可以及时向海警求救。

此外，北斗在气象领域应用非常广泛。北斗系统的卫星信号来自距离地球2-3万公里的高度，卫星在传输到地面的时候会经过大气层，从而信号发生一些变化，对信号的变化进行反演，我们就可以进行精准的天气预报了。

业内一直有这样一句话：卫星导航定位系统的应用，只受制于人们的想象力，随着北斗系统的建成，必然能够在应用和推广方面大放异彩，真正让每一个中国人都用上中国自己的北斗。

（作者系中国科学院空天信息创新研究院研究员、北斗导航系统科学家。本文选自作者在2021科学跨年之夜活动上的演讲）