从深空到深海，斗极卫星导航系统凭借着立异规划，成果了高功用且功用丰厚的特征商场。乃至，它能在没有5G网络的情况下，完结全程方位盯梢、帮忙精细农业、提高海上搜救功率…
出品：格致论道讲坛
以下内容为我国科学院院士杨元喜讲演实录：
咱们人类知道事物的改变，都是从时刻和空间开端的。咱们的日常日子、每天的出行都需求导航和定位。约会时必需求清晰是什么时刻、什么地址。去购物、寻医乃至如厕，都要大约知道应该往哪个方向走。这就叫定位导航和授时，咱们把它叫做PNT，P是Positioning（定位），N是Navigation（导航），T是Timing（守时）。
▲广州5G才智城市（图片来历：veer）
现代城市的高效运转相同离不开时空。没有时刻，就没有安稳的电力。没有电，咱们幻想会是什么样？没有时刻，咱们的5G通讯就可能中止。在座的各位假设没有手机，今日该怎样作业？相同地，咱们的金融系统、网络通讯系统也可能会瘫痪。咱们的物流、交通、无人驾驭以及无人机的编队……哪一项能脱离时刻，哪一项能脱离空间呢？
▲无人机（图片来历：veer）
战役也离不开时空。无论是古代战役仍是现代战役，哪一场战役能离得开时刻和空间？单兵作战、集团作战、联合作战、兵器载体、指挥渠道等等……没有时刻没有空间，怎样联合？任何一场战役，首要得知道咱们往哪儿打，咱们自己在哪里，咱们的友邻部队在哪里，咱们怎样才干打到那个当地去，咱们什么时刻开端举动。
▲上：南水北调工程
下：高铁建造工程
（图片来历：veer）
大型工程离得开时刻，离得开空间吗？相同离不开。全部大型工程的运转都需求方位，国家的高速公路、高速铁路的建造能脱离方位吗？大型的水利工程不光要方位，还要知道它的高差有多少。总不能让水从低处往高处流吧？“一带一路”工程建造，咱们不光要公路、铁路、航路、水路，还要有信息高速公路。这些都离不开时刻和空间。
因而，我想给咱们报告一下“定位导航”和“守时”。
咱们每时每刻都在定位、导航与守时
首要我要回答一下什么叫导航。导航便是确认当时方位和方针方位，并参照地舆、环境信息批改航线、方向、速度抵达目的地的手法。什么叫守时？守时便是运用外部授时信息和自身守时信息一起确守时刻的进程。
各位手上拿的手机，有授时也有守时，也有多种定位方法。那么咱们的问题是——定位便是导航吗？
定位不等于导航。定得了位，不一定导得了航。定位要加上制导或许参照，才叫导航。那么守时呢？能够随时取得外部的时刻信息再保持时刻信息，还能传递时刻信息。这个是守时。
全部的人来到这个会议室之前，都导过航吧？你可能说这儿我很了解。但即便你再了解，你也得用视觉调查你的途径，然后和你大脑里边回忆的那个途径做现象匹配。这个叫做匹配导航。所以咱们日常日子中每时每刻都在用导航才能。
▲上：司南、罗盘下：悬挂式攻略针、攻略龟
早在大约公元前2697年，咱们的先人们就发明晰导航的配备——攻略针。我以为这是咱们我国人对国际导航作业做出的极大的奉献。后来，他们运用地磁场的南北极特点，把南北极的磁体组成一个罗盘。有了罗盘就能够指方位，指出方位就能知道我和北方向大约差多少方位角。这样就能够定向。
秦汉时期，我国和朝鲜、日本的海上来往；隋唐五代，我国和阿拉伯“丝绸之路”的来往；以及宋代南太平洋和印度洋大洋上许多的我国商船，都是靠攻略针导航和地理导航。明初航海家郑和七下西洋靠什么？靠攻略针，靠地理导航。
提到地理导航，其实无尽的星空就像一本无字的天书。闪耀的繁星不只给咱们光辉，还给咱们导航。星体自身是依照特定的规则在运转的。假设咱们把这个特定的规则制成星表，就能够经过观测某一个恒星或许几个恒星的方位知道自己的经度、纬度。
