无尽的星空就像一本无字的天书，

    闪烁的繁星不仅给我们光芒，

    还给了我们导航。

杨元喜 · 中国科学院院士

格致论道第97期 | 2023年5月27日 北京
 

    我们人类认识事物的变化，都是从时间和空间开始的。我们的日常生活、每天的出行都需要导航和定位。约会时必须要明确是什么时间、什么地点。去购物、寻医甚至如厕，都要大概知道应该往哪个方向走。这就叫定位导航和授时，我们把它叫做PNT，P是Positioning（定位），N是Navigation（导航），T是Timing（定时）。
 

▲广州5G智慧城市（图片来源：veer）

    现代城市的高效运行同样离不开时空。没有时间，就没有稳定的电力。没有电，大家想象会是什么样？没有时间，我们的5G通讯就可能中断。在座的各位如果没有手机，今天该怎么工作？同样地，我们的金融系统、网络通讯系统也可能会瘫痪。我们的物流、交通、无人驾驶以及无人机的编队……哪一项能离开时间，哪一项能离开空间呢？ 

▲无人机（图片来源：veer）
 

    战争也离不开时空。无论是古代战争还是现代战争，哪一场战争能离得开时间和空间？单兵作战、集团作战、联合作战、武器载体、指挥平台等等……没有时间没有空间，怎么联合？任何一场战争，首先得知道我们往哪儿打，我们自己在哪里，我们的友邻部队在哪里，我们如何才能打到那个地方去，我们什么时间开始行动。 

▲上：南水北调工程

下：高铁建设工程

（图片来源：veer）

    大型工程离得开时间，离得开空间吗？同样离不开。所有大型工程的运行都需要位置，国家的高速公路、高速铁路的建设能离开位置吗？大型的水利工程不但要位置，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”工程建设，我们不但要公路、铁路、航路、水路，还要有信息高速公路。这些都离不开时间和空间。
 

    因此，我想给大家汇报一下“定位导航”和“定时”。
 

    我们每时每刻都在定位、导航与定时

    首先我要回答一下什么叫导航。导航就是确定当前位置和目标位置，并参照地理、环境信息修正航线、方向、速度抵达目的地的手段。什么叫定时？定时就是利用外部授时信息和自身守时信息共同确定时间的过程。
 

    各位手上拿的手机，有授时也有守时，也有多种定位方法。那么我们的问题是——定位就是导航吗？
 

    定位不等于导航。定得了位，不一定导得了航。定位要加上制导或者参照，才叫导航。那么定时呢？能够随时获得外部的时间信息再维持时间信息，还能传递时间信息。这个是定时。
 

    所有的人来到这个会议室之前，都导过航吧？你可能说这里我很熟悉。但即使你再熟悉，你也得用视觉观察你的路径，然后和你大脑里面记忆的那个路径做景象匹配。这个叫做匹配导航。所以我们日常生活中每时每刻都在用导航能力。
 

▲上：司南、罗盘

下：悬挂式指南针、指南龟
 

    早在大约公元前2697年，我们的祖先们就发明了导航的装备——指南针。我认为这是我们中国人对国际导航事业做出的极大的贡献。后来，他们利用地磁场的南北极属性，把两极的磁体组成一个罗盘。有了罗盘就可以指方位，指出方位就能知道我和北方向大概差多少方位角。这样就可以定向。
 

    秦汉时期，中国和朝鲜、日本的海上往来；隋唐五代，中国和阿拉伯“丝绸之路”的往来；以及宋代南太平洋和印度洋大洋上大量的中国商船，都是靠指南针导航和天文导航。明初航海家郑和七下西洋靠什么？靠指南针，靠天文导航。 

    说到天文导航，其实无尽的星空就像一本无字的天书。闪烁的繁星不仅给我们光芒，还给我们导航。星体本身是按照特定的规律在运行的。如果我们把这个特定的规律制成星表，就可以通过观测某一个恒星或者几个恒星的位置知道自己的经度、纬度。
 

    在浩瀚的海洋、在无垠的大漠、在群山峻岭当中，看星星、看太阳就能定时，就能定位。所以，天文导航就是通过观察太阳和其他恒星的位置来确定地面点的经度和纬度。
 

    有个美好的传说，有一天，福建泉州渔民划着小船在海洋上打鱼。当他们打了一船鱼高高兴兴地想回码头的时候，天空一片漆黑。这对渔民来说几乎是灾难，他们没有任何自救的能力。好在很短暂的狂风暴雨之后，天空一片晴朗。渔民们看到了北极星，兴高采烈地唱着渔歌，回到了码头。为什么？因为有北极星，他们就能大概知道码头的方向，向那个方向行驶就可以。 

