北斗一號二號三號各有多少;北斗一號二號三號各有多少顆衛(wèi)星

2020年北京高考作文里提到：北斗系統(tǒng)一共有55顆衛(wèi)星，每一顆都是北斗的“獨一無二”，每一顆都有自己的功用。導(dǎo)航，其實大家都非常熟悉。我們國家的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)叫做北斗，它是全球覆蓋的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。那么不同衛(wèi)星的信號到底是怎樣實現(xiàn)區(qū)分的？如果你想全面認(rèn)識北斗衛(wèi)星，你需要聽懂這7個“3”…

出品："格致論道講壇"公眾號（ID：SELFtalks）

以下內(nèi)容為中國科學(xué)院空天信息研究院研究員徐穎演講實錄：

大家好，今天特別榮幸來到上海，挑戰(zhàn)一個以前從來沒有挑戰(zhàn)過的領(lǐng)域。我經(jīng)常給大家做科普報告，但做脫口秀是第一次。

首先為大家介紹一下自己，我叫徐穎，來自中國科學(xué)院空天信息研究院，今天來給大家講講導(dǎo)航。

提到導(dǎo)航，其實大家都非常熟悉。對于很多人來講，導(dǎo)航基本上等于我們手機上的地圖軟件。剛才在后臺我們還在聊，大家今天是怎么到浦東圖書館的？有說打車的，有說開車的，有說坐公交車的，有說騎自行車的，還有開坦克來的。對，那位小朋友，把你手中的玩具坦克放下，不要再玩了，我們開始聽脫口秀。

其實，這是一個誤解，導(dǎo)航是一個體系化的科學(xué)，并不完全等價于我們手中的地圖軟件。今天為大家講解導(dǎo)航，首先要給大家介紹一個數(shù)字，這個數(shù)字是多少呢？這個數(shù)字是3。

為什么說這個數(shù)字是3？《道德經(jīng)》中講到，一生二，二生三，三生三世十里桃花。所以我們只要把“3”這個問題說清楚了，我們也就了解了導(dǎo)航當(dāng)中的科學(xué)。

首先，導(dǎo)航不僅僅等于我們的地圖，作為一個體系化的科學(xué)，導(dǎo)航包含三個基本要素：一個是時間，一個是位置，一個是引導(dǎo)我們從一個位置到達(dá)另一個位置的精準(zhǔn)控制的過程，這個三位一體的體系我們才叫做導(dǎo)航。

接下來，我們要說的是導(dǎo)航的基本原理。我們至少需要幾顆衛(wèi)星才能實現(xiàn)定位？三顆。因為我們每一個人的位置都包含經(jīng)度、緯度和高度三個未知數(shù)。我們需要三顆衛(wèi)星得到三個測量值，列出三個方程，才能夠求解出剛才的三個未知數(shù)。

當(dāng)然通常來講，我們至少需要四顆衛(wèi)星，因為還有時間的問題。所以，四顆衛(wèi)星是衛(wèi)星導(dǎo)航定位的基本原理。

那么是不是有了四顆衛(wèi)星就解決了導(dǎo)航的所有問題呢？當(dāng)然不是，俗話說一個好漢三個幫，一個籬笆三個樁，我們要解決導(dǎo)航問題也需要講到三大要素。一個是衛(wèi)星，一個是地面監(jiān)測站，還有一個是用戶終端。

衛(wèi)星主要用來發(fā)射信號，地面站主要用來監(jiān)測信號，而我們的終端就是跟大家接觸最多的了，比如大家經(jīng)常用的手機就是一個終端。

當(dāng)然除了手機之外，北斗還有各種各樣的終端，比如說我們的高動態(tài)、高精度、高靈敏度、抗干擾、反欺騙、小型化、低功耗、手持型、車載型、船載型、彈載型、星載型、機載型，還有我們的北斗手表、北斗鞋、北斗卡。各種各樣，應(yīng)有盡有。走過路過不要錯過，全場兩元，全場兩元，兩元錢你買不了吃虧也買不了上當(dāng)，請進(jìn)來看一看。

當(dāng)然我們的北斗產(chǎn)品就是這么全，但是有一個北斗產(chǎn)品真的沒有，就是前一陣我們剛剛辟謠的北斗地圖APP，它真的不等于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，這個我們真沒有。

那么是不是有了衛(wèi)星、地面段和終端，我們就感覺自己可以出任CEO，迎娶高富帥，從此走上人生巔峰，踏上不再迷途的北斗之路了呢？當(dāng)然不是，我們還需要解決三個重大問題。

第一個問題是時間的問題。大家會覺得時間有什么關(guān)系？我面前有一個計時器告訴我現(xiàn)在的時間，假設(shè)今天的脫口秀是下午四點開始，您四點零一分到現(xiàn)場，我想工作人員也一定會讓您進(jìn)來。那么我們?yōu)槭裁葱枰粋€非常精準(zhǔn)的時間呢？

這是因為在衛(wèi)星導(dǎo)航當(dāng)中，我們是通過時間乘以北斗信號的傳播速度來測量距離的。北斗信號的傳播速度是光速，跟驚奇隊長的飛行速度一樣，所以如果時間相差一秒，那么距離就會差出去3后面8個0這么大的距離。就像你本來要去麗江結(jié)果給你定位到了西藏，這時導(dǎo)航就沒有用了，還不如問百度。

所以我們要感謝物理學(xué)家，物理學(xué)家發(fā)明了原子鐘，把精度做到了10的負(fù)13次方這樣的量級。

這個精度意味著什么？意味著大概過去幾千萬年，時間的誤差才會過去1秒。也就意味著如果現(xiàn)在我們面前有一臺這個精度的原子鐘，那么當(dāng)它回溯到上一秒發(fā)生誤差的時刻，我相信坐在臺下的一定不是你們，而是恐龍了。

