定位導航授時，人類的基本需求
概括來說定位導航就是以捕捉時空信息為基石的一種工作，是人類的基本需求。
所謂時空，主要包括三個方面的内涵：定位、導航與授時。
定位，就是指能夠提供精确的二維或三維位置和方位的能力；導航，是指通過确定當前位置和目的地位置，并參考地理和環境信息，修正航線、方向和速度，以抵達目的地的能力；授時，就是得到并保持準确和精密時間的能力。
人類在社會生活中的任何工作都離不開定位。在上古時代，所用的導航方法是通過識别自然現象或人為标記來指引路線。日月星辰、起伏的山巒、疊起的石堆、刻痕的樹木等，便是早期人類出行認路的“參考點”。随着人類活動範圍的擴大，導航的技術方法、手段和儀器也随之豐富。早在我國戰國時期，就出現了“司南”這種指示方向的工具，北宋時期又發明了指南針，這些工具很快就被應用到軍事、生産和日常生活等方面。明初，航海家鄭和“七下西洋”，寶船及船隊安全往返，指南針起到了決定性作用。
進入到航海時代，光知道方位是遠遠不夠的了，人們利用星盤、六分儀等儀器，測量恒星或太陽的角度和方位，配合指南針等工具可以确定方向和緯度。18世紀，木匠出身的哈裡森父子經過數十年、兩代人的努力，發明制造了精度較高的航海鐘，才确定了相對準确的海上經度。自此，人類才擁有測量方位、緯度和經度的導航技術。這個階段，主要依賴于天文觀測和航海鐘，定位精度比較粗略，大約十幾公裡的誤差，觀測時間長，易受天氣影響，但已滿足航海的基本要求。
進入20世紀後，短短的幾十年間，人類經曆了兩次世界大戰，坦克、潛艇、飛機、導彈陸續投入使用，進入海陸空三軍聯合作戰時期。這個時期，對定位、導航乃至授時，提出了更高的要求，要求能夠實現全天候、大範圍、快速、連續、高精度的作戰。也是在這個時期，無線電發明了。電磁波在均勻介質中沿直線傳播、速度恒定，遇到障礙物或介質變化有反射和折射特性。能否利用無線電波進行導航呢？科學家們的探索随之開始了。1906年，無線電測向儀制造成功，1921年出現無線電信标，1937年雷達開始在艦船上用作導航手段。第二次世界大戰中後期，陸基無線電導航系統得到迅速發展，通過測量無線電導航台發射的信号，可以确定運動載體相對于導航台的方位、距離、距離差等幾何參量，從而确定運動載體與導航台之間的相對位置關系，據此對運動載體進行定位、導航和授時。相比航海時代，這個時期的導航技術已經有了很大程度上的飛躍，定位精度大約為100至200米，覆蓋範圍千餘公裡。導航技術的應用，也從陸地、海洋走向了天空。至今，仍然有很多無線電導航技術作為主要手段或者作為輔助手段在使用，比如飛機着陸用的儀表着陸系統和羅蘭-C系統。
二戰後“子午儀”的誕生，為後續“全球定位系統”的建設奠定了基礎
二次大戰後，人類進入相對和平的發展時期。但是戰略威懾、軍事應用仍然在推動導航技術的持續發展。美國在1957年開始研制戰略導彈核潛艇，同年前蘇聯向太空發射了第一顆人造地球衛星。這兩個國家研制的不同裝備，看似沒有關聯，但卻有着驚人的耦合。美國的核潛艇要在全球巡邏和作戰，怎麼樣能夠實現全球、全天候、連續、準确的定位和導航呢？陸基無線電導航的覆蓋範圍有限，已經不能滿足要求。蘇聯的衛星發射，給了美國人很好的啟示。在觀測這顆衛星信号的過程中，人們發現：在位置精确已知的觀測站，利用測量得到的衛星信号多普勒頻移可以确定衛星軌道；反之，如果衛星軌道已知，通過測量衛星信号的多普勒頻移，就可以确定地球上接收機的位置。基于這個發現和推論，1964年誕生了第一代導航衛星系統——美國海軍導航衛星系統。由于衛星軌道與地球子午圈重疊，又稱為“子午儀”系統。這個系統，将導航台放置在衛星上，在地球表面任何地方、任何氣候條件下，一小時内均能測定位置，精度與觀測次數有關，精度在1至500米之間。
“子午儀”系統的成功應用，在美國海、陸、空三軍中掀起了衛星導航熱。經過詳細的論證，1973年美國啟動GPS計劃，1995年達到完全運行能力，标志着一個革命性的全新導航時代的到來。GPS系統的特點鮮明，它用24顆衛星實現了全球性覆蓋和全天候服務，可實時動态地提供十米級至厘米級的定位、導航和授時一體化服務，充分體現了航天技術的魅力和其它導航方式難以比拟的優越性。
北鬥衛星與其他三大全球導航系統競相發展
