序言
北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)（簡稱北斗衛(wèi)星或北斗）是我國現(xiàn)在談?wù)撟疃嗟目萍荚掝}之一，也成為我國一張重要的國家名片，北斗導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)對于我國國家安全和國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)都有非常重要的意義，同時具有廣闊的商業(yè)價值。
但是，我國很多民眾對我國北斗衛(wèi)星系統(tǒng)不甚理解，甚至有些理解存在誤區(qū)，特別是近日來眾多媒體、微信公眾號和微信群普遍轉(zhuǎn)發(fā)一篇文章——《告別GPS，北斗地圖APP預(yù)計5月1日上線》，文中提及“北斗地圖APP上線”以及“北斗地圖導(dǎo)航精確到1米甚至厘米”等信息，引發(fā)民眾一篇叫好和興奮。然而之后很多媒體和專業(yè)的衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)公眾號指出文中技術(shù)概念錯誤、指標(biāo)夸大、誤導(dǎo)讀者等問題，最后指出該報道只是廣告，“北斗地圖”與北斗導(dǎo)航衛(wèi)星定位系統(tǒng)無關(guān)。
這也反映我國在科普特別是新技術(shù)科普領(lǐng)域存在缺漏。隨著我國北斗三號衛(wèi)星的發(fā)射，全球組網(wǎng)開始，未來我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航衛(wèi)星服務(wù)系統(tǒng)將實現(xiàn)全球定位服務(wù)，對于我國乃至全球都有重大意義，也是實現(xiàn)我國“一帶一路”戰(zhàn)略重要的基礎(chǔ)設(shè)施。因此，我國大眾特別是活躍在我國各個領(lǐng)域的工作者，需要掌握北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的基本知識，推動北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)在各個領(lǐng)域的應(yīng)用。
本文將試圖以淺顯易懂的基本知識和語言，講授北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的基本原理和各方面的知識，以推動北斗的科普和應(yīng)用。
無論是GPS 還是北斗等導(dǎo)航衛(wèi)星，只能告訴你一個信息，就是用戶終端在空間所處的位置。除此之外不能直接告訴用戶任何其他信息。
衛(wèi)星定位有兩個原理，即測距原理和三已知點、三已知線，從而確定點位置原理。即用戶通過接收終端接收衛(wèi)星位置和距離，每個位置坐標(biāo)（X0、Y0、Z0）和距離S為已知數(shù)，則根據(jù)空間中兩點的距離公式(X-X0)2+(Y-Y0) 2+(Z-Z0) 2=S2，有三個以上的衛(wèi)星已知坐標(biāo)和距離，可以與用戶未知位置的（X,Y,Z）建立一個三元二次方程組，便可以解算出用戶未知位置坐標(biāo)（X,Y,Z）。
如何獲得衛(wèi)星的位置以及與用戶接受終端的距離？衛(wèi)星是飛行在固定的軌道，其位置是通過軌道參數(shù)獲得。而距離是通過多普勒效應(yīng)測算，可以簡單理解為最傳統(tǒng)的公式，即S=v（t-t0），即從衛(wèi)星傳送到接收機(jī)上傳送信息號的時間差乘以多普勒信號傳輸速率獲得。
北斗衛(wèi)星如何應(yīng)用？
所有的導(dǎo)航定位衛(wèi)星，無論是北斗、GPS、格洛納斯（GLONASS）還是伽利略，只能告訴你一個信息，即位置信息。衛(wèi)星是引路的，能夠引路的是應(yīng)用終端。應(yīng)用終端接收信號，解算獲得位置，并展示在終端內(nèi)部存儲或網(wǎng)絡(luò)獲取的地圖上，再根據(jù)用戶的目標(biāo)地導(dǎo)航。要實現(xiàn)北斗的應(yīng)用，必須有終端，否則北斗是無法發(fā)現(xiàn)你的位置。其中，電子地圖是提供位置服務(wù)的關(guān)鍵?？梢哉f，衛(wèi)星定位系統(tǒng)是裝菜的盤子，電子地圖是盤子中的菜。