在众多的海洋、在无垠的大漠、在群山峻岭傍边，看星星、看太阳就能守时，就能定位。所以，地理导航便是经过调查太阳和其他恒星的方位来确认地上点的经度和纬度。
有个夸姣的传说，有一天，福建泉州渔民划着小舟在海洋上打鱼。当他们打了一船鱼高高兴兴地想回码头的时分，天空一片乌黑。这对渔民来说几乎是灾祸，他们没有任何自救的才能。好在很时刻短的狂风暴雨之后，天空一片晴朗。渔民们看到了北极星，兴致勃勃地唱着渔歌，回到了码头。为什么？由于有北极星，他们就能大约知道码头的方向，向那个方向行进就能够。
实际上在隋朝，咱们的国家现已发明晰日晷。咱们到了北京，会发现那里的古建筑中有许多日晷，我这个图便是在那拍的。
日晷它能够分为平面晷和斜晷。斜晷是黄赤交角23°角的晷，能够经过测晷影的方历来守时刻，经过测晷影的长度来定纬度。调查日影的方向，还能够确认太阳时。
在元代，咱们的先人们就现已建了27处地理观测站。这些观测站能够测黄道和赤道的交角。
郭守敬主编了《授时历》，把一年分红365.2425天，和现在相差无几，十分准确。从公元1281年颁行，《授时历》延用了400多年。这也是咱们先人对时刻的奉献。
当然，导航还有惯性导航。它能够运用惯性敏感器丈量加速度，核算出速度，然后能够确认相对的方位、相对的间隔。假设还有初始方位，那么咱们就能够确认载体的动态方位。惯性导航有很好的隐蔽性，在舰船飞机上被许多运用。
还有一种导航叫匹配导航。我方才说，各位朋友来到这儿都用过匹配导航。假设制成地图，咱们在一个生疏的当地经过看地图找到要去的当地，这便是典型的匹配导航。
其实匹配导航在古今战役里都被广泛运用着，乃至现在的巡航导弹都在用匹配导航。一旦斗极失灵、GPS失灵，就能够用地图进行匹配导航。
国际上现存最早的以实测为根底的地图——驻军图，便是长沙马王堆三号墓出土的画在帛上的地图。在那个时分，那便是一张准确丈量的军事地图。
除了几许导航之外，匹配导航还能够运用重力场、磁力场。国际上每一个当地的重力场都是不一样的，每个当地对咱们的引力都有弱小的不同。咱们能够经过传感器测引力、测磁力。测好的磁力的方格网上面有经度、有纬度，用它们进行匹配，就能够知道自己在哪里。在水下没方法找斗极导航的时分，就能够用磁力导航和重力导航。
无线电导航就更不用说，它能够测速、测向，包含了陆基无线电导航和星基无线电导航。斗极、GPS便是典型的星基无线电导航。
立异是“斗极”的仅有出路
我再跟咱们简略报告一下斗极导航。斗极导航在建造之初，遇到了许多的应战。作为国家重要的根底设施的根底设施，这是我的描绘，它有必要得做到自主、可控。
“自主”就意味着不能依托别人的技能。由于依托就得依从，就得受操控，就得交学费，就得看脸色。作为国家的空间根底设施，还得要做到“可控”。“自主”不等于“可控”。有的项目做到了自主，可是技能不行控。我国的斗极无法照搬GPS、Galileo（伽利略）等全球导航卫星系统（GNSS），由于重要的技能都有专利，咱们要开展自己独当一面的卫星导航系统就会面对极大的应战。留给咱们斗极人做的作业只要一条出路——立异。
斗极系统建造不光要“标新”，还得“立异”。“标新”不光是寻求外表的靓丽、寻求名词的新颖，还要寻求技能的打破和功用的逾越。“立异”不是为了花哨，也不是为了哗众取宠，而是寻求丰厚的功用和明显的运用特征，不然就不行能有商场。由于前面有GPS、有GLONASS（格洛纳斯）。
