2020年北京高考作文里提到：北斗系統一共有55顆衛星，每一顆都是北斗的“獨一無二”，每一顆都有自己的功用。導航，其實大家都非常熟悉。我們國家的衛星導航定位系統叫做北斗，它是全球覆蓋的衛星導航定位系統。那么不同衛星的信號到底是怎樣實現區分的？如果你想全面認識北斗衛星，你需要聽懂這7個“3”…

出品："格致論道講壇"公眾號（ID：SELFtalks）

以下內容為中國科學院空天信息研究院研究員徐穎演講實錄：

大家好，今天特別榮幸來到上海，挑戰一個以前從來沒有挑戰過的領域。我經常給大家做科普報告，但做脫口秀是第一次。

首先為大家介紹一下自己，我叫徐穎，來自中國科學院空天信息研究院，今天來給大家講講導航。

提到導航，其實大家都非常熟悉。對于很多人來講，導航基本上等于我們手機上的地圖軟件。剛才在后臺我們還在聊，大家今天是怎么到浦東圖書館的？有說打車的，有說開車的，有說坐公交車的，有說騎自行車的，還有開坦克來的。對，那位小朋友，把你手中的玩具坦克放下，不要再玩了，我們開始聽脫口秀。

其實，這是一個誤解，導航是一個體系化的科學，并不完全等價于我們手中的地圖軟件。今天為大家講解導航，首先要給大家介紹一個數字，這個數字是多少呢？這個數字是3。

為什么說這個數字是3？《道德經》中講到，一生二，二生三，三生三世十里桃花。所以我們只要把“3”這個問題說清楚了，我們也就了解了導航當中的科學。

首先，導航不僅僅等于我們的地圖，作為一個體系化的科學，導航包含三個基本要素：一個是時間，一個是位置，一個是引導我們從一個位置到達另一個位置的精準控制的過程，這個三位一體的體系我們才叫做導航。

接下來，我們要說的是導航的基本原理。我們至少需要幾顆衛星才能實現定位？三顆。因為我們每一個人的位置都包含經度、緯度和高度三個未知數。我們需要三顆衛星得到三個測量值，列出三個方程，才能夠求解出剛才的三個未知數。

當然通常來講，我們至少需要四顆衛星，因為還有時間的問題。所以，四顆衛星是衛星導航定位的基本原理。

那么是不是有了四顆衛星就解決了導航的所有問題呢？當然不是，俗話說一個好漢三個幫，一個籬笆三個樁，我們要解決導航問題也需要講到三大要素。一個是衛星，一個是地面監測站，還有一個是用戶終端。

衛星主要用來發射信號，地面站主要用來監測信號，而我們的終端就是跟大家接觸最多的了，比如大家經常用的手機就是一個終端。

當然除了手機之外，北斗還有各種各樣的終端，比如說我們的高動態、高精度、高靈敏度、抗干擾、反欺騙、小型化、低功耗、手持型、車載型、船載型、彈載型、星載型、機載型，還有我們的北斗手表、北斗鞋、北斗卡。各種各樣，應有盡有。走過路過不要錯過，全場兩元，全場兩元，兩元錢你買不了吃虧也買不了上當，請進來看一看。

當然我們的北斗產品就是這么全，但是有一個北斗產品真的沒有，就是前一陣我們剛剛辟謠的北斗地圖APP，它真的不等于北斗衛星導航定位系統，這個我們真沒有。

那么是不是有了衛星、地面段和終端，我們就感覺自己可以出任CEO，迎娶高富帥，從此走上人生巔峰，踏上不再迷途的北斗之路了呢？當然不是，我們還需要解決三個重大問題。

第一個問題是時間的問題。大家會覺得時間有什么關系？我面前有一個計時器告訴我現在的時間，假設今天的脫口秀是下午四點開始，您四點零一分到現場，我想工作人員也一定會讓您進來。那么我們為什么需要一個非常精準的時間呢？

這是因為在衛星導航當中，我們是通過時間乘以北斗信號的傳播速度來測量距離的。北斗信號的傳播速度是光速，跟驚奇隊長的飛行速度一樣，所以如果時間相差一秒，那么距離就會差出去3后面8個0這么大的距離。就像你本來要去麗江結果給你定位到了西藏，這時導航就沒有用了，還不如問百度。

所以我們要感謝物理學家，物理學家發明了原子鐘，把精度做到了10的負13次方這樣的量級。

這個精度意味著什么？意味著大概過去幾千萬年，時間的誤差才會過去1秒。也就意味著如果現在我們面前有一臺這個精度的原子鐘，那么當它回溯到上一秒發生誤差的時刻，我相信坐在臺下的一定不是你們，而是恐龍了。

