智東西（公眾號：zhidxcom）
文 | 軒窗
近兩年，中國掀起了芯片熱潮，新老企業紛紛打出名號，要為國家解決缺“芯”少魂的問題。然而，其實除了芯片，中國在很多領域由于起步較晚，曾經在很長一段時間里處于別人卡脖子的狀態。
導航定位系統也一度被美國的GPS系統壟斷，尤其在民用領域。可以說，GPS的民用極大地提升了人們的生活品質，許多以往不方便的事情都變得更加容易，比如汽車和手機導航等，人們告別了在紙制地圖上找路的歷史。GPS尤其對探險航海意義重大，成為迷失在茫茫海洋中的船只的救命稻草。
GPS本質是一個軍用衛星導航系統，民用只是它的一部分。試想一下，如果美國突然切斷GPS的民用信號供應，中國的所有設備的定位功能將無法實現，已經習慣了現代通信便利生活的我們，將陷入到一片恐懼和無助中。
早在上世紀，我國就已經考慮到了這一問題，從上世紀70年代開始，就在著手構建自己的衛星導航系統。進入20世紀后期，我國正式確立了建立北斗導航系統，并在2000年成功發射了第一顆北斗衛星。
無論是從軍事還是民用角度來講，北斗導航對我國技術發展都有著重要意義，我國自主建設、獨立運行的衛星導航系統，打破了美國GPS系統壟斷的局面，增強了我國在國際衛星導航領域的話語權和主動權。
不過，相比于GPS，北斗導航現在正處于發展的初期階段。在北斗導航系統建立的過程中，中國也曾走了一些彎路。從第一代北斗系統的雙星結構，因為應用效果不佳被人詬病，到堅定信念自主建立多星的北斗導航二代，并在2018年年底正式實現了全球RNSS服務，提前兩年開啟北斗“全球時代”，中國用了20年時間終于擁有了自己的導航系統。
本文將揭開北斗導航系統20年布局歷史，以及北斗導航系統目前在民用領域的發展情況。
一、全球四大導航定位系統
衛星屬于空間探索領域。1957年10月4日，蘇聯發射了全世界第一顆人造地球衛星，開創了人類的空間世紀。
1978年，美國選擇了24顆衛星的中軌道星座，發射了第一顆GPS衛星。1994年GPS完成全球組網，全球覆蓋率高達98%。
GPS也分為軍用和民用兩種定位模式，其中民用方式向全球開放。成熟的GPS系統已經發展了30多年，商業規模化做得非常廉價、高效。
那么我們為什么還要花巨額資金建設自己的北斗系統呢？
▲美國GPS衛星導航系統星座圖
GPS本質是一個軍用衛星導航系統，隸屬于美國空軍，常年保持32顆在軌工作。這個系統主要包含軍用和民用兩種信號。軍用信號和民用單頻信號的最高定位精度級別不在一個量級，前者是毫米級別（利用載波相位），后者是分米級別（美國取消信號干擾后）。
此外，GPS還有一個弊端就是單向通信體制，與廣播電視塔類似，30顆衛星只管不停地向地面發信號，具體是誰在接收并使用這些信號，衛星本身根本不知情。
GPS最大的問題就在于，這是一軍用的衛星導航系統。如果全球的設備無論軍用還是民用到將有GPS提供信號，一旦有一天美國突然切斷GPS的信號供應，其他國家的所有設備的定位功能將無法實現，甚至危害著國土安全。
從上世紀70年代開始，中國就開始籌劃自己的衛星系統。在七五規劃中提出了“新四星”計劃，隨后還曾提出過單星、雙星、三星、三到五顆星的區域性系統方案，以及多星全球系統設想。
20世紀后期，中國開始探索適合國情的衛星導航系統發展道路，逐步形成了三步走發展戰略：2000年年底，建成北斗一號系統，向中國提供服務；2012年年底，建成北斗二號系統，向亞太地區提供服務；計劃在2020年前后，建成北斗全球系統，向全球提供服務。2035年前還將建設完善更加泛在、更加融合、更加智能的綜合時空體系。
▲俄羅斯GLONASS衛星導航系統星座圖
除了GPS和北斗系統外，目前比較完善的全球衛星導航系統（GNSS）還有兩個：俄羅斯格洛納斯GLONASS，前蘇聯于1995年完成組網，2010年正常運行；歐盟伽利略GALILEO，歐盟于1999年初正式推出伽利略計劃，現已基本實現全球信號覆蓋。
