倘若三十年前讨论“北斗”，人们毫无疑问地知道那一定是大熊星座里七颗组成勺柄状的闪耀之星。倘若今天讨论“北斗”，人们会问，是那个北斗导航还是北斗七星？北斗卫星导航系统已经被大众所熟知，因为此时此刻，它正服务于你手上的手机、乘坐的汽车、飞行的客机、海上的渔船、路边的电力线、灾害的监测等。你若问我北斗何以如此强大，那我只能用北斗科学知识来回答你。
北斗卫星导航系统建设过程
卫星导航系统的组成
（图片来源：格致论道科普讲座——原来你是这样的北斗）
北斗卫星导航系统建设过程分为三步。第一步是1994年到2000年的“北斗一号”，它有两个特点。第一个特点是区域服务，就是只能够为我们中国及中国周边的地区提供服务。第二个特点是有源，就是如果想定位的话，我需要给卫星发送一个信号，同时还要接收卫星给我发的信号，才能够定位。
从“北斗二号”开始，就不需要再给卫星发信号，只需要接收到卫星发射来的信号就可以实现定位。这种定位我们管它叫无源定位，“北斗二号”和“北斗三号”都是无源定位。它们的区别是什么呢？“北斗二号”主要完成的是区域无源，服务的是中国及周边的亚太区域；而“北斗三号”提供的是全球的导航定位服务。
北斗卫星导航系统经历了30年发展，目前在太空中为我们提供服务的北斗三号系统是由30颗卫星组成的卫星导航星座，正可谓北斗群星耀太空。那是不是只有太空中的北斗卫星就能提供导航服务呢？
北斗卫星导航系统的组成
北斗卫星导航系统并不是只靠天上的卫星就能提供服务。它一共分为三个部分，技术人员称之为三个段，“空间段、地面段、用户段”，三个段缺一不可，三段合作才能实现卫星导航服务。
空间段就是广为人知的在天上运行的北斗卫星星座。北斗三号卫星星座实际上分三种轨道，第一种是地球静止轨道（GEO），第二种是倾斜地球同步轨道（IGSO），第三种是中圆轨道（MEO）。我们北斗人把它称为“北斗三兄弟”，也管它们叫“吉星”“爱星”“萌星”。 这3颗吉星、3颗爱星，再加上24颗萌星共同组成了我们的北斗三号星座。吉星的轨道高度是35786公里，是高轨卫星，它的单颗卫星覆盖的范围很广，一颗卫星就能够覆盖地球42.4%的面积，三颗卫星就实现了除南北极以外的整个覆盖。爱星和吉星的轨道高度是一样的，但是它的星下点轨迹是绕“8”字型，和吉星对地定点的特点是不一样的。萌星的轨道高度是21528公里，它作为卫星导航系统组网的主力成员，其实一直在地面上画着波浪线，一圈又一圈地在跑。
值得一提的是，“北斗三号”的卫星星座和GPS、GLONASS、伽利略都是不同的，这是国际上首次采用了混合星座来实现卫星导航，我也把北斗三兄弟的小档案做了一个梳理表列在了表格中。
北斗三号卫星之间的差异
（图片来源：格致论道科普讲座——原来你是这样的北斗）
地面段，经常被称之为北斗卫星导航系统的“核心大脑”，是北斗系统位于地面的设备。它包括主控站、注入站和监测站。打个比方，天上的北斗卫星要发什么，是地面段的主控站告诉卫星的。而主控站需要通过注入站，才能把这些信息发给卫星。主控站要想告诉卫星发什么，还需要很多个监测站帮忙接收卫星信号，主控站用监测站收到的数据计算出来，因此所有监测站收到的信号要及时的发给主控站。监测站在全球范围内分布的越均匀，分布的范围越广，主控站给卫星发的信息就越准确，服务效果也就越好。
地面段——北斗地面运控系统主控站机房显示。（图片源于中国新闻网）
地面段——北斗注入站（示意图）
地面段——北斗监测站（手绘图）
用户段，就是我们日常使用的手机、无人机、电话手表等等设备里的北斗导航芯片，他们通过接收北斗卫星发送的信号实现导航定位。
北斗卫星是如何提供导航服务的？
那我们是怎么使用北斗卫星实现导航的呢？以我们的手机为例，北斗系统地面段把卫星要发送的信息告诉卫星（空间段），空间段按照地面段发的信息来发导航信号，到我们的手机（用户段），用户段通过接收卫星发送的导航信号来计算自己的位置。
卫星导航基本原理的诞生源于逆向思维，这里有一个小故事值得分享。大家知道，第一颗人造卫星是1957年10月由苏联发上天的。苏联成功发射了这颗卫星之后，美国的科学家开始在地面接收它的信号。他们发现，知道了自己的位置，又收到了这颗卫星发的信号，就能计算出来这颗卫星运行的轨道。
于是聪明的科学家想，如果知道了卫星的轨道，同时又收到了测量接收的信号，是不是就能够算出自己的位置呢？卫星导航就是用这种方式来确定自己的位置的。目前，不管是北斗还是GPS，通过接收4颗以上的卫星信号，就能够实现准确的定位。
卫星信号的传输方式
（图片来源：格致论道科普讲座——原来你是这样的北斗）
那卫星发下来的信号里都包含什么呢？其实主要是两个部分，一个部分是它的时间，另一部分是它在三维空间内的位置（三维坐标）。我们用到的手机等导航终端，就是利用卫星告诉的时间，然后计算信号到达的时间差，算出我到每一颗卫星的距离，然后再进行解算。
那卫星发射信号里的时间和位置信息是怎么来的呢？其实是有一整套的地面运行控制系统提供给卫星的。它们会告诉卫星时间和卫星位置计算参数。
时至今日，“北斗”已然从当初的北斗七星特指变成北斗卫星导航系统的代名词，30年前为我们指路的北斗七星，在北斗人的努力下，已变成了30颗北斗群星，时刻为我们提供导航服务，未来，在北斗人的不懈奋斗下，北斗卫星导航系统将提供更加智能的定位导航授时服务，让我们拭目以待，期待更好的北斗！
部分资料来源于：《北斗在天用在身边》、《北斗导航》、“格致论道科普讲座——原来你是这样的北斗”
责任编辑：刘海华
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