开讲了杨长风 开讲啦杨长凤
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北斗星钟300万年只差一秒吗?
9月24日，北斗卫星导航系统总设计师杨长风登上央视《开讲啦》，揭秘他与北斗的十年。
去年四月底，他已任中央军委装备发展部正军级少将。他爱人、孩子都是搞空间技术研究的，由于工作的特殊性，在家中从来不会谈论工作方面的话题。
（杨长风）
北斗星钟三百万年才差一秒
杨长风在演讲中披露，北斗导航的从业人员达到8万多、300多个研制单位，而且北斗的应用离我们的生活越来越近，也越来越普及。“交通部门利用我们的北斗，形成了一个车辆的监管系统，对一些危险品的运输车、长途客车、旅游客车，进行实时地监管监控。现在跟原来同期相比，事故率和伤亡率已经下降了百分之五十。”
在北斗二号研制初期，本打算从欧洲引进核心器部件——原子钟，但在最后签协议的时候，欧洲公司突然终止了合作。在这种情况下，北斗人决心自己研制，组建了三支队伍，同时进行攻关，最终通过两年多的时间，将星载的原子钟研制成功。
更让人惊叹的是，星钟的精度通俗指标是十万年差一秒，而我们现在已经到了三百万年差一秒的精度。
作为北斗的总设计师，杨长风在说到自己与北斗的十年时，至今仍让他动情的时刻是在2007年，接收到北斗二号第一颗卫星的信号，“我们经历了背水一战”。2007年4月，北斗二号的第一颗卫星即将发射。在发射前3天发现异常，信号很不稳定，又不能带着隐患发射上天，最终北斗人七十二小时没有合眼，找到问题并及时解决。
杨长风说，这个情景至今难以忘怀。“2007年4月17日，我们有十多家研制的厂家，在一个大操场上面，把这个接收机摆成一线，等待着这样一个信号。晚上八点钟，下发的第一组信号的时候，我们十几个用户接收机，同时接到了这样一个信号，这个时候，我们整个操场是欢呼跳跃，同志们互相拥抱，来祝贺这个胜利。”历经了这惊心动魄的72小时后，北斗持续发展的合法权益也就保住了。
在谈到家庭方面，杨长风介绍，他的爱人、孩子都是搞空间技术研究的。由于工作的特殊性，在家中从来不会谈论工作方面的话题。在现场还有一位青年代表提问：在工作中是否会思念家人，当设计图纸和爱人同时掉在水里会先抢救哪一个？杨长风机智应对：设计图纸和他的夫人都是生命，希望两者都能兼得。
去年4月晋升少将
去年杨长风已晋升为少将军衔。据报道，2021年4月28日，北斗卫星导航系统总设计师、中央军委装备发展部正军级少将杨长风等一行，在新疆维吾尔自治区经信委军工处副处长薛红朝等陪同下，到新疆生产建设兵团第八师石河子市调研。
作为中央军委职能部门之一，军委装备发展部主要履行全军装备发展规划计划、研发试验鉴定、采购管理、信息系统建设等职能，着力构建由军委装备部门集中统管、军种具体建管、战区联合运用的体制架构。
（北斗导航卫星发射成功）
就在一周前，9月16日，“全球首颗支持新一代北斗三号信号体制的多系统多频高精度SoC芯片”正式发布。该芯片用于北斗三号卫星系统建设，在无需地基增强的情况下，便可实现亚米级的定位精度，实现芯片级安全加密。
未来，该芯片可被广泛应用于车辆管理、汽车导航、可穿戴设备、航海导航、GIS数据采集、精准农业、智慧物流、无人驾驶、工程勘察等领域。
在演讲中，杨长风也提及到北斗在生活中的应用。目前，智能手机很多已经安装了北斗卫星导航系统，为“路痴”解决了找不着路的困惑；北斗能帮助监测一些自然灾害；驾考中也开始运用北斗；草原上的牧民们可以用北斗来监管羊群，进行放牧，大大减少人力物力成本……
如杨长风所说“北斗是无所不能，无所不在。就怕你没想到，没有做不到，所以大胆去想，你想到了就有用了”。杨长风透露，北斗三号全球系统的建设已全面启动，计划今年年底发射四颗卫星。到2021年左右，北斗卫星导航系统计划向全球提供服务。
中国威武！
北斗是什么?