▲歐盟伽利略GALILEO衛星導航系統星座圖
在這四大衛星導航系統中，GPS、北斗以及GLONASS的成熟度比較高，在民用領域，GPS更是占據著巨大的市場份額。
二、北斗導航系統20年嘔心瀝血史
整個北斗衛星導航系統由空間段、地面段和用戶段三部分組成。
空間段包括5顆靜止軌道衛星和30顆非靜止軌道衛星。地球靜止軌道衛星分別位于東經58.75度、80度、110.5度、140度和160度。非靜止軌道衛星由27顆中圓軌道衛星和3顆傾斜同步軌道衛星組成。
上文我們說到，從上世紀70年代開始，我國就在不斷討論導航定位系統的構建方案，到2018年北斗導航系統正式實現全球服務，其間北斗導航系統的方案也不是一下敲定的。
▲北斗衛星導航系統星座圖
在過去的20年時間里，北斗導航一共出現了兩代，我們今天所熟知的北斗導航系統其實是第二代。
第一顆北斗導航衛星發射于2000年10月31日。在20年時間內，北斗導航系統發生過兩次相對集中的發射情況，2010年一年時間內發射了五顆衛星。2018年一年之內發射了10顆衛星，這也創下了全球衛星導航系統組網最快紀錄。
在此之前，世界四大衛星導航系統中，美國GPS系統最快紀錄為一年6星，蘇聯/俄羅斯格洛納斯（GLONASS）系統為一年9星，歐洲伽利略GALILEO系統為一年6星。
▲北斗衛星導航系統各衛星發射時間表
1、衛星導航探索的起步——北斗導航一代
80年代初期，以“兩彈一星”元勛成芳允院士為首的專家團體提出了雙星定位方案。這也是當時大家公認的最優方案，但因經濟條件等種種原因又擱置了十年。
1991年對于中國衛星導航建設來說是一個重大轉折點。在海灣戰爭中，美國在作戰中應用GPS非常成功。這也將國人敲醒，被擱置十年的雙星定位方案于是馬上啟動。
可是，為什么我們不是建立像GPS一樣的30多顆的衛星系統呢？
90年代初期，中國經濟情況剛剛有所好轉。在衛星導航系統建設上，中國的經驗也非常淺，處于嘗試和探索的初期，所以格外小心謹慎。
不過，在空間中定位最少需要三個坐標，兩顆衛星是否夠用呢？
雙星定位方案中有個高度儀，用戶需要自測高程，并將結果作為第三個坐標。這就像是在地球中心裝了一個虛擬衛星，由此實現三星定位。同時，高度儀的價格也十分便宜，比發射三顆衛星方案更省錢。
美國的GPS采用的是中軌道方案。我國采用的是雙星方案，由于軌道低了覆蓋面就小，兩顆中軌道衛星多數時間會在中國上空以外的地方飛行，中國大陸的信號接收時間就會很短，所以我們的雙星方案只能搞高軌道，而且還得是靜止的方案，這樣才能讓其停在中國大陸的上空。
靜止高軌道是雙星定位的必須選擇，從技術上講這毫無疑問是正確的，但卻埋下了性能不強的隱患，這也導致了北斗一代后來被詬病。
由于中國的這兩顆衛星是靜止軌道的，這也屬于通信衛星軌道，所以北斗一代的兩顆衛星可以與國際通信衛星一樣完成通信任務，于是既能定位又能通信成為了北斗一代的技術特點。
不過，美國的GPS等其它定位導航系統都是不支持通信功能的，不是技術上不先進，GPS的衛星系統各司其職，定位衛星和通信衛星兩套系統的性能都很優異。
雖然，北斗一代可以定位也可以通信，但畢竟定位才是北斗一代的主業。因此，北斗一代大部分的信道資源都必須讓給定位數據的傳送，留給通信的信道資源很少，使其無法完成實時的話音通信，只能完成短信功能。
此外，由于這兩顆星的軌道很高，導致了地面被測物體與衛星的相對速度很低，于是多普勒效應就不明顯，其定位精度自然遠遠比不過GPS。
不過，北斗一代已經達到了設計指標，工程是非常成功的，畢竟就只有兩顆星，不能和幾十顆的海事通信衛星和GPS衛星相比。所以，在相當長的一段時間里，北斗一代并沒有激起多少浪花。
2、北斗導航二代
北斗一代的使用體驗不如人意，于是專家們思索著該如何辦?