    实际上在隋朝，我们的国家已经发明了日晷。大家到了北京，会发现那里的古建筑中有很多日晷，我这个图就是在那拍的。
 

    日晷它可以分为平面晷和斜晷。斜晷是黄赤交角23°角的晷，可以通过测晷影的方向来定时间，通过测晷影的长度来定纬度。观察日影的方向，还可以确定太阳时。 

    在元代，我们的祖先们就已经建了27处天文观测站。这些观测站可以测黄道和赤道的交角。 

    郭守敬主编了《授时历》，把一年分成365.2425天，和现在相差无几，非常精确。从公元1281年颁行，《授时历》延用了400多年。这也是我们祖先对时间的贡献。 当然，导航还有惯性导航。它可以利用惯性敏感器测量加速度，计算出速度，从而可以确定相对的位置、相对的距离。如果还有初始位置，那么我们就可以确定载体的动态位置。惯性导航有很好的隐蔽性，在舰船飞机上被大量使用。
 

    还有一种导航叫匹配导航。我刚才说，各位朋友来到这里都用过匹配导航。如果制成地图，大家在一个陌生的地方通过看地图找到要去的地方，这就是典型的匹配导航。
 

    其实匹配导航在古今战争里都被广泛使用着，甚至现在的巡航导弹都在用匹配导航。一旦北斗失灵、GPS失灵，就可以用地图进行匹配导航。 

    世界上现存最早的以实测为基础的地图——驻军图，就是长沙马王堆三号墓出土的画在帛上的地图。在那个时候，那就是一张精确测量的军事地图。
 

    除了几何导航之外，匹配导航还可以利用重力场、磁力场。世界上每一个地方的重力场都是不一样的，每个地方对我们的引力都有微弱的不同。我们可以通过传感器测引力、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，就可以知道自己在哪里。在水下没办法找北斗导航的时候，就可以用磁力导航和重力导航。
 

    无线电导航就更不用说，它可以测速、测向，包括了陆基无线电导航和星基无线电导航。北斗、GPS就是典型的星基无线电导航。
 

    创新是“北斗”的唯一出路

    我再跟大家简短汇报一下北斗导航。北斗导航在建设之初，遇到了很多的挑战。作为国家重要的基础设施的基础设施，这是我的描述，它必须得做到自主、可控。
 

    “自主”就意味着不能依赖他人的技术。因为依赖就得顺从，就得受控制，就得交学费，就得看脸色。作为国家的空间基础设施，还得要做到“可控”。“自主”不等于“可控”。有的项目做到了自主，但是技术不可控。中国的北斗无法照搬GPS、Galileo（伽利略）等全球导航卫星系统（GNSS），因为重要的技术都有专利，我们要发展自己独立自主的卫星导航系统就会面临极大的挑战。留给我们北斗人做的工作只有一条出路——创新。
 

    北斗系统建设不但要“标新”，还得“立异”。“标新”不光是追求表面的靓丽、追求名词的新颖，还要追求技术的突破和性能的超越。“立异”不是为了花哨，也不是为了哗众取宠，而是追求丰富的功能和鲜明的应用特色，否则就不可能有市场。因为前面有GPS、有GLONASS（格洛纳斯）。
 

    所以没有标新的设计，北斗就不可能有高性能；没有立异的功能，北斗就不可能有市场。无论是“标新”或者“立异”，它都要求北斗卫星导航系统必须管用、必须有用、必须好用。
 

    这个好用不能只靠我们北斗人说。北斗是个透明系统，全球的用户都可以监测它，都可以对它做出评价，我们的评价有时候还不算数。 

    在20世纪80年代，中国在决定构建北斗卫星导航系统之初，确定了“三步走策略”。 

    第一步，解决有无问题。我们把它叫做验证系统BDS-1“北斗一号”。它只发两颗卫星，是有源定位，从此解决了有和无的问题。 

    第二步，我们希望把有源和无源结合起来，于是发展了“北斗二号”。北斗二号服务于亚太地区，做到了有源和无源相结合。用户不请求定位，它也能定位。“北斗二号”在2012年年底正式开通服务。
 

    到了“北斗三号”，我们就做到了全球的定位导航，实现了区域到全球的突破。2020年7月31号，中国正式向全世界宣布：中国北斗卫星导航系统向全球用户正式提供服务。这表明全球导航卫星系统体系里有了中国的卫星导航系统的贡献。
 

    说到卫星导航系统，大家是不是觉得太高大上了？是的，的确是高大上，因为它是高新技术。但是它又极其地简单。
 

    图中画的这些铁塔就是我们的大地测量控制点。大地测量工作者先把这些点的位置测出来，卫星发射信号时地下所有的点就能接收它的信号，之后就可以测时间差、测距离，就可以把第1个卫星的轨道和位置算出来，第2个、第3个……直到把所有卫星的轨道和钟差全部算出来。如此，汽车接收卫星的信号就可以导航。因为卫星的位置已经知道了，再加上卫星的位置和时间差，我们解个四元方程还难吗？不就是高中的解析几何嘛。
 

