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科学北斗卫星为你做了什么？


2020 年 6 月 23 日 ， 一枚长三乙运载火箭在西昌卫星发射中心顺利点火、升空 。
经过近 26 分钟的飞行、调姿 ， 将位于顶部仪器舱的导航卫星送入预定轨道 ， 成功完成了北斗全球卫星导航系统的星座部署 。
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这是北斗三号的最后一颗全球组网卫星 。 7 月 29 日 ， 北斗官方宣布这颗卫星已经完成在轨测试 ， 正式入网工作 。
北斗系统究竟意味着什么？覆盖全球的精准定位到底有多难?
利用卫星实现导航定位的技术称为 GNSS（Global Navigation Satellite System）全球卫星导航系统 ， 今天主要有美国的 GPS、俄罗斯的格洛纳斯、欧盟的伽利略 ， 以及中国的北斗 。
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建设这样一个能覆盖全球的卫星导航系统并不容易 。
中国从 1994 年开始 ， 分三步建设北斗卫星导航系统 。
在 2000 年发射了两颗卫星 ， 建成北斗一号 ， 为中国用户提供服务；2012 年完成 14 颗卫星发射 ， 建成北斗二号 ， 服务范围扩大至亚太地区；2020 年完成 30 颗卫星发射、组网 ， 全面建成北斗三号 ， 覆盖全球 。
事实上 ， 北斗在 26 年间一共发射了 59 颗卫星 ， 目前除去退役、失效和用于试验的 ， 有 45 颗卫星正常在轨工作 ， 数量要多于其他三个系统 。
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此外 ， 北斗的星座架构也不同 。
GPS、格洛纳斯、伽利略的卫星基本都处在高度约 20,000 千米的中圆地球轨道 。 投影在地球上的是这种波浪状的运行轨迹 ， 卫星分时段覆盖不同的区域 ， 多颗卫星环绕覆盖全球 。
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而北斗除了在中圆地球轨道有 27 颗卫星 ， 环绕全球外 ， 还有 10 颗在倾斜地球同步轨道 ， 8 字形的轨迹可以增强亚太地区的信号覆盖；还有 8 颗在地球静止轨道 ， 能全时段服务于亚太地区 。
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更多的卫星和轨道类型增强了北斗对全球 ， 尤其是东半球的覆盖 。
这两张图是北斗和 GPS 现役卫星的运行轨迹 。
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而这是两者在全球任意地点可见的卫星数目图 ， 颜色越深 ， 当地可见的卫星越多 。 北斗在东半球大部分区域可见的卫星能达到 14~16 颗乃至更多 ， 在其他地区也至少能见到 6 颗 。
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那么这些卫星是如何实现全球定位的呢？
当你在地球上某个位置 ， 拿着一个可以接收卫星信号的设备 ， 比如手机 ， 而天上飞着卫星 ， 此时想要求取你在空间中的坐标 x、y、z ， 关键是测量卫星跟你之间的距离 S 。
首先 ， 通过卫星的星历数据能计算出卫星的坐标 x1、y1、z1 ， 这些是已知的 。
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只需要根据勾股定理求立方体的对角线长度 ， 就能用这个式子表示卫星跟你之间的距离 S 。
其次 ， 卫星发出的电磁波信号也能测距 。 已知电磁波传播的速度 ， 光速 c 每秒近 30 万公里（299,792,458 m/s） ， 乘上电磁波从卫星发出到手机接收所耗费的时间 tB-tA ，即为距离 。


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