经过长达20年的排星布阵，我们终于见证了北斗卫星导航系统的全面建成。2021年6月23日，中国西昌卫星发射中心，长征火箭搭载着最后一颗北斗组网卫星，划破长空。▼02.9时43分，北斗三号最后一颗全球组网卫星发射升空，摄影师@南勇随后，卫星将到达距离地表约36000千米的轨道，它的稳定运行标志着中国北斗卫星导航系统全面建成。这是一个庞大的工程，太空中46颗导航卫星昼夜不停地环绕在地球周围，地面上2700多个基准站分布于大江南北，一张“天罗地网”铺展开来。▼03.北斗“完全体”，包括北斗二号卫星16颗，北斗三号卫星30颗，制图@郑伯容/星球研究所这也是一个艰难的工程，8万多名工作人员、300多家研发单位前前后后奋战20多年，终于梦想成真。▼04.20年间，长征火箭作为北斗卫星的唯一运载工具，发射次数多达44次，图为装载第39和第40颗北斗卫星的长三乙火箭静待发射的场景，摄影师@史悦这更是一个必需的工程，如今北斗已经广泛应用于电力、金融、通信、交通、农业、测绘、减灾救灾等生产和生活的方方面面，中国将彻底摆脱对美国全球定位系统（GPS）的依赖。▼05.以350公里时速行驶的京张高铁，可以实现从驾驶一次制动到停车的停准误差不到10厘米，图为自动驾驶的京张高铁，摄影师@赵斌而且借助北斗，中国导弹拥有了超高精度的制导能力，国防利器愈加锋利▼06.2021年10月1日，庆祝中华人民共和国成立70周年大会阅兵式中的巨浪-2导弹方队，图片来源@人民视觉如今，北斗系统（BDS）已经覆盖全球，与美国的全球定位系统（GPS）、俄罗斯的格洛纳斯系统（GLONASS）、欧盟的伽利略系统（Galileo）并称全球四大卫星导航系统（GNSS）。20年磨一剑，中国是如何做到的？01 导航卫星的秘密要想获取我们的位置，太空中需要布置至少3颗导航卫星。它们不断地发射电磁波信号，我们利用导航设备接收信号，信号在一发一收之间产生的时间差再乘以电磁波的传播速率（光速），便可以计算出我们与卫星的距离。 只有1颗导航卫星时，以卫星为中心，我们与卫星的距离为半径便得到一个球面，球面上的任何一点都可能是我们的位置。▼07.光速约等于3×108m/s，一颗导航卫星确定的位置——球面，制图@郑伯容/星球研究所若有2颗导航卫星，两个球面相交得到一个圆周，圆周上任何一点都可能是我们的位置。▼08.两颗导航卫星确定的位置——圆周，制图@郑伯容/星球研究所若有3颗导航卫星，三个球面相交得到A、B两个点，两点中任何一点也都可能是我们的位置。▼09.三颗导航卫星确定的位置——两个点，制图@郑伯容/星球研究所而两点之中，仅有B点位于地表附近，于是便锁定了我们唯一的位置。▼10.与地表的交点有且只有一个，制图@郑伯容/星球研究所这就是导航卫星的秘密，即三球交会定位原理。实际上，在测量时间的时候，会产生各种误差。为消除误差，往往还需要第4颗卫星的辅助。同时为了保证我们随时随地都能接收到4颗以上的导航卫星信号，环绕地球的卫星总数往往远远高于4颗。例如美国GPS和俄罗斯GLONASS系统，导航卫星的数量都在24颗以上。▼11.GPS系统定位示意，同一点上空的卫星多在4颗以上，原图来源@维基百科，重制@郑伯容/星球研究所可是在上世纪90年代，想要短期内发射同等数量的导航卫星，对于航天及导航技术相对落后的中国来讲，几乎是一个不可能实现的梦想。能否用最少的卫星实现定位的目标？02 蹒跚起步一个大胆的方案横空出世。陈芳允，“两弹一星”功勋、著名电子学家，首次提出了由两颗卫星组成的双星定位系统。 其巧妙之处在于在地面设置了一个“大脑”，即地面控制中心。