    卫星导航就可以简单到这种程度。
 

    同学们就该说了，这么简单的东西竟然需要那么多科学家花国家那么多钱。其实，在解决这个几何问题之前，我们还有其他的问题要先解决。
 

    要把时间测准，得考虑原子钟怎么研制；要把坐标测准，要知道坐标基准怎么来的……等等一大堆的问题。空间信号位于太空当中，要传到地面来还得解决电离层和对流层的延迟。除此之外，还得解决一大堆其他的物理问题。
 

    “北斗三号”星座有多厉害？

    “北斗三号”是由30颗卫星组成的。其中有3颗地球静止轨道卫星（GEO），3颗倾斜地球同步轨道卫星（IGSO），还有24颗中圆轨道地球卫星（MEO）。 

    我们在信号上做了创新设计，因为不能用GPS调制的信号，实现了全星座的星间链路。
 

    我们设计了区域短报文，还用支持1000个汉字通信的全球短报文，这样特殊的用户就可以使用北斗的短报文。
 

    我们构建了全球搜救，不但有一般的搜救功能，还设计了返向链路。这样就能确保我们中心收到用户的求救信号以后会给用户反馈，告诉用户我们收到信息了，还会告诉用户大概在什么位置我能找到你。这样就能确保用户不会一直不停地发求救信号。大家知道，一个人遇到危机的时候，会有很强的求生欲望，所以就会不停地呼救，有时就会导致搜救队员快到达的时候设备没电。特别是在海洋上，经常会因此搜救失败。所以我们改善了一下，加了一个返向链路。
 

    另外我们还做了星基增强。GPS、GLONASS、Galileo都另外做一套系统。但我们北斗不同，我们把星基增强直接嵌入北斗卫星，可以支持飞机自行盲降。
 

    我们实现了自主定轨功能，构建了云平台运控，让北斗卫星导航系统不受单一系统的控制。
 

    北斗的3类卫星星座中，GEO卫星的功能是最强大的。它除了PNT导航定位授时之外，还可以做星基增强，也可以做区域短报文服务，甚至可以做精密单点定位。
 

    传统精密单点定位就是能通过国际互联网，让用户获得导航星座精密轨道和精密卫星钟差，从而高精度的计算自己的位置。
 

    大家想想，假如我在荒漠、高原或者海洋，那个地方没有5G，没有网络，怎么能得到这些信息？
 

    我们想了一个办法，就是把这些信息直接上注到北斗的同步卫星上，然后通过同步卫星播发给用户。这样不就解决了吗？这就是我们的一个创造，把精密单点定位嵌入到北斗卫星里面播发给用户，所以用户可以免费获得高精度的定位。
 

    我们还有一个星座是55°倾角的倾斜轨道星座IGSO。这个星座不但可以给我们导航定位，还可以做其他的增强，也能参与全球短报文服务和国际搜救。这个卫星星下点主要是在中国和亚太地区画“8”字。
 

    另外还有24颗MEO，它们的倾角也是55°，可以提供全球高精度定位，还可以提供全球短报文服务和国际搜救。
 

▲图片为2022年2月iGMAS全球监测结果
 

    在性能上，北斗目前的水平定位精度怎样呢？我们有4个频点在工作，2022年2月的全球监测结果显示其中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，我们更好。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，我们比Galileo略差。
 

    在亚太地区，我们能达到的水平定位精度是1.32m，垂直精度2.14m；全球范围内，能达到的水平精度大概是1.53m，垂直精度是2.59m。这就是北斗的服务性能，与GPS相当，甚至更优，也优于俄罗斯的GLONASS。
 

    在区域短报文方面，我们用了3颗静止轨道卫星，使用户可以在亚太地区使用区域短报文服务，也就是说，用户可以在没有手机网络信号的情况下用北斗的短报文通信。它对海洋、沙漠地区的用户来说极其地方便。目前服务上行容量是每个小时大概1530万次，下行是每小时935万次，成功率高达99.6%。
 

    我们的有源定位即RDSS，可以用于位置跟踪，水平精度在10米左右。
 

    嵌入式的精密单点定位服务、星基增强，全球短报文、国际搜救，这都是北斗的特色功能。
 

    “北斗”系统的应用

    在应用上，北斗系统已经嵌入了手机，各位现在的手机都会有北斗；嵌入汽车就可以支撑智能驾驶；嵌入高铁，可以支撑高铁的平稳运行；嵌入交通、舰船、互联网、通讯、机械、农业、电力……都可以支撑我们社会的智能化运行。
 