所以没有标新的规划，斗极就不行能有高功用；没有立异的功用，斗极就不行能有商场。无论是“标新”或许“立异”，它都要求斗极卫星导航系统有必要管用、有必要有用、有必要好用。
这个好用不能只靠咱们斗极人说。斗极是个通明系统，全球的用户都能够监测它，都能够对它做出点评，咱们的点评有时分还不管用。
在20世纪80年代，我国在决议构建斗极卫星导航系统之初，确认了“三步走战略”。
第一步，处理有无问题。咱们把它叫做验证系统BDS-1“斗极一号”。它只发两颗卫星，是有源定位，从此处理了有和无的问题。
第二步，咱们期望把有源和无源结合起来，所以开展了“斗极二号”。斗极二号服务于亚太区域，做到了有源和无源相结合。用户不恳求定位，它也能定位。“斗极二号”在2012年年末正式注册服务。
到了“斗极三号”，咱们就做到了全球的定位导航，完成了区域到全球的打破。2020年7月31号，我国正式向全国际宣告：我国斗极卫星导航系统向全球用户正式供给服务。这表明全球导航卫星系统系统里有了我国的卫星导航系统的奉献。
提到卫星导航系统，咱们是不是觉得太巨大上了？是的，的确是巨大上，由于它是高新技能。可是它又极端地简略。
图中画的这些铁塔便是咱们的大地丈量操控点。大地丈量作业者先把这些点的方位测出来，卫星发射信号时地下全部的点就能接纳它的信号，之后就能够测时刻差、测间隔，就能够把第1个卫星的轨迹和方位算出来，第2个、第3个……直到把全部卫星的轨迹和钟差悉数算出来。如此，轿车接纳卫星的信号就能够导航。由于卫星的方位现已知道了，再加上卫星的方位和时刻差，咱们解个四元方程还难吗？不便是高中的解析几许嘛。
卫星导航就能够简略到这种程度。
同学们就该说了，这么简略的东西居然需求那么多科学家花国家那么多钱。其实，在处理这个几许问题之前，咱们还有其他的问题要先处理。
要把时刻测准，得考虑原子钟怎样研发；要把坐标测准，要知道坐标基准怎样来的……等等一大堆的问题。空间信号坐落太空傍边，要传到地上来还得处理电离层和对流层的推迟。除此之外，还得处理一大堆其他的物理问题。
“斗极三号”星座有多凶猛？
“斗极三号”是由30颗卫星组成的。其间有3颗地球停止轨迹卫星（GEO），3颗歪斜地球同步轨迹卫星（IGSO），还有24颗中圆轨迹地球卫星（MEO）。
咱们在信号上做了立异规划，由于不能用GPS调制的信号，完成了全星座的星间链路。
咱们规划了区域短报文，还用支撑1000个汉字通讯的全球短报文，这样特其他用户就能够运用斗极的短报文。
咱们构建了全球搜救，不光有一般的搜救功用，还规划了返向链路。这样就能确保咱们中心收到用户的求救信号今后会给用户反应，告知用户咱们收到信息了，还会告知用户大约在什么方位我能找到你。这样就能确保用户不会一向不停地发求救信号。咱们知道，一个人遇到危机的时分，会有很强的求生愿望，所以就会不停地呼救，有时就会导致搜救队员快抵达的时分设备没电。特别是在海洋上，常常会因而搜救失利。所以咱们改进了一下，加了一个返向链路。
其他咱们还做了星基增强。GPS、GLONASS、Galileo都其他做一套系统。但咱们斗极不同，咱们把星基增强直接嵌入斗极卫星，能够支撑飞机自行盲降。
咱们完成了自主定轨功用，构建了云渠道运控，让斗极卫星导航系统不受单一系统的操控。
斗极的3类卫星星座中，GEO卫星的功用是最强壮的。它除了PNT导航定位授时之外，还能够做星基增强，也能够做区域短报文服务，乃至能够做精细单点定位。
传统精细单点定位便是能经过国际互联网，让用户取得导航星座精细轨迹和精细卫星钟差，然后高精度的核算自己的方位。
