四国争霸，中国北斗后发先至优势何在？
导言
在西方星座里，北斗属于大熊星座，形似长勺的七颗星绕着北极星转动千万年才稍有位移，一直被认为指示方向的重要标志。而在中国二十八星宿体系里，北斗不光有着同样的功能记载，甚至被赋予极高的象征意义。《甘石星经》里写道“北斗星谓之七政，天之诸侯，亦为帝车”，定四季、分寒暑。而到了现代，中国的“北斗”将扩展至35颗“星”，施展更强大的天眼作用。
北京时间2017年11月5日19时45分，中国在西昌卫星发射中心用长征三号乙运载火箭，以“一箭双星”方式成功发射第二十四、 二十五颗北斗导航卫星。此“北斗”指的是北斗卫星导航系统，共计35颗卫星组成，截至目前，中国已经发射总计25颗北斗导航卫星，其中仍在轨工作的有约20颗。
北斗卫星导航系统背后究竟隐藏着怎样的科技密码？它又与人类生活有何干系？而目前，中美俄欧洲四大卫星系统割据，北斗又如何在激烈的全球竞争中自立，甚至改写格局？
无处不在的“北斗”
不论是北斗一号，还是目前处于第二步的北斗卫星导航系统，已经不知不觉渗透至人们生活的方方面面。
据了解，北斗一号首次成功应用是在2008年汶川地震期间，彼时高度依赖光线和基站的电话、短信、互联网全面瘫痪，北斗一号基于无源地位和短报文通信功能，对当时的定位搜救起到了至关重要的作用，成为了救援指挥部队和前线救援人员最佳通信工具。北斗二号用途则更多更广泛，据统计有200多项，包括战争国防领域、精细农业、灾害监测、土地水利、智能电网、渔业林业、测绘、移动通信等领域，目前华为、中兴、小米、魅族等大众化中国手机品牌也陆续支持北斗卫星导航系统。
2014年11月17日至21日，国际海事组织（IMO）海上安全委员会第94次会议在英国伦敦召开，审议通过了对北斗卫星导航系统认可的航行安全通函，标志着北斗卫星导航系统正式成为全球无线电导航系统的组成部分，取得面向海事应用的国际合法地位。北斗卫星导航系统成为继美国GPS、俄罗斯GLONASS后的第三个全球卫星导航系统，服务世界航海用户。
对于航海和渔业相关的从业者而言，北斗二号的双向短信功能在救险方面得到了完美应用，遇到险情后一键求救，终端会自动把附带着定位信息的求救短信通过卫星发给岸上的救援队，实现了“GPS+海事卫星电话”的功能，更加方便也更便宜。锦上添花的是，渔业省份在岸上搭建基于北斗二代的渔业信息服务基础设施，还能通过卫星给渔船发送实时的天气、海浪、赤潮、鱼汛消息，保障他们顺利出海、满载而归。
交通领域里，北斗系统的作用则不言而喻。在“两客一危”政策规定中，从事道路班线客运、旅行包车、危险货物运输车等都必须安装电子定位装置，并将运行信息及时接入到全国的联网联控系统中，在交通管理部门的监控大屏幕上，车辆的运动状态一目了然，超速闯禁行等违规驾驶行为会自动报警，这项保护民生安全的法规便以北斗二号为依托。
除了行车安全，北斗二号还能起到监控公车私用、车辆行驶路线等作用，数据实时保存，在追责方面能做到公正不阿。眼下政府明令特种车辆装备北斗二代，在路灯杆、信号塔等地方架设北斗设备，其目的即形成北斗的地基增强系统，与天基的卫星相互配合，可达到米级以下的实时定位精度，为智慧城市、智慧交通打下牢固基础。
中国卫星导航系统管理办公室主任冉承其表示，中国现已建成覆盖全国的北斗地基增强框架基准站网，初步完成基本系统研制建设，正在进行广域实时米级和分米级，以及北京地区厘米级、后处理毫米级定位精度试验。随着北斗地基增强系统建设加速推进，北斗高精度位置服务平台、特色应用服务也为北斗产业发展提供了新抓手。
