按照北斗35颗卫星的设计布局，2018年无疑是北斗建设史上最核心的一年，也创下了全球卫星导航系统组网最快纪录。世界四大系统中，美国GPS系统最快纪录为一年6星，苏联/俄罗斯格洛纳斯（GLONASS）系统为一年9星，欧洲伽利略（Galileo）系统为一年6星。
毫不夸张地讲，北斗今年的建设速度是空前的，随着2019年继续布网剩余卫星、且前期卫星陆续度过调试期正式服役，北斗将彻底点亮全球。
2018年11月16日北斗卫星全球可见情况，目前亚太地区已经逐步点亮，全球建网仍在进展中（图自：beidou.gov.cn）
为什么建设北斗系统？
想必会有很多人问起这个问题：成熟的GPS系统已经发展了30多年，商业规模化做得非常廉价、高效，为什么还要花巨额资金建设自己的北斗系统？
事实上，GPS本质是一个军用卫星导航系统，隶属于美国空军，常年保持32颗在轨工作。这个系统主要包含军用码和民用码两种信号，显而易见，军码和民码的精度级别不在一个量级，前者是毫米级别，后者是分米级别（还是美国取消信号干扰后）。
依赖GPS导航的战斧式巡航导弹是“外科手术式打击”的著名武器之一（图自：Wikipedia）
GPS的出现，为人类战争史贡献了一个新词“外科手术式打击”，该词起源于1990年的海湾战争，GPS精密制导武器崭露头角。最典型的例子是原本需要数十架轰炸机、投弹数百吨才能完成的水坝轰炸任务，变成仅需2枚导弹在数百公里外突袭发射即可，甚至第二枚可以通过第一枚炸开的大坝缺口钻进去。后续战争中，各种精准打击的例子比比皆是。目前，美军除了子弹以外几乎所有会动的武器、装备、士兵都携带了GPS定位模块。
它对于民用的意义也极大。我们日常生活中用到的定位服务，包括但不限于地图导航、共享单车/打车等，都依赖GPS。大型电网、金融交易、电信通讯等都需要星上原子钟精密授时。科学领域，很多研究地球重力场、磁场、板块运动、大气、海洋、冰川、自然灾害的卫星，都需要GPS系统帮助卫星精密定轨。大型基建工程，例如高铁、大桥、机场建设，也需要GPS标定。新兴技术中自动驾驶、精准农业亦是如此。
但GPS是不以你的利益为第一位的，它是以美国利益为第一位，无可厚非。早期，GPS系统在所有的民用信号上放了干扰。后来为应对俄罗斯/苏联的格洛纳斯系统挑战，取消了这个干扰（2000年5月2日），然后定位精度就得到极大提高。
去除主动干扰后，GPS定位精度大大提高（图自：schlaggo.de）
作为运营者，停止GPS服务、增加干扰、乃至提供虚假位置服务信息，都具有可执行性，这不仅对于民用，对于军用更是致命的。1999年印巴Kaigil战争期间，美国直接关停了印巴战区的所有GPS服务，导致双方依赖GPS的设备无法使用，给双方造成巨大损失。这件事情之后，印度彻底放弃了原本依赖GPS增强印度地区服务的卫星导航系统建设，决心自己做一套独立的系统（现在仅有日本的QZSS/准天顶系统是依赖GPS）。
欧盟亦是如此想法，可是中国曾经抛出橄榄枝后并没有所以然，核心技术对我们依然是封锁的。那么问题来了，中国不依赖GPS、改成依赖伽利略系统就是好事情了？印度都在搞自己家的系统，我们要不要自己搞一套？
于是过去20多年内，中国航天人筚路蓝缕，以启山林，从实验阶段开始走，逐渐实现区域有源定位（2004）、区域无源定位（2012）和全球无源定位（2020），这就是北斗一代、二代和三代，逐步掌握独立自主的核心技术。现在是北斗三代建设的核心期，大概将在2020年完成全部建设。
北斗有哪几个特点？
在我国长期航天技术积累和导航系统技术发展的后发优势下，我国采取了一套与其他任一导航系统都截然不同的思路。
01、三种轨道
目前另外三个全球卫星定位系统都采用距离地面20000千米左右的中圆卫星轨道，而北斗是唯一采用三种轨道搭配的星座：27颗卫星处在距离地面21500千米的中圆轨道，分布在三个轨道面上，保持55度倾角；5颗卫星采取赤道上空35800千米高的地球静止轨道；3颗卫星处在地球同步轨道（也接近35800千米高）、保持约55度倾角。
GPS星座（左）和北斗星座（右）的对比（左图来源：Wikipedia）
这样带来一定好处：卫星定位需要接收机收到至少4颗卫星信号。27颗中圆轨道卫星为主力，围绕地球一圈的轨道周期约为12小时，可以保持对全球范围内任一点的稳定覆盖，在任意时间、任意地点观测到6颗星以上，符合常规卫星定位系统需求。55度倾角的设计，也增加了对人口稠密的地球中低纬度区域覆盖。
北斗的地球静止轨道和倾斜同步轨道则是为中国乃至亚太地区特殊定制而来。日本拥有四颗倾斜同步轨道的准天顶系统，用以提高GPS在日本的应用精度，我国相当于在设计之初就有亚太专属服务。两种高轨卫星的轨道周期与地球自转24小时周期完全同步，因而相对而言5颗卫星静止在赤道上空，3颗卫星由于倾角设置相对地面做固定周期的运动，投影轨迹始终留在亚太及沿赤道对称区域，抗遮挡能力强。因而在亚太地区可以几乎永久保持至少12颗卫星可见，大幅提高该区域定位精度。在配合地面建设的增强基站情况下，实现分米乃至厘米级定位亦很现实。
可以从卫星轨迹在地面投影看出北斗的亚太服务专属：蓝色8字形轨迹为倾斜同步卫星，红点为地球静止卫星，绿色为服务全球的中圆轨道卫星（未全部展示）（图自：参考文献1）
其中，高轨卫星轨道发射和入轨要求比较高，目前只能执行一箭一星任务。但对于中圆轨道卫星而言，随着我国远征系列火箭上面级的逐渐成熟，相当于有了卫星载荷送入太空后的可多次点火启动“太空摆渡车”，能够实现一箭双星，大大提高了效率。因而，今年中8次任务成功部署了16颗中圆轨道卫星，2次任务完成2颗高轨卫星，能够搭载远征一号的长三乙火箭也成为了“金牌火箭”。
北斗一箭双星的功臣：长征三号乙火箭（左）和远征一号上面级（右）（图源见水印）
02、三种工作频率
电离层会影响电磁波传播，是卫星导航定位的最大误差源，必须消除。电离层的干扰与卫星信号频率相关，因而采用至少双频信号可以构建电离层延迟修正模型最大限度去除这部分干扰因素，对定位精度的提升非常显著，三频则可以构建更复杂模型消除高阶影响。
此外，在三个频段上发射也增加了不同信号（军用、民用）的调制选项，抗干扰能力得到提升，也提高定位可靠性，对于厘米级乃至毫米级定位中最核心的载波相位模糊度解算也大有益处。正因如此，近些年来原本双频信号的GPS系统也在扩展成三频系统。可见，北斗的后发优势不言而喻。
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