咱们想想，假设我在荒漠、高原或许海洋，那个当地没有5G，没有网络，怎样能得到这些信息？
咱们想了一个方法，便是把这些信息直接上注到斗极的同步卫星上，然后经过同步卫星播发给用户。这样不就处理了吗？这便是咱们的一个发明，把精细单点定位嵌入到斗极卫星里边播发给用户，所以用户能够免费取得高精度的定位。
咱们还有一个星座是55°倾角的歪斜轨迹星座IGSO。这个星座不光能够给咱们导航定位，还能够做其他的增强，也能参加全球短报文服务和国际搜救。这个卫星星下点主要是在我国和亚太区域画“8”字。
其他还有24颗MEO，它们的倾角也是55°，能够供给全球高精度定位，还能够供给全球短报文服务和国际搜救。
▲图片为2022年2月iGMAS全球监测成果
在功用上，斗极现在的水平定位精度怎样呢？咱们有4个频点在作业，2022年2月的全球监测成果显现其间B1C频点的定位精度是水平精度1.76m、高程精度3.14m，空间信号精度0.49m。和GPS比，咱们更好。GPS的水平精度是2.23m，高程精度是4.28m，空间信号精度是0.85m。当然，咱们比Galileo略差。
在亚太区域，咱们能到达的水平定位精度是1.32m，笔直精度2.14m；全球范围内，能到达的水平精度大约是1.53m，笔直精度是2.59m。这便是斗极的服务功用，与GPS适当，乃至更优，也优于俄罗斯的GLONASS。
在区域短报文方面，咱们用了3颗停止轨迹卫星，运用户能够在亚太区域运用区域短报文服务，也便是说，用户能够在没有手机网络信号的情况下用斗极的短报文通讯。它对海洋、沙漠区域的用户来说极端当地便。现在服务上行容量是每个小时大约1530万次，下行是每小时935万次，成功率高达99.6%。
咱们的有源定位即RDSS，能够用于方位盯梢，水平精度在10米左右。
嵌入式的精细单点定位服务、星基增强，全球短报文、国际搜救，这都是斗极的特征功用。
“斗极”系统的运用
在运用上，斗极系统现已嵌入了手机，各位现在的手机都会有斗极；嵌入轿车就能够支撑智能驾驭；嵌入高铁，能够支撑高铁的平稳运转；嵌入交通、舰船、互联网、通讯、机械、农业、电力……都能够支撑咱们社会的智能化运转。
这个视频是形变监测的示例。这种形变监测用GPS不灵，为什么？请咱们留意那个天线（那个天线立刻掉下去了），它是个抛洒的斗极。抛洒出去后依托斗极短报文，就能够不停地向中心传输这个当地的变形量信息。特别是当它自己“献身”了今后，还会把信息传回来。这样的优点是能够敏捷预警。在危机情况下，哪怕提早1分钟、提早20秒预警，也能够救许多人的命。这几年在甘肃一带现已有许多的成功事例。
现在的斗极现已成功用于国家坐标结构的监测。咱们日子的这个地球不停地在改变，斗极能够监测它每天的改变量。
咱们知道，珠峰登顶的人能够用GPS测高程，现在用斗极就更灵了。斗极能够在峰顶上进行精细单点定位且不需求返工，在山顶上就能知道测得对不对。原本冲顶就这么一次时机，冲到顶测得不成功，回来再返工，这是不行的。可是运用斗极在山顶就能够确认测得成功不成功。
更重要的是，斗极有一个特其他功用。虽然没有网络的支撑，登山队员的整个登顶进程都能够被地上中心追寻到。咱们能够知道哪个登山队员在什么当地，有全程的方位盯梢，所以至少确保登山队员不会失联。
从前我国到欧洲的班列上运送的我国电脑、手机常常会在半途中丢掉，没有一个火车站承认是自己的错。现在不要紧，那些设备上面都有一个斗极锁。在哪个站丢掉的、在哪个站被打开过，全程有盯梢。这靠的便是斗极的方位盯梢和时刻。在什么时刻、哪一秒、什么时分被人动过，都会有全程的记载。