衛星導航系統包括三個基本組成部分：空間段、地面段和用戶段。空間段就是導航衛星星座，向地面連續地廣播無線電導航信号。地面段包括監測站、主控站和注入站，負責監控導航衛星，計算衛星軌道參數和鐘差，并注入到衛星中。地面段就是用戶接收設備，就是我們經常說的接收機，比如手機、專用終端等。衛星導航的基本原理是：以導航衛星為參照物，通過測量接收機與衛星之間的距離，運用三球交彙原理，解算用戶的三維位置。
衛星導航系統的主要功能是定位、導航、授時、短報文，其中短報文是北鬥的獨有功能。衛星導航系統的特點是高精度、高動态、實時性、連續性、全天候、全球性，單機實時定位精度可以達到十米左右，差分後可以達到分米級、厘米級甚至毫米級，定位頻率可從每秒一次到幾十次，可以滿足我們絕大一部分的應用需求，比如，車輛導航、闆塊監測、城市測繪、武器制導、精确授時等等。
正是因為衛星導航有這些顯著的優點，使得大家都想擁有這種服務。目前，世界衛星導航的格局，已經從美國GPS一枝獨秀，演變為美國“GPS”、俄羅斯“格洛納斯”（GLONASS）、中國“北鬥”（BDS）和歐洲“伽利略”（Galileo）四大全球導航衛星系統競相發展的局面。這四大系統現在或建成後覆蓋全球，因此稱為全球衛星導航系統（GNSS）。區域系統還有日本的準天頂系統（QZSS）和印度的區域衛星導航系統（IRNSS）。
四大全球系統中，美國的GPS建設最早，發展比較順利，1995年後維持全運行能力，是當前技術最為成熟、用戶最多的系統，目前正在開展現代化工作。俄羅斯始于蘇聯時代的GLONASS緊随其後建設，歐洲在2000年啟動Galileo系統建設。我們的北鬥系統，從2000年以來一直保持很好的發展态勢。四大系統，既有競争，也有合作，相互促進，共同為人們提供更好的導航服務。
2020年是一個很重要的時間節點，GPS完成了現代化，GLONASS完全了複蘇，北鬥也建成了全球系統，Galileo按計劃完成建設，到那個時候，将是一個“群星璀璨”的導航時代，圍繞地球，将有140多顆導航衛星，在任何一個戶外地點觀測到幾十顆衛星将是家常便飯。我們的定位、導航的精度、可用性、連續性、完好性都将得到很大的提升。
“三步走”發展戰略鑄就磅礴航天工程
衛星導航系統的建設，是一項磅礴、恢弘的航天工程，天上幾十顆衛星，地上幾十個地面站，還有數十億級的用戶在線使用，要把系統建設、運行、維護、應用好，需要制定嚴密細緻的計劃。
在我國由“大起來”邁向“強起來”的曆史進程中，北鬥系統按照“三步走”發展戰略，和“先區域、後全球，先有源、後無源”的發展思路進行實施。
中國衛星導航系統管理辦公室主任冉承其在《北鬥衛星導航系統建設與發展》的報告中詳細地闡述了北鬥系統的現狀和未來發展規劃，并普及、公開了北鬥系統的“三步走”發展戰略。
第一步，2003年建成了北鬥試驗系統，即北鬥一号。全球衛星導航系統一般需要30顆以上的衛星組成星座，要解決十分複雜的工程難題；此外，衛星導航系統投資巨大，一經建成，一定要投入廣泛應用，發揮效益。從2000年到2003年，我們共發射了3顆GEO衛星，其中一顆是備用星。北鬥一号的建設，标志着我們國家成為世界上第三個擁有自主衛星導航系統的國家，使我們成功跻身于衛星導航這個行列中。
我們的第一步就是先探路，花很少的錢，建設需要衛星數量很少的試驗系統，驗證系統設計思想的正确性。通過北鬥一号的建設和應用實踐，逐漸建立北鬥的科研隊伍，包括衛星、火箭，尤其是非常重要的地面段的運行控制、應用推廣，為後續工程的建設打下紮實的基礎。
第二步，2012年前建成北鬥區域系統，即北鬥二号。北鬥一号解決了我國在衛星導航領域“有無”的問題，積累了經驗和技術，也取得了很好的應用。但北鬥一号是有源系統，這就導緻我們的用戶機個頭大、功耗大、易暴露，在定位、導航的精度、連續性、實時性、覆蓋性上，與我們快速增長的應用需求還存在較大的差距。因此，我們要把區域有源試驗系統發展成區域無源系統，在保留北鬥特色的同時，進一步提升北鬥的性能。
北鬥二号首創了三種衛星的混合星座——用5顆GEO衛星、5顆IGSO衛星和4顆MEO衛星組成我們的北鬥星座，不但保留了北鬥一号的技術能力，還可以優先服務我國及周邊，最終走向服務全球。
