材制视角 | 中国北斗卫星导航系统
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文明的发展离不开导航技术。古时候，人们通过比对标记物，通过观察日月星空、天气、野生动物的痕迹等等自然事物找到路线——这就是最初的导航。随着文明的发展，我们又发明了指南针、六分仪等工具来“观测”方向。到了现代，得益于电磁波的发现运用和强大的计算机设备，我们能够不通过比对周边事物就够能在地球坐标系中确定自己的位置了。甚至我们可以将人造的天体送上太空，用来定位和指引方向。
1946年，美国建成“子午仪”卫星导航系统并交付海军使用，主要用途是为核潜艇和水面舰艇的导航之用。这就是最初的卫星导航系统，也是我们所熟知的GPS（global posting system）的前身。子午仪导航系统可以全天候导航，导航信号覆盖全球，导航精度优于以前任何系统，但却不能定高度、速度，不能连续实施导航。于是，为了解决“子午仪”的众多问题，GPS诞生了。和“子午仪”相比，GPS定位精度大为提高，而且GPS可提供实时导航和较高的容错性，除了传统的导航用途外，GPS还可以提供较为精确的移动信息和时间校正功能。可以说，GPS相对于“子午仪”有了重大的飞跃，让卫星导航真正进入大规模应用领域。
全球导航定位系统战略意义重大。1999年印度和巴基斯坦冲突时美国曾切断冲突区域的GPS信号，导致印度军队失去方向，行动受阻。这警醒了我们一定要有属于自己的定位系统才能满足国防安全的需求
——这就是我们的北斗诞生的前因。
说了这么多历史上的因缘，让我们来认识一下我们的北斗吧！
北斗系统由空间段、地面段和用户段三部分组成：
空间段
空间段是由若干地球静止轨道卫星、倾斜地球同步轨道卫星和中圆轨道卫星等组成的。
地面段
地面段包括主控站、时间同步/注入站和监测站等若干地面站，以及星间链路运行管理设施。
用户段
用户段包括北斗兼容其它卫星导航系统的芯片、模块、天线等基础产品，以及终端产品、应用系统与应用服务等。
卫星导航按测量导航参数的几何定位原理分为测角、时间测距、多普勒测速和组合法等系统。而北斗导航又称双星快速定位通讯系统，运用的是时间测距的定位方法，运用的是迟到上经度不同的两颗地球静止轨道卫星和一些辅助手段，为工作区内用户提供连续、实时的定位信息。
图中的S1和S2是两颗位置精确已知的赤道上空的地球同步卫星，它们的选取是随机的。图中的坐标为大地直角坐标系中的坐标，X为纬度，Y为经度，Z为海拔高度。
双星定位法的整个流程就是现有地面的中心处理站向S1、S2发送询问信号，S1、S2中的一颗卫星接收到信号后进行简单的频率变换后再转发给用户。用户收发器接收到信号后，用脉冲二进制序列码信号回答，这个回答信号提供了数字测高仪数据。用户收发机的天线是全向波束，卫星S1和S2接收到用户回答信号后进行频率变换再转发给地面中心处理站。
这样，地面中心处理站在不同的时刻接收到同一个用户应答的二进制脉冲序列，就可以测量自发出询问信号到收到用户应答信号的时间间隔。之后，中心站自动送出一个确认信号给用户，表明用户发送的最新信号已正确接收，这时用户收发机自动停止一段时间并暂时拒收其它后继询问信号，暂停时间长短由用户需求决定。
中心处理站的设备根据测定的用户终端应答的时间间隔和站内储存的数字地形图及用户提供的数字测高仪数据，就可以处理出用户位置的地理纬度、经度和海拔高度（大地直角坐标系中的坐标）。再将数据与存储器中用户前次的位置信息作比较，计算得出用户在三个坐标上的速度。由中心站解调出用户应答信号中的电文信息，解读出用户申请的服务内容。再把处理出来的用户定位、导航信息及给用户的电文，以脉冲二进制序列码信号，通过卫星S1转发给用户。用户收发机对卫星S发播的信号自动接收、识别后，在液晶显示器上以字母、数字、地图、文字等形式给出用户需要的定位、导航信息和电文，同时用户收发器自动打出“信号已成功接受”的应答信号。从地面中心处理站发出询问信号到用户获得定位和导航信息，数据流程时间约为0.6秒。
与GPS相比，北斗系统还有很多不足，但同时也有很多的优势：
比如我们的北斗同时具有定位和通讯功能（短报互文在汶川大地震抗震救灾的时候就发挥了很大作用），而GPS只能定位。
北斗的覆盖范围大，覆盖了中国及周边国家地区，融合北斗导航定位系统和卫星增强系统两大资源。
最重要的是北斗是我们自主研发的系统，安全、可靠、保密性强，是我们的国防安全的重要保障。
中国北斗是国际上继GPS、GLONASS之后的第三个成熟的卫星导航系统，也是我们国家的一张值得自豪的名片。北斗研发过程中前辈们的种种英雄事迹我们都已不陌生，身为材制学部的学子，我们与北斗中各个环节都有着很深学科联系，我们更应该学习前辈们对于建设祖国的态度，踏踏实实学好学科知识，对于科研态度一丝不苟，学有所成后投身国家科技建设，使我们的祖国的科技实力更加强大。
参考：
乔轶.对“北斗”卫星定位导航系统的认识与探讨[J].科技风,2009,No.133,201+203.
卫星导航（百度百科）
中国北斗（b站up：zhihumiao）
北斗卫星导航系统介绍（北斗卫星导航系统官网）
GPS全球卫星导航系统的发展历程和原理（华强电子网 作者：华仔）
北斗的优势在哪里（百度知道）
巴铁用中国北斗导航压制印度，印度自制GPS导航失败，霸气（新浪看点）
撰 稿 人： 科技协会科创部 陈子怡 马浩然
责任编辑： 科技协会主席团成员 于世龙
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总 编 辑： 李晓萌