經歷了和歐洲伽利略的不圓滿的合作，中國下定決心退出自己單干，開始發展北斗二代。
北斗二代計劃在2020年前發射35顆衛星，形成全球性的定位導航系統，比GPS還多5顆。多出的這5顆是在赤道上空的靜止高軌道衛星，主要是完成短信任務的，其它30顆跟美國GPS的30顆一樣，都是中軌道的運動衛星。
北斗二代的規模與GPS相當，申請的軌道和頻率與歐洲伽利略比較一致，這就不可避免地遇到了衛星軌道和頻率爭奪的問題。
衛星軌道和空間頻率是人類共有的資源，那該如何分配呢?國際規則是既不按國家來分，也不按人口來分，而是誰先占了算誰的。
2005年伽利略計劃的第一顆衛星上天了，但并沒有開通，只是占了軌道但沒占頻率。原因則開通需要花錢，歐洲手頭有點緊。中國北斗二代的第一顆星也隨后上天了，并且當即開通了，將軌道和頻率都占上了。
GPS和北斗的中軌道運動衛星都是30顆，它們各在太空上織就了一張網，GPS網眼最密處是在美國上空，北斗二代網眼最密處在中國上空，為本土提供服務是第一要務，這個道理當然很好理解。加拿大和墨西哥當然會選擇GPS，而對于亞太國家來說，北斗卻比GPS更有優勢。
亞太國家也都認識到了北斗的覆蓋優勢，中國政府也積極推動北斗二代在亞太地區的應用，于是泰國、馬來西亞、文萊、印度尼西亞、柬埔寨、老撾等國家派出了19名專家，于2014年7月來到中國考察北斗二代，研究討論合作的事項。
三、北斗導航的設計思路
北斗衛星導航系統由空間段、地面段和用戶段三部分組成，可在全球范圍內全天候、全天時為各類用戶提供高精度、高可靠定位、導航、授時服務，并具短報文通信能力，已經初步具備、定位和授時能力，定位精度10米，測速精度0.2米/秒，授時精度10納秒。
中國北斗衛星導航系統是繼美國全球定位系統、俄羅斯之后第三個成熟的衛星導航系統。北斗和美國GPS、俄羅斯GLONASS、歐盟GALILEO，是聯合國衛星導航委員會已認定的供應商。
在我國長期航天技術積累和導航系統技術發展的后發優勢下，我國采取了一套與其他任一導航系統都截然不同的思路。
▲GPS星座（左）和北斗星座（右）的對比（左圖來源：Wikipedia）
1、三種軌道
目前另外三個全球衛星定位系統都采用距離地面20000千米左右的中圓衛星軌道，而北斗是唯一采用三種軌道搭配的星座：27顆衛星處在距離地面21500千米的中圓軌道，分布在三個軌道面上，保持55度傾角；5顆衛星采取赤道上空35800千米高的地球靜止軌道；3顆衛星處在地球同步軌道（也接近35800千米高）、保持約55度傾角。
這樣帶來一定好處：衛星定位需要接收機收到至少4顆衛星信號。27顆中圓軌道衛星為主力，圍繞地球一圈的軌道周期約為12小時，可以保持對全球范圍內任一點的穩定覆蓋，在任意時間、任意地點觀測到6顆星以上，符合常規衛星定位系統需求。55度傾角的設計，也增加了對人口稠密的地球中低緯度區域覆蓋。
北斗的地球靜止軌道和傾斜同步軌道則是為中國乃至亞太地區特殊定制而來，在設計之初就有亞太專屬服務。相比之下，GPS卻沒有這種優勢，日本為了提高GPS在日本的應用精度，發射了四顆傾斜同步軌道的準天頂系統。