第二個問題是位置的問題。有了時間后，我們還需要一個精確的衛星的位置。這個問題的解決要感謝上帝，上帝扔了一個蘋果，啟迪了夏娃，又扔了一個蘋果，啟迪了牛頓，于是我們有了牛頓三大定律和開普勒定律，我們可以開始算衛星的軌道，才有了衛星的精確位置。

解決了時間和位置的問題，我們還需要解決第三個問題，即如何讓系統共存，如何讓系統正常運行？北斗三號預計30顆衛星覆蓋全球，GPS24顆衛星覆蓋全球，當前我們能夠用的衛星數量已經超過了100顆。如何讓這么多的衛星在天上工作，而彼此之間不互相干擾呢？就像現場同時有100個人說話，我們怎樣才能分辨出每一個人，而不讓他被其他人的說話聲音所干擾呢？

我們有三種解決方案。第一種叫做時分技術，也叫作TDMA，也就是說我們有100個人說話，但分別在各自對應的時間，在1到100不同的時間段說話，這樣我們就能分清彼此說話的時間。

第二種叫做頻分技術，也叫作FDMA，也就是說讓每顆衛星發送的信號在不同的頻率，好比把人分開關在不同的小黑屋子里說話，小黑屋隔離效果好，那自然也就不互相影響了。

第三種叫做碼分技術，也叫CDMA，我們在不同的衛星上調制不同的碼元，給它附加特性來區分每一顆衛星的信號，好比讓不同的人用不同的語言說話，有的說英語，有的說普通話，有的說四川話，然后分別再找只能聽懂英語、普通話和四川話的人來聽他們說話，這樣也能區分不同衛星的信號。

解決完時間、位置和不同的發播方式這些問題之后，我們是不是終于能建成我們的衛星導航定位系統了呢？這個答案是肯定的。

?

我們國家的衛星導航定位系統叫做北斗，它是全球覆蓋的衛星導航定位系統，除了我國的北斗，全世界還有其他三個厲害的小伙伴，分別是美國的GPS系統、俄羅斯的GLONASS系統和歐盟的GALILEO系統。

除了這四大衛星導航定位系統外，其它的無論是日本建的還是印度建的，都屬于區域覆蓋，不能叫作全球定位系統。

北斗系統的建設不是一蹴而就，畢其功于一役的，北斗系統的建設也分為三個階段：第一個階段是2000年左右建成北斗雙星系統，也叫作北斗一號系統；第二個階段是2012年左右建成北斗二號系統，也叫作北斗區域系統，從有源定位系統變成無源定位的系統；第三個階段是到2020年左右要建成北斗三號系統，也叫作北斗全球系統，北斗全球系統在2018年已經完成了基本建設，也實現了對一帶一路地區的覆蓋。

有了這么多衛星，有了北斗系統之后，北斗系統到底能為我們提供什么功能？總的來說，北斗系統的功能可歸納為三種，第一種是可以提供一個非常準確的位置，就像今天大家在這里如果打開手機上的北斗系統，你就會發現你的位置是在浦東圖書館。

第二種是能提供一個非常準確的時間，因為它自身的時間很準，所以也可以給我們做一個非常精準的授時。在我國的電力、金融系統中應用廣泛。

第三種是北斗系統所特有的通信功能。北斗系統是全世界唯一一個具備通信功能的衛星導航定位系統。

所以，北斗系統作為一個基礎的時空體系，為我們提供了全方位的無處不在的時空服務。2018年我國的航天事業取得了巨大突破，總共完成39次火箭發射，第一次達到世界第一發射數量，其中北斗完成了18顆衛星的發射。我們不僅擁有中國精度，我們也擁有中國速度。

作為一個航天人，我們為祖國驕傲，也為中國航天自豪，在未知的大航天時代面前，充滿了無限種可能，從太空旅游到太空殯葬，從太空發電到太空采礦，人類在用想象力和技術力挑戰著廣袤無垠的宇宙空間。

雖然前路漫漫艱難險阻，但我們只能一往無前，無問西東。謝謝！

“格致論道”，原稱“SELF格致論道”，是中國科學院全力推出的科學文化講壇，由中國科學院計算機網絡信息中心和中國科學院科學傳播局聯合主辦，中國科普博覽承辦。致力于非凡思想的跨界傳播，旨在以“格物致知”的精神探討科技、教育、生活、未來的發展。獲取更多信息。本文出品自“格致論道講壇”公眾號（SELFtalks），轉載請注明公眾號出處，未經授權不得轉載。