冉承其如是告訴大家，北鬥二号于2012年12月27日正式提供服務，運行已有5年半，系統總體運行穩定可靠，服務性能滿足承諾指标要求，從未發生服務中斷，定位精度由10米提升至6米。建設北鬥地基增強系統，形成全國“一張網”，可提供實時厘米級高精度服務。建成全球連續監測評估系統，具備對北鬥、GPS、格洛納斯、伽利略四大系統的監測評估能力。為保證北鬥二号系統持續平穩運行，未來兩年内再發射2顆北鬥二号備份衛星，确保服務性能穩中有升。
第三步，2020年建成北鬥全球系統，即北鬥三号。2017年11月，2018年1月、2月、3月，半年内成功發射四組八顆北鬥三号衛星，北鬥全球系統組網建設進入快車道。目前正在進行組網衛星的在軌測試、系統集成與性能評估，初步結果表明衛星在軌狀态良好，性能滿足指标要求。北鬥三号增加了星間鍊路、全球搜索救援等新功能，播發更優的導航信号，采用了新一代铷原子鐘和被動型氫原子鐘結合的方式，天穩定度達到E-15量級，整體性能大幅提升。經過在軌測試，空間信号用戶測距誤差預計達到0.5米，系統定位精度将達到2.5米至5米。北鬥特色RDSS服務容量提高10倍，用戶發射功率降低至1/10，支持手機應用。
今後，還将持續推進以北鬥系統為核心的綜合PNT體系建設，争取到2035年，構建空天地海無縫覆蓋、高精度安全可靠、萬物互聯萬物智能的國家綜合定位導航授時體系，更顯著地提升時空信息服務能力，滿足國民經濟和國家安全需求，為全球用戶提供更為優質的服務。
冉承其表示，目前我國雖已進入全球組網建設階段，不過提供導航服務的目前還隻有北鬥二号。他說，“在2018年11月前，都将由北鬥二号系統負責提供導航服務，此後到2020年10月之間，将由北鬥二号和北鬥三号系統共同提供服務，2020年10月之後，将以北鬥三号系統為主提供服務。”同時他透露，“與此同時，面向未來，北鬥三号也将在技術體制上全面兼容北鬥二号”，他說，“在北鬥二号向北鬥三号過渡過程中，力争确保老用戶無感知，新用戶提性能，最終實現技術的新老更替。”
北鬥衛星裡的中國智慧之深度融合，應用觸手可及
現在，我國已形成自主可控的北鬥完整産業鍊，北鬥也在國家安全和重點領域标配化使用，在大衆消費領域規模化應用，同時正在催生“北鬥+”融合應用新模式。2017年，中國國内衛星導航産業産值為2550億元，其中北鬥對産業核心産值的貢獻率為80%。預計至2020年，我國衛星導航産業的規模将超過4000億元，北鬥将拉動2400-3200億元規模的市場份額。
基礎産品方面，北鬥芯片實現規模化應用，工藝跨入28納米新時代，最低單片價格不到人民币6元，總體性能達到甚至優于國際同類産品，實現了基礎産品向高端産業的躍升升級。截至2017年4月底，北鬥導航型芯片模塊銷量已突破6500萬片，高精度闆卡和天線銷量已占據國内30%和90%的市場份額，并輸出到80餘個國家和地區。
行業區域應用方面，北鬥已在公安、交通、漁業、電力、林業、減災等行業得到廣泛使用，正服務于智慧城市建設和社會治理。500多萬輛營運車輛上線，建成全球最大的北鬥車聯網平台，相比2012年，道路運輸重大事故率和人員傷亡率均下降50%以上。公安出警時間縮短近20%，突發重大災情上報時間縮短至1小時内，應急救援響應效率提升2倍。全國4萬餘艘漁船安裝北鬥，累計救助漁民超過1萬人，已成為漁民的海上保護神。基于北鬥的高精度服務，已用于精準農業、危房監測、無人駕駛等領域。
大衆應用方面，北鬥已走進百姓生活。世界主流手機芯片大都支持北鬥，國内銷售的智能手機，北鬥正成為标配。共享單車配裝北鬥實現精細管理。支持北鬥的手表、手環、學生卡，更加方便和保護了人們的日常生活。以北京為例，33500輛出租車、21000輛公交車安裝北鬥，實現北鬥定位全覆蓋；1500輛物流貨車及19000名配送員，使用北鬥終端和手環接入物流雲平台，實現實時調度。
北鬥為我國各行業/領域提供了重要的位置導航時頻信息，極大地促進了社會創新和經濟發展，是萬物互聯、萬物感知、萬物智能的紐帶。在新時代背景下，北鬥将加強與通信、遙感、互聯網、物聯網、大數據、雲計算等新興技術的融合發展，開展理論創新、技術創新、應用創新，創造衍生更多新技術、新産業、新業态、新模式，更好地助力國民經濟和社會持續健康發展。
（有關報告系中國衛星導航系統管理辦公室提供本刊）