用斗极还能够进行精细农业。在广袤的乡村，特别是东北，不需求基站就能够做到厘米级定位。精准上肥、精准治虫，都能够用斗极精细单点定位。
在海洋、民航范畴，现已敞开了斗极代替GPS。琼州海峡156座的航标现已悉数替换成了斗极。2020年末，南海海区现已完成了斗极遥控遥测航标的100%的掩盖。并且民航的波音737-800完结了斗极加装审定。
保护安全更不用说了。索马里护航的导航通讯靠什么？那个当地没有5G，斗极不光知道你的方位在哪里，还能够用短报文向总部进行报告。
斗极能够搜救。咱们有14万渔民，一旦在海洋上出现问题，遇险的渔船把SOS信息发给斗极，斗极发送到卫星地上站，地上站发送到服务中心，服务中心联络海上救援中心，作业人员立刻搜寻，经过方位盯梢就能够看到渔民邻近有哪些船能够供给协助，就能够进行紧迫救援。
现在空间站的对接能够用斗极相对定位，相对定位精度是毫米量级的。还有之前发射火箭时不知道火箭残骸会落在哪儿，需求分散许多人。现在不需求。火箭上面有一个斗极终端，能够准确地进行方位盯梢，就能知道它落点在哪里，乃至还能够操控它。
斗极的工业这几年取得了极大开展。2023年《导航与方位服务工业开展的白皮书》上写道，2022年一年斗极的产量是5007亿元人民币，其间终端出货量就有3.76亿台/套，含斗极的手机有2.64亿部，含车载卫星导航终端大约1200万台套。
未来的“斗极”会怎样开展？
那么未来，有了斗极是不是能够处理全部？斗极有脆弱性。一旦被遮挡、被搅扰、被阻隔，它就不能作业。
所以咱们在《我国定位、导航和守时2035开展战略》里边，构建了一个以斗极为中心的，包含了深空卫星星座、斗极星座、地基增强系统、海底基站、陆基导航和低轨卫星的，根据不同物理原理且由多种信息源构成的、从深空到深海、无缝的定位导航和守时服务根底设施系统。咱们把它叫做“归纳PNT根底设施”。
▲归纳PNT信息源
有了根底设施就处理问题了吗？处理不了问题。假设用户拿着一个手机，你不行能把那么多信息都收下来，也不行能把深空拉格朗日星座、斗极星座、低轨星座、地基的信息都用来定位。此外还有惯性导航信息、磁导航信息、重力导航信息，信息太多，需求弹性集成。
▲弹性PNT运用形式
假设收不到斗极信号，就应该转换成接纳其他信号，做到弹性化。所以咱们提出了一个“弹性PNT结构”。
有了弹性PNT是不是便是终究形式呢？弹性PNT是一种高档形式，可是能不能从弹性PNT指向智能化PNT呢？这便是咱们所提的，让专家的“知”专家的“识”上升到“智”，上升到常识图谱，上升到智能PNT。
结束语
建造斗极卫星导航系统是我国人对国际国际卫星导航系统的重大奉献，斗极卫星导航系统的立异规划成果了斗极的高功用，而斗极的特征功用又成果了斗极的特征商场。卫星导航有天然的脆弱性，所以期望在未来构建一个归纳的、从深空到深海、无缝的归纳PNT系统，再在这个根底上构建弹性化的运用形式。在弹性PNT的根底上，咱们就能够把专家的常识参加进去，变成智能化的PNT服务。
让咱们一起重视我国的斗极，重视我国的PNT的根底设施建造，为我国的PNT建造做出咱们应有的奉献。
感谢各位！
“格致论道”，原称“SELF格致论道”，是我国科学院全力推出的科学文化讲坛，由我国科学院核算机网络信息中心和我国科学院科学传达局联合主办，我国科普饱览承办。致力于特殊思维的跨界传达，旨在以“格物致知”的精力讨论科技、教育、日子、未来的开展。获取更多信息。本文出品自“格致论道讲坛”大众号（SELFtalks），转载请注明大众号出处，未经授权不得转载。