利用地面控制中心，人们可在地球周围“虚拟”出一个球体，并通过控制中心、卫星、用户三者之间的交互，计算得到用户的位置。▼12.地面控制中心可以提供用户的高程等已知数据，且拥有超强的解算能力。双星定位原理示意，制图@郑伯容/星球研究所与此同时，两颗卫星均位于地球静止轨道，其轨道高度在35786千米，运行周期与地球自转周期保持一致，可始终朝向地球的同一面，保证了全时段的信号覆盖。▼13.地球静止轨道示意，制图@郑伯容/星球研究所从1994年方案获得正式立项，到2000年两颗北斗卫星成功入轨，历时6年多的研发，北斗双星的设想终于变成了现实，这便是北斗一号，它的信号可以覆盖中国全境。▼14.北斗一号的覆盖范围为东经70°-145°，北纬5°-55°，制图@王朝阳&郑伯容/星球研究所用户不仅能接收位置信息，还能像“发短信”一样主动发送文字消息，这在求救和援助时尤为关键。而对于如同“收音机”般单向接收数据的GPS等系统，这是无法做到的。▼15.“发短信”的优势在于，既能知道自身的位置，也可以告诉他人，这在地震、远洋等一些险境中意义重大，图为2008年汶川地震中救援的场景，摄影师@贾君洋这项功能属于国际首创，美国GPS之父帕金森教授后来对此功能赞誉有加▼既能够知道你在哪里，也能够知道我在哪里 这是多么美妙的体验不过，北斗一号的缺陷同样显而易见。它的定位精度为20-100米，时间精度为20-100纳秒，与同期GPS的10米和20纳秒差距明显，而且仅支持150个用户同时在线，与全球覆盖的目标也相差甚远 还有“发短信”式的交互模式过程较为繁琐、信号易被拦截，不仅导致定位中存在1秒左右的时延，还容易暴露自身位置，而对于高速运动的飞机、导弹来说，每1秒都生死攸关，军事行动中保密性更是至关重要。▼16.北斗一号和GPS系统定位操作对比，制图@郑伯容/星球研究所北斗一号尽管性能有些简易，但基本解决了我们导航系统从无到有的问题，北斗的梦想已经在蹒跚中起步，接下来会一帆风顺吗？03 攻坚克难自2010年起，西昌卫星发射中心变得非常热闹。在不到3年的时间里，将有14颗导航卫星从这里陆续发射升空。2010年发射5颗，2011年发射3颗，2012年发射6颗……▼17.2007年和2009年各有一颗北斗二号实验星已经发射升空，图为西昌卫星发射中心的两个发射塔架与火箭运输机车的同框，摄影师@余明同时，运算和控制等地面配套系统也铺展开来，卫星与地面的调整测试也在同步进行。2012年底，新系统组网成功，这就是北斗二号。▼18.北斗二号系统运行示意，制图@郑伯容/星球研究所与北斗一号相比，其覆盖范围明显扩大，扩大至亚太地区的大部分区域，定位精度也从20米提升至10米，时间精度达到10纳秒。▼19.北斗二号的覆盖范围为东经70°-150°，南纬55°-北纬55°，制图@王朝阳&郑伯容/星球研究所北斗一号独特的通信功能也被完整继承了下来，可在应急通讯中帮助更多的人。▼20.2021年4月25日尼泊尔发生8.1级地震，救援人员曾借助北斗实施搜救，图为尼泊尔新图巴尓恰克地区的震后场景，图片来源@人民视觉然而这样的升级并非一帆风顺，挡在科学家面前的是重重难关，难关之一在于卫星如何布局。最适宜导航卫星的轨道是高度约20000千米的中圆轨道，是实现全球覆盖的最优选择，GPS等系统的卫星便分布于此。▼21.不同轨道类型及卫星示意，制图@陈思琦&陈随/星球研究所可是中圆轨道卫星飞越目标区域的时间较短，这意味着想要实现此区域的稳定覆盖，必须发射足够多的卫星。然而彼时，发射此类卫星的技术在我国还尚未成熟，倘若全部使用中圆轨道，无疑是充满风险。为了短期内实现目标，中国科学家另辟蹊径，首次开创了“混搭”的卫星布局方式，通过排兵布阵，14颗卫星分布于三种轨道。 