    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？请大家注意那个天线（那个天线马上掉下去了），它是个抛洒的北斗。抛洒出去后依靠北斗短报文，就可以不停地向中心传输这个地方的变形量信息。特别是当它自己“牺牲”了以后，还会把信息传回来。这样的好处是可以迅速预警。在危机情况下，哪怕提前1分钟、提前20秒预警，也可以救很多人的命。这几年在甘肃一带已经有大量的成功案例。 
 

    目前的北斗已经成功用于国家坐标框架的监测。我们生活的这个地球不停地在变化，北斗可以监测它每天的变化量。 

    大家知道，珠峰登顶的人可以用GPS测高程，现在用北斗就更灵了。北斗可以在峰顶上进行精密单点定位且不需要返工，在山顶上就能知道测得对不对。本来冲顶就这么一次机会，冲到顶测得不成功，回来再返工，这是不行的。但是利用北斗在山顶就可以确定测得成功不成功。
 

    更重要的是，北斗有一个特殊的功能。尽管没有网络的支持，登山队员的整个登顶过程都可以被地面中心追踪到。我们可以知道哪个登山队员在什么地方，有全程的位置跟踪，所以至少保证登山队员不会失联。
 

    曾经中国到欧洲的班列上运输的中国电脑、手机经常会在半途中丢失，没有一个火车站承认是自己的错。现在没关系，那些设备上面都有一个北斗锁。在哪个站丢失的、在哪个站被打开过，全程有跟踪。这靠的就是北斗的位置跟踪和时间。在什么时间、哪一秒、什么时候被人动过，都会有全程的记录。 

    用北斗还可以进行精细农业。在广袤的农村，特别是东北，不需要基站就可以做到厘米级定位。精准施肥、精准治虫，都可以用北斗精密单点定位。 

    在海洋、民航领域，已经开启了北斗替代GPS。琼州海峡156座的航标已经全部替换成了北斗。2020年底，南海海区已经实现了北斗遥控遥测航标的100%的覆盖。而且民航的波音737-800完成了北斗加装审定。 

    维护安全更不用说了。索马里护航的导航通信靠什么？那个地方没有5G，北斗不但知道你的位置在哪里，还可以用短报文向总部进行汇报。 

    北斗可以搜救。我们有14万渔民，一旦在海洋上出现问题，遇险的渔船把SOS信息发给北斗，北斗发送到卫星地面站，地面站发送到服务中心，服务中心联系海上救援中心，工作人员马上搜查，通过位置跟踪就可以看到渔民附近有哪些船可以提供帮助，就可以进行紧急救援。 

    现在空间站的对接可以用北斗相对定位，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，需要疏散很多人。现在不需要。火箭上面有一个北斗终端，可以精确地进行位置跟踪，就能知道它落点在哪里，甚至还可以控制它。 

    北斗的产业这几年获得了极大发展。2023年《导航与位置服务产业发展的白皮书》上写道，2022年一年北斗的产值是5007亿元人民币，其中终端出货量就有3.76亿台/套，含北斗的手机有2.64亿部，含车载卫星导航终端大概1200万台套。
 

    未来的“北斗”会如何发展？

    那么未来，有了北斗是不是可以解决一切？北斗有脆弱性。一旦被遮挡、被干扰、被隔绝，它就不能工作。 

    所以我们在《中国定位、导航和定时2035发展战略》里面，构建了一个以北斗为核心的，包括了深空卫星星座、北斗星座、地基增强系统、海底基站、陆基导航和低轨卫星的，基于不同物理原理且由多种信息源构成的、从深空到深海、无缝的定位导航和定时服务基础设施体系。我们把它叫做“综合PNT基础设施”。
 

▲综合PNT信息源
 

    有了基础设施就解决问题了吗？解决不了问题。假如用户拿着一个手机，你不可能把那么多信息都收下来，也不可能把深空拉格朗日星座、北斗星座、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，需要弹性集成。 

▲弹性PNT应用模式
 

    如果收不到北斗信号，就应该转换成接收别的信号，做到弹性化。所以我们提出了一个“弹性PNT框架”。
 

    有了弹性PNT是不是就是最终模式呢？弹性PNT是一种高级模式，但是能不能从弹性PNT指向智能化PNT呢？这就是我们所提的，让专家的“知”专家的“识”上升到“智”，上升到知识图谱，上升到智能PNT。
 

    结束语
 

    建设北斗卫星导航系统是中国人对国际世界卫星导航系统的重大贡献，北斗卫星导航系统的创新设计成就了北斗的高性能，而北斗的特色功能又成就了北斗的特色市场。卫星导航有天然的脆弱性，所以希望在未来构建一个综合的、从深空到深海、无缝的综合PNT体系，再在这个基础上构建弹性化的应用模式。在弹性PNT的基础上，我们就可以把专家的知识加入进去，变成智能化的PNT服务。
 

    让我们共同关注中国的北斗，关注中国的PNT的基础设施建设，为中国的PNT建设做出我们应有的贡献。
 

    感谢各位！