兩種高軌衛星的軌道周期與地球自轉24小時周期完全同步，因而相對而言5顆衛星靜止在赤道上空，3顆衛星由于傾角設置相對地面做固定周期的運動，投影軌跡始終留在亞太及沿赤道對稱區域，抗遮擋能力強。因而在亞太地區可以幾乎永久保持至少12顆衛星可見，大幅提高該區域定位精度。在配合地面建設的增強基站情況下，實現分米乃至厘米級定位亦很現實。
2. 三種工作頻率
電離層會影響電磁波傳播，是衛星導航定位的最大誤差源，必須消除。電離層的干擾與衛星信號頻率相關，因而采用至少雙頻信號可以構建電離層延遲修正模型最大限度去除這部分干擾因素，對定位精度的提升非常顯著，三頻則可以構建更復雜模型消除高階影響。
此外，在三個頻段上發射也增加了不同信號（軍用、民用）的調制選項，抗干擾能力得到提升，也提高定位可靠性，對于厘米級乃至毫米級定位中最核心的載波相位模糊度解算也大有益處。正因如此，近些年來原本雙頻信號的GPS系統也在擴展成三頻系統。可見，北斗的后發優勢不言而喻。
3. 短報文系統
北斗還有一個獨門絕活：短報文系統，簡而言之是通過衛星實現天地雙向通信。其他三大系統都不存在接收機和衛星之間的雙向通訊，只是單向接收。
北斗這功能意味著衛星可以向擁有此項授權服務的接收機發送專屬訊息，例如大洋之上、深山老林等特殊情況并沒有任何手機信號，發生緊急情況時高軌北斗衛星可以及時與地面互動。對于軍事行動的意義更是無法形容。
此外，部分北斗衛星還攜帶了國際Cospas-Sarsat衛星輔助搜索和應急救援計劃的有效載荷，在發生緊急情況時可以參與國際合作的應急救災工作中。
4. 星間鏈路通信
導航衛星系統需要長期維持，這意味著需要地面監控站、主控站、注入站等系列部分。對于全球性導航定位系統而言，這些站點位置分布也有要求，但這會進一步增加系統運營成本。
例如GPS就擁有5個監控站，1個主控站和3個注入站，幾乎均勻分布在全球的美國領土/軍事基地中，每年開銷不菲。
對于北斗而言，不僅有全球建站安全性的問題，還有運營成本的問題，有必要最大限度開發自身優勢：高中軌道搭配的衛星星座，使它們之間可以互相聯絡，彼此不再孤立。
這意味著北斗只需實現中國境內主控、監控和注入，而高軌衛星“登高望遠”可以與系統內其他衛星進行星間鏈路鏈接。此外，星間鏈路本身也可以用來測距，對于提高星座軌道精度大有裨益。系統內部的自我通信也可以使得整體抗干擾能力大大增強。
2019年6月，中國正在建設的北斗衛星導航系統進展順利，計劃于2020年向全球提供服務。北斗衛星正在布局全球組網，到2020年就可以為世界各地的人們提供全球定位、導航、授時、短報文等服務。
北斗的首次成功應用是2008年5月12日的汶川地震，甭看我們平時的通信非常方便，電話、短信、互聯網等手段很多，但其實都是高度依賴光纖和基站的，當這些基礎設施遭到大面積損壞時，你會發現QQ、微信、微博、短信…..所有平時很方便的通信手段全都完蛋了，除了靠吼之外簡直就沒有一點辦法。
那時候北斗還是一代系統，雖然因為性能指標比不過GPS和海事衛星而被罵出了翔，但北斗一代在地震時卻發揮出了不受地面影響的優勢，它的定位和短信能力充分發揮了作用，成為了救援指揮部隊和前線救援人員最得力的通信助手，最大限度地保證了“72小時黃金搶救時間”的有效利用，彰顯了北斗服務民生的技術優勢。
四、北斗導航的民用之路
GPS免費對全世界的民生來說是個福利，但在軍事方面卻是個挑戰。美國敵對國家的軍機戰艦上當然也可以安裝，美國人也禁止不了，這對美國是不是一個威脅呢?