接收終端包括專業(yè)終端和大眾終端，專業(yè)終端指各個領(lǐng)域?qū)I(yè)設(shè)備，而現(xiàn)在應(yīng)用最廣的大眾終端是手機(jī)。
人類活動70%以上的內(nèi)容與空間位置相關(guān)，指南針、六分儀等定位導(dǎo)航設(shè)備都是推動人類文明進(jìn)步的重要工具。獲得準(zhǔn)確的空間位置，其應(yīng)用不僅僅是導(dǎo)航定位，而是可以應(yīng)用于地理空間關(guān)聯(lián)的各個方面，可以基于定位進(jìn)行測量，從而繪制地圖，量取距離、面積和體積，可以跟蹤獲得其他實體的位置，可以對各種終端用戶進(jìn)行統(tǒng)計從而獲得流量、流向和速度等信息，而更高精度的定位還能實施精準(zhǔn)應(yīng)用，如精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、精準(zhǔn)工業(yè)、精準(zhǔn)建筑，可以用于智慧機(jī)器人實現(xiàn)更高精度的施工等。因此，準(zhǔn)確獲得空間位置的技術(shù)和設(shè)備，對于國家、集體和個人都有重要意義。
北斗與地理信息和衛(wèi)星遙感的關(guān)系？
北斗導(dǎo)航衛(wèi)星告訴你的只有位置信息，如何使用依賴于終端。而終端中最重要的則是地理信息，地理信息包括電子地圖和各種地名地址以及鏈接信息，通過位置信息與地圖以及地理信息的結(jié)合，才能實現(xiàn)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的應(yīng)用。而遙感衛(wèi)星是獲得地圖以及各種地理信息的重要手段之一，三者有區(qū)別、有聯(lián)系，同時也可以結(jié)合使用。北斗不是遙感衛(wèi)星，不能發(fā)現(xiàn)你的位置，但是結(jié)合電子地圖和衛(wèi)星影像，可以展示你在地圖和影像上的位置。
北斗衛(wèi)星收費嗎？
無論是北斗、GPS還是伽利略等導(dǎo)航衛(wèi)星，發(fā)送的信號都是免費的廣播信號，都是免費使用，不需要支付任何費用。同時，如果沒有其他手段，北斗衛(wèi)星是無法知道用戶的位置。
媒體上有報道的北斗定位系統(tǒng)安裝到卡車上收費，其實是一種商業(yè)行為，即某些公司為客戶提供監(jiān)控車輛服務(wù)，即車輛通過北斗或其他衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)實時獲得位置信息，而位置信息傳送到管理端進(jìn)行監(jiān)控的服務(wù)。
我國民眾用上了北斗衛(wèi)星嗎？
這是我國很多民眾困惑的問題，很多人疑問，北斗衛(wèi)星發(fā)射了那么多，為什么普通民眾沒有用上呢？
其實很多人都已經(jīng)用上了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，只是很多使用者并不知道。前文所述，使用衛(wèi)星定位系統(tǒng)最主要的設(shè)備是定位終端，各個終端是否能夠使用某種衛(wèi)星定位系統(tǒng)，關(guān)鍵在于其終端內(nèi)的解碼芯片。現(xiàn)在我們大多數(shù)人都是以手機(jī)作為導(dǎo)航定位終端，實際上，從2012年開始，以華為為代表的國產(chǎn)手機(jī)都逐步安裝了解碼芯片，使手機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)接收北斗衛(wèi)星信號并實現(xiàn)導(dǎo)航定位。實際上，目前大多數(shù)能夠接收北斗衛(wèi)星的導(dǎo)航終端基本上都能接收美國GPS衛(wèi)星甚至俄羅斯GLONASS衛(wèi)星信號實現(xiàn)衛(wèi)星導(dǎo)航定位，同時兼容多種導(dǎo)航衛(wèi)星的終端，定位初始化時間更短、定位精度更高、更難失鎖，同時可以在一些衛(wèi)星信號較弱的地方實現(xiàn)定位。
未來隨著北斗衛(wèi)星的全球化服務(wù)，將有更多的專業(yè)終端或者手機(jī)終端集成北斗解碼芯片，北斗應(yīng)用廣度和深度都不斷擴(kuò)大。廣大民眾需要知道，北斗已經(jīng)逐步深入了生活和生產(chǎn)的各個方面，不過多數(shù)服務(wù)都是一種“密封式”服務(wù)或者間接服務(wù)，用戶并不在乎服務(wù)的來源和設(shè)備。
