配有北斗卫星导航系统的共享单车。新华社发
搭载北斗卫星导航系统的插秧机。新华社发
我国北斗三号全球卫星导航系统最后一颗组网卫星在西昌卫星发射中心点火升空。新华社发
打开手机，地图App上的光标精准标识出你的位置；点外卖，屏幕上的移动轨迹显示外卖小哥与你的距离；按下开始，无人播种机在金黄的麦田里划出笔直线条……从田间耕耘到都市交通，从指尖便利到智能作业，北斗卫星导航系统用精准时空为现代生活提供了无限可能。
不久前，中国卫星导航系统管理办公室发布一则消息：为提供更加优质服务，北斗卫星导航系统将于近期实施在轨升级，对部分卫星的工作状态进行优化调整。为何这套系统需要持续“进化”？它究竟如何从数万公里的高空，精确地参与每一次出发与抵达？它又如何成为支撑数字中国运行的基石？
卫星怎么知道你在哪儿
“如果在陌生的地方迷了路，怎么办？”对于这个问题，今天的人们给出的答案可能会惊人的一致：用手机导航啊！的确，大家已经习惯了用手机解决“我在哪，我要去哪，我怎么去”的问题。而手机导航依靠的正是卫星导航系统。
其实，无论是GPS，还是北斗卫星导航系统，卫星导航系统解决的只是获得位置，即“我在哪儿”的问题，人们经常使用的路线规划和导航功能则是依靠地图类App来实现的。
这是怎么做到的呢？首先，要搞清楚卫星导航系统是如何诞生的。1957年10月，世界上第一颗人造地球卫星——斯普特尼克一号成功发射，开启了空间探索时代。之后科学家发现，通过接收斯普特尼克一号发射的信号，可以测量卫星信号的多普勒频移，从而确定卫星轨道。于是，有科学家提出，如果已知卫星轨道，那么测量多普勒频移的接收机是不是可以反过来推算自己的位置呢？基于这一思想，第一个卫星导航系统——子午仪系统诞生了，开启了卫星导航时代。
但子午仪系统卫星数量少，不能实现连续、实时定位，只能用于船舶等慢速载体。1995年，全球第一个真正意义上的全球性、全天候、连续、实时的卫星导航系统——GPS正式运行，从根本上解决了实时定位的问题。
既然GPS可以用，为什么还要花这么多钱建设北斗？这是因为，在金融、通信、能源等领域，精准的时间和位置是保障国家重要设施安全的基础。如果没有自主可控的北斗卫星导航系统，国家重要设施的时间和位置保障只能依赖GPS或其他卫星导航系统，存在巨大安全隐患。如同登山的保险绳不能掌握在别人手中一样，建设北斗的必要性不言而喻。
与GPS不同，北斗卫星导航系统的服务种类更加丰富，它创新融合了导航与通信能力，具备全球定位导航授时、星基增强、精密单点定位、全球短报文通信、区域短报文通信、地基增强和国际搜救7种服务能力，而GPS仅提供全球定位导航授时服务。其次，北斗三号全球星座是由地球静止轨道、倾斜地球同步轨道、中圆地球轨道三种轨道卫星组成的混合星座，而GPS仅有中圆地球轨道卫星。
诚然，北斗卫星导航系统在发展过程中也存在一些劣势。GPS发展较早、应用广泛，北斗卫星导航系统的服务经验尚不够丰富，服务水平存在提升空间，此外，GPS的“先发制人”也让北斗卫星导航系统在推广应用过程中面临较大困难。但随着服务的不断进步与提升，北斗卫星导航系统的应用产业正在不断壮大。
从“双星定位”到“全球服务”
北斗卫星导航系统的建设共经历了三个阶段。从1994年北斗一号系统工程正式立项，到2000年北斗一号系统正式建成并投入使用，只用两颗卫星，就具备定位、授时、报文通信与位置报告能力，让我国成为世界上第三个拥有卫星导航系统的国家。
虽然北斗一号仅服务中国地区，并且需要终端主动给卫星发射信号并且接收卫星信号才能定位，但它巧妙地设计了双向短报文通信功能，与GPS只能知道“我在哪里”不同，北斗一号不仅可以让用户知道“我在哪里”，还能让别人知道这个用户在哪里，这种通导一体化的设计，是北斗系统的独创。
1998年，在北斗一号即将建成之际，我国启动了北斗二号的论证。由于当时国内经济基础薄弱，航天技术水平相对较低；受国土限制和其他因素影响，发射中圆地球轨道卫星完成全球组网需要在海外建站。于是，北斗二号提出先建设区域系统，保障中国及亚太区域导航，条件成熟后再建设全球系统的发展思路。