自主建設、獨立運行的衛星導航系統，是為全球用戶提供全天候、全天時、高精度的定位、導航和授時服務的國家重要空間基礎設施。
無論是GPS，還是我國的北斗導航系統，都有所謂的軍碼和民碼，簡單來理解的話，軍碼就是主要應用與軍事，對軍方部門開放，其他人根本不可能進入，高度保密的部分。其實無論是GPS還是北斗，誕生之初的目的就是軍用。
民碼就是開放給普通民眾日常導航使用的，那么好多人想知道軍碼和民碼有什么區別，其實軍碼和民碼最大的區別不在于精度上，雖然軍碼碼長確實要短（碼長越短測距精度越高），但衛星導航定位誤差的大頭兒不在測距誤差上。
軍碼測距誤差再小，也是分米量級，民碼再差也是一兩米的量級(不算多徑等其他外界干擾)。加上其他大氣延時、星歷誤差、多徑等因素，民碼和軍碼的定位誤差真的是相差不大！
軍碼和民碼最大的不同在于碼的周期，民碼的序列是已知的，而且很短，容易捕獲。而軍碼的周期非常長，而且未知，只能通過特殊的解密模塊才能捕獲到。因此，軍碼是安全的！在特殊時期可以把民碼關閉，這樣只有安裝解密模塊的設備才可以捕獲到軍碼，并通過軍碼進行定位。
其實GPS開放的只是民碼，精度比美國軍方使用的軍碼差了十倍。設想一下，如果GPS民碼一停，我們的指南針都不能用了。如果GPS不停的話，但發個欺騙碼，這個后果也是不可想象的。
所以說，處于軍事的安全考慮，擁有自己的導航系統非常重要。由于全球定位導航系統工程浩大，只有綜合國力強大的國家才可以建造。
▲北斗導航系統示意圖
北斗衛星導航芯片、模塊、天線、板卡等基礎產品，是北斗系統應用的基礎。通過衛星導航專項的集智攻關，我國實現了衛星導航基礎產品的自主可控，形成了完整的產業鏈，逐步應用到國民經濟和社會發展的各個領域。
伴隨著互聯網、大數據、云計算、物聯網等技術的發展，北斗基礎產品的嵌入式、融合性應用逐步加強，產生了顯著的融合效益。
北斗導航的相關產品已廣泛應用于交通運輸、海洋漁業、水文監測、氣象預報、測繪地理信息、森林防火、通信時統、電力調度、救災減災、應急搜救等領域。
五、北斗導航民用產業鏈發展情況
在民用方面，北斗系統主要有行業市場、大眾市場及特殊市場三大應用市場。
1）行業市場：主要包括交通運輸、電力應用及農業等行業，目前行業市場處于規模化應用發展期，未來增長速度有望加快；
目前，北斗導航的位置、導航及授時功能已經成功應用于車船監管、電力、農業等市場。當前，很多北斗行業細分市場目前仍處于起步階段，主要成長動力來自國家政策及重點示范項目的推動，但隨著交通運輸、精準農業、市政管理、安全監測、電力等細分領域的穩定增長，更多市場機會將不斷涌現，市場未來潛力巨大。
目前我國已建成全球最大的營運車輛動態監管系統，已有超過617萬輛道路營運車輛，3.56萬輛郵政和快遞車輛，36個中心城市8萬輛公交車，370艘交通運輸公務船舶、近6萬漁船、3230座內河導航設施，2960座海上導航設施安裝使用或兼容北斗系統。