為什么有GPS系統(tǒng)了，我們還要發(fā)展自己的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)
眾所周知，GPS衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)是第一個全球范圍的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，在上世紀(jì)90年代中期已經(jīng)部署完成并提供全球服務(wù)。
首先，GPS系統(tǒng)并不完善。在北斗投入服務(wù)以前，使用單GPS系統(tǒng)的終端，初始定位時間較長，在一些空間遮擋比較嚴(yán)重的地方，如墻角、屋內(nèi)窗口福建和樹下無法準(zhǔn)確定位，北斗投入使用后，在這些仍然可以準(zhǔn)確定位。
其次，衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)對一個國家的國家安全具有重大意義，擁有自主的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)對于一個國家安全和經(jīng)濟(jì)獨立都有重要意義，我國在上世紀(jì)90年代曾因為美國關(guān)閉區(qū)域GPS信號而導(dǎo)致了多起嚴(yán)重的軍事問題。
最后，發(fā)展衛(wèi)星定位系統(tǒng)，可以挖掘衛(wèi)星定位市場巨大商機(jī)，衛(wèi)星定位系統(tǒng)直接市場價值上千億，而推動的市場可挖掘價值高達(dá)萬億元，我國政府和企業(yè)當(dāng)然不能錯過這樣的商機(jī)。
北斗如何與GPS以及GLONASS等其他衛(wèi)星定位系統(tǒng)兼容
北斗與美國的GPS、俄羅斯的GLONASS以及歐洲的伽利略如何實現(xiàn)兼容共用呢？
其實，所有衛(wèi)星的信號都是一個測距信息，只要用戶的設(shè)備能接收這些衛(wèi)星的信號，用戶不用在乎哪個衛(wèi)星提供的距離信息，更多的距離信息，則可以提高精度和定位穩(wěn)定性。
北斗導(dǎo)航衛(wèi)星商業(yè)價值在哪里？
北斗導(dǎo)航衛(wèi)星的市場商業(yè)價值是巨大的，其商業(yè)價值包括直接商業(yè)價值和間接商業(yè)價值。
目前北斗導(dǎo)航衛(wèi)星定位系統(tǒng)最直接的商業(yè)價值是北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位硬件設(shè)備市場，從最小的芯片到專業(yè)級的測量型定位設(shè)備，都有巨大的市場價值，同時，集成在硬件設(shè)備中的軟件也是商業(yè)鏈的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。
而北斗導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)更主要的商業(yè)價值是其間接商業(yè)價值，即推動其他領(lǐng)域的商業(yè)價值。首先，在研發(fā)北斗導(dǎo)航衛(wèi)星中，其研制過程將帶動整個衛(wèi)星相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展。其次，高精度導(dǎo)航衛(wèi)星定位服務(wù)將極大推動地理信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展。最后，衛(wèi)星導(dǎo)航定位服務(wù)帶動空間位置服務(wù)產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展。這些，都是巨大的市場價值。
如何理解北斗高精度定位？
對GPS和北斗等衛(wèi)星定位系統(tǒng)有一些基礎(chǔ)知識的人都知道，GPS和北斗衛(wèi)星的定位精度都是米級，一般最高精度不高于3米（即數(shù)值大于3米）。但是為什么經(jīng)常有報道或者專家說北斗的定位精度可以達(dá)到厘米級呢？厘米級高精度衛(wèi)星定位是否真能實現(xiàn)？
