北斗系統為什麼能定位？解個方程組你就知道了

北斗衛星導航系統，是我國自行研製的全球衛星導航系統，也是繼GPS、GLONASS之後，第三個成熟的衛星導航系統。

北斗可以為全球使用者提供全天候、全天時、高精度的定位、導航和授時服務，是國家實施“一帶一路”建設的重要支撐。然而，從無到有，北斗的研發過程卻並不是一帆風順的。

北斗衛星導航系統

圖源：光明日報

促使北斗一號誕生的兩大事件

北斗一號的誕生源於上世紀九十年代的兩個偶然事件。

第一個事件是大家熟知的海灣戰爭。彼時，美國GPS系統剛剛完成8顆衛星組網，並彰顯了在戰爭中的巨大潛力。它極大地提高了飛行員與地面部隊的戰鬥能力，幫助聯軍在沙漠戰場上取得了不俗的戰果。這場戰爭改變了傳統的作戰方式，讓我國看到了衛星導航的重要作用。

海灣戰爭中美軍的戰機編隊

圖源：公眾號《流浪的橡樹》

第二個事件是震驚中外的“銀河”號事件。1993年，中國貨輪銀河號，遭美方質疑運有化學武器。為了攔截船隻並登船進行搜查，美方關閉了所在地區的GPS訊號。最終，貨輪無奈在印度洋上漂流了33天，直至美方完成調查。

這一荒誕的事件給我國敲響了警鐘，為了保障國家安全和中國人民的海外利益，就必須發展國產導航系統，擺脫GPS的壟斷。

圖源：動漫《那年那兔那些事》

第二年，我國就啟動了北斗一號系統建設計劃，正式開啟了國產衛星導航系統的建設之路。

2000年，北斗一號系統首星發射；2007年，北斗二號啟動，在汶川抗震救災中發揮了重要作用；2020年，北斗三號建成，至此中國國產化衛星導航系統正式上線，為全球使用者提供服務

北斗發展歷程

圖源：科普中國、星球研究所、裝備科技

解方程獲得位置資訊

聽到這裡，大家可能會提出疑問，北斗究竟是如何實現導航定位功能的呢?其實，導航定位系統的本質就是利用距離求解位置，系統首先計算使用者接收機到每顆衛星之間的距離，然後綜合多顆衛星的資料計算出接收機的具體位置。這個過程說起來簡單，實際操作卻較為複雜。

在導航定位中，地面使用者持有的定位終端作為接收端，導航衛星作為發射端。衛星需要按照一定週期發射包含衛星星曆、工作狀況、電離層延時修正等資訊的導航電文。當用戶接收到導航電文時，提取出衛星時間資訊，將衛星時間與接收端時鐘作對比後，系統就可以知道衛星與使用者的距離，再利用導航電文的星曆，推算出衛星發射電文時所處的位置與速度。

由於接收使用的時鐘與衛星星載時鐘不可能總是同步，由此產生的誤差會導致最終測量得出的距離（偽距）不那麼精確，也就不是真實距離。為了消除這個誤差，除了使用使用者的三維座標x、y、z之外，還要將鐘差也作為未知量來進行求解。根據解方程原則，有四個未知數的情況下需要四個已知方程式求解。因此，為了計算出準確位置資訊，使用者至少要能同時收到四顆北斗衛星的導航電文。

終端接受到四顆衛星訊號就可實現定位

圖源：感測器專家網

導航系統的技術難點

要想導航系統很好地工作，有幾個技術難點必須要解決，而這些技術也是北斗實現全球衛星導航定位能力的關鍵。

首先是時間的精準度問題。眾所周知，重要行動前要對錶，這樣才能確保大家時間一致。同樣，導航定位中，時間的精準度也至關重要。那麼，北斗是如何保證時間的精準呢？

為了提供高穩定的時間頻率基準訊號，每一顆導航衛星都要搭載精度非常高的原子鐘。由於技術要求高、指標嚴苛，我國原子鐘產品曾經完全依賴進口，是困擾無數航天人的關鍵問題之一。後來，我國科研工作者經過不斷努力，終於研製出了精度達到國際先進水平的銣(rú)原子鐘。據說，該原子鐘執行三百萬年，誤差都不超過一秒。