2016年第七届中国卫星导航学术年会期间，由中国兵器工业集团公司和阿里巴巴集团共同出资设立的千寻位置网络有限公司，还对外发布了“千寻跬步”、“千寻知寸”、“千寻见微”等一系列高精度位置服务产品，囊括厘米级以下的技术，其中亚米级定位精度可以运用在手机、车载设备、智能穿戴等，厘米级则可应用于精细农业、自动驾驶、驾考驾培、无人机等领域。
在军事领域，近年来北斗已经成为重要的信息化指挥手段，不仅嵌入到各种大型武器发射平台，还广泛应用于单兵侦察和分队作战之中，2014年朱日和阅兵、2015年山丹实兵实弹演习中，也有北斗导航系统的身影。作为新型指挥导调数据传输设备和移动通讯设备，北斗还起到可视网络化导控裁评系统的功能，抗电磁干扰力强、传输快，成为演习中裁决打分的智能角色。
近日，8个亚太国家的19名专家专程到中国接受“北斗”导航系统相关技术与应用培训的消息引发外界联想，有专家称中国“北斗”系统或成朝鲜导弹技术和无人机技术提升的催化剂。
四国争霸 精度成终极较量场
今年2月，中国第五颗新一代北斗导航卫星（也是第21颗北斗导航卫星)发射。据了解，新一代北斗卫星的元器件国产化率超过90%，包括卫星上的核心芯片、星载原子钟均为中国自主研发，进一步掌握技术“自主权”。今年9月20日中国航天科技集团公司对外宣布，中国北斗三号全球定位系统所有核心技术都已攻克，产品已经进入研制生产环节，35颗北斗卫星全球组网计划将于2020年完成。
从北斗系统整体技术层面来看，其差异化和优势在于创新性利用倾斜地球同步轨道卫星（IGSO），加快了北斗系统在中国及周边地区的投入使用，而独有的无源定位和短报文通信功能，则取代GPS更广泛应用于野外作业、突发灾害等场景，另外三频信号加之地基增强系统等，北斗系统的精度也不断提升。
但在任何全球卫星导航系统里，卫星定位的计算工作核心都在于芯片与原子钟，其中芯片用于解读卫星发来的信息，并进行相关运算，而原子钟则是为了保证时间的精度。卫星播报自己位置时会附上信息发出的时间，终端设备在接收到信息后，用当前时间减去发送时间再乘以光速（3x10的八次方），最终得出终端与卫星的距离。而即便是再微小的误差，因为需要乘以光速，最终的结果亦都会差之千里，因而原子钟显得尤为重要。
它是世界上已知最准确的时间测量和频率标准，其原理来自原子共振--围绕在原子核周围不同的电子层具有能量差，当原子从一个“能量态”跃迁至低的“能量态”时，它便会释放电磁波，这种电磁波特征频率是不连续的，而每一个原子都有自己特定的振动频率，通过精密仪器测量控制，可以得到最准确的时间计量，达到每2,000万年才误差1秒。
早些时候，中国卫星芯片和原子钟都高度依赖国外进口，当中国宣布自主研发北斗系统，西方原子钟便停止对中国出口。曾经有统计指出中国卫星导航芯片市场高达95%的已被美国GPS芯片占领，而中国大部分企业不具备研发此类多模导航芯片的能力，这是北斗卫星导航应用产业化的重大瓶颈之一，如果问题无法解决，中国的导航芯片产业也将继续在低产品附加值状态徘徊。
所谓祸兮福所依，是瓶颈也是重塑的机遇，此后中国开始了自主研发之路，而现阶段北斗二代的铷原子钟，精度为2×10的负14次方秒/每天，等于运行50万亿天才会有一秒的误差，已经不亚于伽利略系统和GPS第二代系统的精度。
航天科技集团北斗二号工程卫星系统总师杨慧曾向中国科技日报记者介绍，北斗三号系统在设计之初，就把目标放在比肩尚未发射的第三代GPS导航卫星以及欧洲伽利略导航系统的设计指标上，定位精度超过2米，寿命延长达12年。冉承其则表示，在北斗二号性能的基础上，北斗三号系统的定位精度将提升1至2倍，可以达到2.5米至5米的水平，并在保留北斗二号短报文功能的同时提升相关性能。