除了4颗中圆轨道卫星外，还有5颗倾斜同步轨道卫星，保证信号对亚太地区的长时间覆盖。5颗地球静止轨道卫星实现此区域的全时段稳定覆盖▼22.倾斜同步轨道卫星的运行周期和轨道高度与地球静止卫星相同。把倾斜同步轨道卫星用于定位，属于中国首创。图为北斗二号系统三种轨道的示意，制图@郑伯容/星球研究所难关之二在于精度如何提高。电磁波以光速传播，哪怕存在1纳秒的时间误差，产生的距离误差也会有0.3米。所以卫星导航定位的精确度主要取决于卫星上的原子钟精度，以及卫星、地面站、用户之间的时间同步。国际上通用的星载原子钟精度需要达到10-13，相当于每过10万年才会产生1秒的误差。而当时拥有此项技术的国家仅有美国、俄罗斯和瑞士。▼23.图为美国GPS卫星的艺术想象图，图片来源@NASA北斗一号所用的原子钟便是从瑞士进口，但到了北斗二号时，引进原子钟的合作却被迫中断。所以，北斗二号要想顺利完成，中国人必须争分夺秒地实现原子钟的自主研制。▼24.北斗卫星导航系统的卫星与运载火箭，分别由中国航天科技集团有限公司所属的中国空间技术研究院和中国运载火箭技术研究院研制生产，图为中国空间技术研究院的工作人员正在调试设备，摄影师@苟秉宸时间的紧迫性远不止于此，难度之三便是卫星如何按时发射。根据国际电信联盟的规则，卫星运行的轨道和信号频率在使用前必须提前申请，且必须在申请通过后的7年内完成卫星发射入轨和信号接收，否则相关资源会被回收。2000年4月18日，中国的申请获得通过，这意味着在接下来的7年里，卫星以及火箭必须做到万无一失。▼25.卫星与火箭对接后的整流罩，因广角拍摄，画面的边缘有拉伸变形，摄影师@南勇科学家们夜以继日地反复实验和测试，7年内掌握相关卫星技术，2年内攻克原子钟的难关，甚至仅用10多天完成卫星取出、测试、再到装回等一系列复杂操作，修复了临发射前的突发故障。▼26.卫星的发动机出现故障，专家们在仔细检查设备，其中从右边起第二个人是北斗一号和二号系统的总设计师孙家栋院士，摄影师@南勇2007年4月17日晚八点，当人们成功接收到信号时，距离轨道失效的截止时间仅仅只剩下4个小时。至此，历尽磨练、突破技术封锁，一个覆盖亚太地区的卫星导航系统就此建成。而距离实现全球导航，只差最后一步。04 天罗地网最后一步将是一次全方位的升级。北斗三号卫星使用寿命从8年增至10年以上，其组成部件全部实现中国造，其中原子钟性能持续升级，精度已经达到1000万年差1秒。此时，火箭技术也已不再成为掣肘，一箭双星的发射已经“炉火纯青”。2021年底发射1箭2星，2021年发射9箭17星，2021年发射6箭8星，2021年发射3箭3星……不到3年时间，30颗卫星以前所未有的速率发射升空，完成组网。▼27.2021年6月23日，北斗三号最后一颗全球组网卫星发射升空，摄影师@史悦于是，太空之中，3颗地球静止轨道卫星分布在赤道正上空，3颗倾斜同步轨道卫星稳定覆盖亚太地区，24颗中圆轨道卫星则昼夜不停地围绕地球奔跑，它们共同组成一个庞大的卫星网络，悬挂于太空，堪称一张浩大的天网。从此，无论白天还是黑夜，无论身处地球的任何角落，人们抬头便可以看见5-6颗北斗卫星，全球覆盖的目标终于实现。▼28.北斗三号系统运行示意，制图@郑伯容/星球研究所这样还不够。当卫星飞越中国境外时，在缺少地面控制指令的的情况下，卫星无法保证在正常轨道运行。为此，人们在卫星之间搭建起桥梁，彼此间能进行通信和测距，互相监督、自动保持队形，组成错综复杂的星间链路。这大大减少了系统对地面站的依赖，即使地面站点全部失效，北斗系统依然可以通过星间链路保持自主运行长达60天之久。▼29.