要實現(xiàn)厘米級的高精度衛(wèi)星定位，需要依賴于地基增強(qiáng)系統(tǒng)。在實現(xiàn)高精度定位的區(qū)域附近（30千米-120千米），有一個已知位置的定位參考站（也稱為差分站），這個參考站協(xié)助衛(wèi)星定位系統(tǒng)為該區(qū)域的用戶提供高精度定位服務(wù)，也稱差分定位技術(shù)。高精度地基參考站衛(wèi)星定位增強(qiáng)技術(shù)雖然很復(fù)雜，但是可以簡單這樣理解，即在某個瞬間，在一定距離內(nèi)的兩個點，其接受到的衛(wèi)星定位信號相同，那么其誤差是相同的，如果其中一個點是在已知坐標(biāo)點上，那么則可以知道定位誤差，從而推算出另外一個點的坐標(biāo)。即如已知點坐標(biāo)為X，已知點上衛(wèi)星定位坐標(biāo)為X1，則誤差為X-X1，在另外一個點上衛(wèi)星定位坐標(biāo)為X2，其高精度定位坐標(biāo)則為X2+（X-X1），雖然差分定位技術(shù)很復(fù)雜，但是基本上可以這樣解釋。
北斗獲得在坐標(biāo)高是水準(zhǔn)高嗎？
不是。
無論在日常生活還是在工程建設(shè)以及科學(xué)中所使用的高都是指水準(zhǔn)高，即在某點上實際水面距離地球0米水面的距離。但是，由于地球并非一個嚴(yán)格的球體或者橢球體，另外，地球各處的質(zhì)量密度不均，導(dǎo)致地球水面并非一個球面，而是一個復(fù)雜的曲面。在任何一個高度的地球水平面都是一個虛擬的復(fù)雜曲面，而如第二點所述，衛(wèi)星定位所獲得的高是通過衛(wèi)星運行軌道虛擬出橢球的橢球高，橢球高無法與水準(zhǔn)高重疊或有統(tǒng)一的高差，因此，衛(wèi)星定位中所獲得的坐標(biāo)高程并非水準(zhǔn)高。
衛(wèi)星定位一直無法獲得正確的高程，而未來空間定位服務(wù)將發(fā)展到三維，需要獲得水準(zhǔn)高，如何解決這個問題？現(xiàn)在技術(shù)是通過復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型（似大地水準(zhǔn)面模型）虛擬出地球任何一定的水準(zhǔn)面，衛(wèi)星定位中，可以通過改點的橢球高獲得改點的水準(zhǔn)高改正數(shù)，從而計算出改點的水準(zhǔn)高。目前全球似大地水準(zhǔn)面模型已經(jīng)可以達(dá)到較高精度，未來基于北斗衛(wèi)星和全球似大地水準(zhǔn)面模型的三維空間定位服務(wù)也將成為北斗衛(wèi)星定位服務(wù)熱點之一。
結(jié)論
目前我國的北斗導(dǎo)航衛(wèi)星定位系統(tǒng)處于全球布網(wǎng)的關(guān)鍵時期，未來隨著北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)將深入社會經(jīng)濟(jì)、生產(chǎn)和生活的方方面面。同時也將發(fā)掘巨大的商業(yè)價值。但是，我們應(yīng)該冷靜面對兩方面的問題。一方面，要認(rèn)識北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)應(yīng)用的巨大價值，夯實產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，迎接挑戰(zhàn)后的機(jī)遇。另一方面，也不應(yīng)該過于夸大北斗衛(wèi)星的作用和商業(yè)價值，似乎北斗無所不能、遍地黃金。北斗只是一個定位導(dǎo)航系統(tǒng)，其商業(yè)價值挖掘需要依賴于地理信息為主的各種技術(shù)和應(yīng)用服務(wù)。目前我國各地都倉促上馬各種北斗產(chǎn)業(yè)園，有些北斗產(chǎn)業(yè)園的泡沫以及顯現(xiàn)，甚至已經(jīng)停止運轉(zhuǎn)，很大程度上就是領(lǐng)導(dǎo)決策層對北斗衛(wèi)星的誤解。因此，對北斗衛(wèi)星進(jìn)行科普是非常必要的。北斗衛(wèi)星不是一個排他性的系統(tǒng)，并非有了北斗就可以不用GPS，北斗可以與世界上所有的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)兼容，互相應(yīng)用，從而更好服務(wù)經(jīng)濟(jì)與生活，推動國家繁榮和社會進(jìn)步，建設(shè)生態(tài)美麗中國。
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