而且在北斗三号卫星的设计上，杨慧表示，该系统的建设独具特色，将采取星间传输、地基传输功能一体化设计，实现了高轨、低轨卫星及地面站的链路互通，在地球另一面的北斗卫星，虽然我们‘看不见’，但头顶的北斗卫星能与它们取得联系，卫星之间可以利用星间链路，实现相互间的通信和数据传输，还能相互测距，自动保持队形。这能使卫星更“自主”，减轻地面的管理维护压力。
与此同时，中国还完成了北斗地基增强系统第一阶段，包括150个框架网基准站、1,200个加强密度网基准站、国家综合数据处理中心、6个行业数据处理中心等的建设任务。2017年6月，北斗地基增强系统开始提供初始服务，可提供米级、亚米级、分米级，甚至厘米、毫米级的服务，初期可以满足共享单车电子围栏的需求。预计2018年完成北斗地基增强系统第二阶段建设，进行覆盖全国主要区域的米级、分米级定位精度，以及加密覆盖区厘米级和后处理毫米级修正数的试播发。
北斗后发先至优势何在？
在卫星导航应用的消费领地，中国、美国、俄罗斯和欧洲四大卫星导航系统均不愿放弃，但中国夺取中国乃至亚洲市场控制权谈何容易？据European Globla Navigation Satellite Systems Agency 在2015年3月的报告显示，根据卫星导航产业全球排名前 31 家公司超过300组的数据调查来看，美国GPS应用率排名全球第一，GLONASS 其次，伽利略则略超过北斗。北斗系统起步最晚，远不比发展20多年的GPS，以及35年前就已启动的GLONASS，但相比GLONASS和伽利略，近年来北斗系统优势不小。
欧洲的伽利略计划发起于1992年，发展过程中也曾有中国的影子。2003年中国承诺投资2.7亿美元参加欧盟的伽利略全球导航卫星项目开发，但到2007年中国突然被欧洲故意冷落，所有伽利略项目的重大决策都被排除在外，理由是安全和知识产权等问题。
据行业人士表示，伽利略计划胜在精度，归根结底是原子钟的研发更为先进，后者也将是四国卫星导航较量的终极战场。但近年来欧盟发展缓慢，也许是因为研发谨慎，抑或是各国间的利益博弈，2010年伽利略计划发射首颗卫星，截至目前一共才有4颗卫星问天，与其原定2008年实现商用计划相去甚远。两相对比，中国升空三颗倾斜同步卫星便初步实现全境覆盖，加速技术向市场转化速度，伽利略已经略显颓势。
GLONASS 是由俄国政府所打造的全球卫星定位系统，启动于上世纪70年代中期，但过程中由于经济问题发展也几近停滞，获得政府拨款36亿卢布后，直到2010年10月俄罗斯才补齐了另外的24颗卫星，2012年初GLONASS最后一颗卫星升入太空，目前其空间星座中包含有27颗工作卫星和三颗备用卫星。GLONASS 影响力不如GPS，但因其卫星频率与GPS不同，因而在抗干扰性方面更胜一筹，目前市面上为了得到更好的定位效果，很多设备同时搭载GPS和GLONASS芯片。
总的来说，北斗相比GLONASS功能各有侧重，前者独有双向通信功能，而后者胜在精度，GLONASS有着先发的完善性，但中国在北斗系统上的投入资金不亚于GLONASS，对比已经成熟的GLONASS，北斗系统的发展潜力也更大，而且未来中国建立“地基增强系统”，实现厘米级以下的定位功能，GLONASS的精度优势或许会被削弱。
至于美国GPS，北斗系统仍然相去较远，但至少目前来说，中国已经无惧美国垄断，在军事方面，中国被赋予强大的威力与坚韧的生命力，而在民用层面，北斗系统也可以与GPS争抢市场蛋糕，未来还将走出去，陆续在泰国、斯里兰卡打造北斗国际合作“样板间”，将北斗科技合作推广至东盟10国及更多亚非国家。恰逢智能时代，社会对信息需求日益旺盛，技术迭代日新月异，这也是北斗系统实现弯道超车、换道超车，打造全球竞争优势的最佳时机。
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