2020年7月31日，北斗三号全球卫星导航系统正式开通，面向全球用户提供全天候、全天时、高精度、高可靠的定位、导航、授时服务。从北斗一号的双星定位，到北斗二号的混合星座设计，再到北斗三号的星间链路创新设计，北斗卫星导航系统走出了一条具有中国特色、充满中国智慧的发展之路。
值得注意的是，北斗卫星导航系统可不仅仅是天上的北斗卫星星座（亦称为空间段），还包括地面运行控制系统（亦称为地面段）和手机、电话手表等导航终端（亦称为用户段）。其中，由监测站、主控站、注入站组成的地面段负责计算卫星需要播发的参数信息以及生成卫星控制指令，并发送给卫星，空间段的卫星负责发送导航信号，用户段的终端则负责接收导航信号以解算自身位置，三者协同工作，缺一不可。
对用户而言，北斗卫星导航系统发送的导航信号中，最重要的内容是导航电文。这是一连串不停重复的基本信息：“我是第N号卫星”“这里现在是何时间”“我当前的坐标”“我的卫星‘朋友们’当前的大概坐标”……用户终端接收到导航电文后，根据测距码计算出与卫星之间的距离，从而计算得到“我在哪儿”。
此外，北斗卫星导航系统的信号经过精心的信号体制设计，具备优异的信号质量和性能，确保了高质量测量和信息传输，同时设计了多种信息传输通道，让用户可以根据自己的服务需求选择使用不同的信号。
“北斗+”“+北斗”
如今，北斗卫星导航系统已在130余个国家落地使用，其应用范围远超地图导航的范畴。智慧城市管理、电网同步运行、金融交易精准时间戳等都时刻离不开北斗系统提供的时空信息。它已成为与水、电、网络同等重要的新型基础设施，广泛进入大众消费、共享经济等民生领域，全面应用于交通运输、公共安全、救灾减灾、农林牧渔等场景，以“北斗+”和“+北斗”的模式，打造日渐完备的“北斗生态”。
目前，大多数支持导航的电子设备中，都采用全球导航卫星系统兼容芯片，既可以接收北斗系统信号，也可以接收GPS等其他卫星导航系统信号。
例如，电话手表的全球导航卫星系统兼容芯片确定位置后，可将结果通过手机通信基站（如5G基站）发送至绑定的手机，从而实现对佩戴者的远程定位；共享单车可通过北斗芯片获得实时位置，在停车过程中与电子围栏（共享单车管理方在地图上标注的可停车区域）进行对比，使骑行者仅能在划定区域内锁车，从而有效规范共享单车使用行为；基于北斗卫星导航系统的无人驾驶农机，可以实现厘米级的精准播种、施肥和收割，极大提升效率和资源利用率……外卖骑手智能调度、无人机快递精准投送、高铁的安全准时等，背后都有北斗卫星导航系统的功劳。
北斗卫星导航系统的“独家秘笈”——北斗短报文也得到了广泛应用。2008年汶川地震后，灾区救援部队利用北斗短报文，在断网、断电的极端情况下，发回第一条灾情信息，不仅让指挥部实时掌握了救援队伍的位置与行进轨迹，更搭建起灾区与外界的通信桥梁。此外，我国飞机在飞行过程中，可用北斗卫星获取位置，通过北斗短报文将位置回传空中管理部门，以此实现对飞机的追踪监视，这也是北斗卫星导航系统独具特色的一种用法。
现在，回答开头的问题，在众多行业中大展身手的北斗卫星导航系统，为什么要进行在轨升级呢？答案是，北斗卫星的设计寿命通常为10~12年，当前在轨运行的北斗卫星既包含北斗二号又包含北斗三号卫星，其中部分卫星已超过了设计寿命。为了保障北斗卫星导航系统的服务质量，优化升级是必然选择。与手机通过软件升级更新系统类似，北斗卫星可以通过地面段向在轨卫星上注软件，从而完成北斗卫星导航系统能力的升级。
同时，为确保始终提供高质量的定位导航服务，北斗系统的空间段、地面段、用户段都需要不断进行技术创新与升级。
北斗未来依可期！
（作者：张爽娜，系中国航天科技集团五院研究员）
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