第二個問題是位置的問題。有了時間后，我們還需要一個精確的衛(wèi)星的位置。這個問題的解決要感謝上帝，上帝扔了一個蘋果，啟迪了夏娃，又扔了一個蘋果，啟迪了牛頓，于是我們有了牛頓三大定律和開普勒定律，我們可以開始算衛(wèi)星的軌道，才有了衛(wèi)星的精確位置。

解決了時間和位置的問題，我們還需要解決第三個問題，即如何讓系統(tǒng)共存，如何讓系統(tǒng)正常運行？北斗三號預(yù)計30顆衛(wèi)星覆蓋全球，GPS24顆衛(wèi)星覆蓋全球，當(dāng)前我們能夠用的衛(wèi)星數(shù)量已經(jīng)超過了100顆。如何讓這么多的衛(wèi)星在天上工作，而彼此之間不互相干擾呢？就像現(xiàn)場同時有100個人說話，我們怎樣才能分辨出每一個人，而不讓他被其他人的說話聲音所干擾呢？

我們有三種解決方案。第一種叫做時分技術(shù)，也叫作TDMA，也就是說我們有100個人說話，但分別在各自對應(yīng)的時間，在1到100不同的時間段說話，這樣我們就能分清彼此說話的時間。

第二種叫做頻分技術(shù)，也叫作FDMA，也就是說讓每顆衛(wèi)星發(fā)送的信號在不同的頻率，好比把人分開關(guān)在不同的小黑屋子里說話，小黑屋隔離效果好，那自然也就不互相影響了。

第三種叫做碼分技術(shù)，也叫CDMA，我們在不同的衛(wèi)星上調(diào)制不同的碼元，給它附加特性來區(qū)分每一顆衛(wèi)星的信號，好比讓不同的人用不同的語言說話，有的說英語，有的說普通話，有的說四川話，然后分別再找只能聽懂英語、普通話和四川話的人來聽他們說話，這樣也能區(qū)分不同衛(wèi)星的信號。

解決完時間、位置和不同的發(fā)播方式這些問題之后，我們是不是終于能建成我們的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)了呢？這個答案是肯定的。

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我們國家的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)叫做北斗，它是全球覆蓋的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，除了我國的北斗，全世界還有其他三個厲害的小伙伴，分別是美國的GPS系統(tǒng)、俄羅斯的GLONASS系統(tǒng)和歐盟的GALILEO系統(tǒng)。

除了這四大衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)外，其它的無論是日本建的還是印度建的，都屬于區(qū)域覆蓋，不能叫作全球定位系統(tǒng)。

北斗系統(tǒng)的建設(shè)不是一蹴而就，畢其功于一役的，北斗系統(tǒng)的建設(shè)也分為三個階段：第一個階段是2000年左右建成北斗雙星系統(tǒng)，也叫作北斗一號系統(tǒng)；第二個階段是2012年左右建成北斗二號系統(tǒng)，也叫作北斗區(qū)域系統(tǒng)，從有源定位系統(tǒng)變成無源定位的系統(tǒng)；第三個階段是到2020年左右要建成北斗三號系統(tǒng)，也叫作北斗全球系統(tǒng)，北斗全球系統(tǒng)在2018年已經(jīng)完成了基本建設(shè)，也實現(xiàn)了對一帶一路地區(qū)的覆蓋。

有了這么多衛(wèi)星，有了北斗系統(tǒng)之后，北斗系統(tǒng)到底能為我們提供什么功能？總的來說，北斗系統(tǒng)的功能可歸納為三種，第一種是可以提供一個非常準(zhǔn)確的位置，就像今天大家在這里如果打開手機上的北斗系統(tǒng)，你就會發(fā)現(xiàn)你的位置是在浦東圖書館。

第二種是能提供一個非常準(zhǔn)確的時間，因為它自身的時間很準(zhǔn)，所以也可以給我們做一個非常精準(zhǔn)的授時。在我國的電力、金融系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。

第三種是北斗系統(tǒng)所特有的通信功能。北斗系統(tǒng)是全世界唯一一個具備通信功能的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。

所以，北斗系統(tǒng)作為一個基礎(chǔ)的時空體系，為我們提供了全方位的無處不在的時空服務(wù)。2018年我國的航天事業(yè)取得了巨大突破，總共完成39次火箭發(fā)射，第一次達(dá)到世界第一發(fā)射數(shù)量，其中北斗完成了18顆衛(wèi)星的發(fā)射。我們不僅擁有中國精度，我們也擁有中國速度。

作為一個航天人，我們?yōu)樽鎳湴粒矠橹袊教熳院溃谖粗拇蠛教鞎r代面前，充滿了無限種可能，從太空旅游到太空殯葬，從太空發(fā)電到太空采礦，人類在用想象力和技術(shù)力挑戰(zhàn)著廣袤無垠的宇宙空間。

雖然前路漫漫艱難險阻，但我們只能一往無前，無問西東。謝謝！

“格致論道”，原稱“SELF格致論道”，是中國科學(xué)院全力推出的科學(xué)文化講壇，由中國科學(xué)院計算機網(wǎng)絡(luò)信息中心和中國科學(xué)院科學(xué)傳播局聯(lián)合主辦，中國科普博覽承辦。致力于非凡思想的跨界傳播，旨在以“格物致知”的精神探討科技、教育、生活、未來的發(fā)展。獲取更多信息。本文出品自“格致論道講壇”公眾號（SELFtalks），轉(zhuǎn)載請注明公眾號出處，未經(jīng)授權(quán)不得轉(zhuǎn)載。