2）大眾市場：主要包括智能網聯汽車、智慧城市及可穿戴設備等市場，大眾市場處于標配化應用啟動期，未來增長潛力巨大；
在智能網聯汽車行業，北斗系統主要應用于：自動駕駛、智能座艙、車路協同等方面，北斗系統的高精度定位是智能網聯汽車感知的關鍵基礎技術。
據《2018中國衛星導航與位置服務產業發展白皮書》顯示，2017年我國北斗車聯網的市場滲透率為7.1%，北斗在未來無人駕駛預計將達到50%的滲透率，若假設北斗車聯網的市場滲透率仍達到7%，預計2021年我國北斗車聯網產值將超過100億元。
與此同時，在智慧城市行業，北斗系統主要應用于智慧交通、智慧養老、城鎮供熱、供水排水等方面，國家北斗服務網已經為全國超300座城市的各種行業應用提供北斗服務。
而在可穿戴市場方面，目前，小米、華為等市場主導企業的產品也已全面支持北斗系統，并于2018年上市了中國首創的“北斗芯”智能腕式手機。2021年中國穿戴式設備產值有望超500億美元。
3）特殊市場：主要包括公安、防災減災等市場，特殊市場處于維持穩定增長期，仍是北斗行業需求擴張的重要領域之一。
特殊市場涉及軍用、警用、防災減災、應急救援、公共安全等，是國產替代最關鍵的領域，也是北斗應用最快、最穩定的市場之一。目前三級北斗公安應用體系已建成，2020年北斗警務車載終端的配備率預計達100%。
目前，我國衛星導航與位置服務領域企事業單位數量保持在14000家左右，從業人員數量超過50萬。截至2018年底，業內相關上市公司（含新三板）總數為51家，上市公司涉及衛星導航與位置服務的相關產值約占全國總產值的10.74%。
空間段由由航天科技集團下屬單位主抓，地面段的研制生產以中電科集團等為主導，用戶段的產品及系統市場化特征較為明顯，參與主體眾多，包括軍工集團下屬公司、地方國企參軍公司及較多民參軍企業。
在用戶段方面，北斗系統產業鏈又包括北斗兼容其他衛星導航系統的芯片、模塊、天線等基礎產品，以及終端產品、應用系統與應用服務等。
用戶段又可以細分為上中下游產業：
1）上游基礎部件是產業自主可控的關鍵環節，基礎部件作為自主可控最關鍵的部分，主要由基帶芯片、射頻芯片、板卡、天線等構成；
2）中游主要包括終端集成和系統集成，是產業發展的重點；
3）下游的解決方案和運維服務提供眾多行業應用。
結語：北斗導航民用生態潛力巨大
對于我國而言，建設自主的衛星導航系統在國家安全、經濟效益、技術儲備等方面有重要的戰略意義。
2018年年底“北斗三號”完成發射35顆衛星，實現了全球組網，北斗導航系統也實現了全球覆蓋、向全球提供服務。
此次，隨著“北斗三號”中圓地球軌道衛星全部發射完畢，“北斗三號”全球系統核心星座宣布部署完成。未來上游產品配套需求及下游場景應用領域將進一步得到拓展，北斗產業將迎來發展新機遇。