星间链路示意，制图@郑伯容/星球研究所同时，中国境内的地面之上，2700多个地面参考站点和数个数据处理中心也在中国大地上铺展开来，组成一张地面数据加工网络。即便卫星信号受到各种地形、建筑物遮挡和反射，也能提供额外的地面信息补充，人称地基增强系统。▼30.北斗地基增强系统包括框架网和区域加强密度网两部分，其中框架网基准站共155个，区域加强密度网基准站超过2700个，图为框架网站点分布示意，制图@王朝阳&郑伯容/星球研究所经此修正和处理之后，整个系统的误差一再减小，精度持续增加，可以是米级、分米级，甚至是厘米级、毫米级。可以精确到建立电子围栏，保证共享单车停在指定范围内。▼31.湖北省襄阳市的一处共享单车临时存放点，图片来源@VCG可以精确到阅兵方阵中各型装备方队等速行进，各个飞行梯队米秒不差，距离误差在正负10厘米以内。▼32.2021年9月23日，国庆阅兵预演时的飞行梯队，摄影师@拾城 田卫涛可以精确到监测大坝、大桥等工程的外观变形。▼请横屏观看33.画面右下方是中国第二大水电站溪洛渡水电站。目前已经有超过150个监测点安装于水电站两侧的边坡，并且不间断提供毫米级精度的数据，以便及时发现安全隐患，摄影师@柴俊峰此外，北斗芯片可以植入手机，截至2021年第三季度，中国市场申请入网的400余款手机中，支持北斗导航的便有近300款。▼34.司机正在使用手机导航，摄影师@任炳旭可以装备运输工具，截至2021年12月，超过650万辆营运车辆、4万辆邮政和快递车辆、3200多座内河导航设施、2900余座海上导航设施均已装备北斗系统，成为全球最大的营运车辆动态监管系统。▼35.重庆市牛角沱轻轨站外，一辆公交车行使于高架桥上，摄影师@拾城 崔力至此，天罗加地网组合而成，这便是北斗系统进化的终极形态，北斗三号。05 北斗20年2000-2020，从北斗一号的首星发射到北斗三号的末星入轨，已是整整20年。20年间，面对重重困难，科学家们不曾退却。他们步步为营，循序渐进。第一步，为中国；第二步，为亚太；第三步，为世界。今天，中国终于有了自己的卫星导航系统。未来，它将向全世界开放，也会成为70多亿人生活的一部分。▼36.在电力线路中安装北斗线路故障指示仪，准确发现事故地点，及时排除故障，减少停电时间。图为山谷中此起彼伏的输电塔，摄影师@邱会宁空气中，行踪不定的污染物被纳入环境监测信息系统，从此将逃不过北斗的“慧眼”。▼37.利用北斗系统可以获取大气污染物相关监测点的实时位置，并利用北斗的通讯功能将信息发送至监控中心。图为正在排放的工厂烟囱，作示意，摄影师@邱会宁田地间，通过北斗系统与农业器械的配合，可实时掌握耕种深度、行距等信息，令作业效率提高50%，产量提高5%-8%。▼38.图为安装有北斗导航系统的播种机工作的场景，位于吉林省，摄影师@邱会宁还有国境线上，山高、林密、谷深的恶劣环境导致通讯设施无法全部覆盖，而边防官兵们凭借北斗系统，依然可以及时、稳定地传递信息。▼39.在手机基站等无法覆盖的地区，北斗的定位和通信功能变得至关重要，图为边防官兵在边境巡逻，摄影师@李含军但是，这些还远远不够。正如中国卫星之父北斗一号和二号系统的总设计师孙家栋所说：▼我们建设北斗关键还是在用，只有用得更加普及，更加深入，这才是赢家。是的，科学家们排星布阵20年，终于织就一张“天罗地网”，中国自己的卫星导航系统也终于从设想变为现实，而这仅仅只是故事的开端。未来的每一天，才是中国北斗卫星导航系统责任和使命的真正所在。全文完，感谢阅读。创作团队撰文：艾蓝星编辑：桢公子图片：任炳旭设计：郑伯容，陈随地图：王朝阳，陈思琦审校：黄超，王朝阳专家审核中国科学院计算技术研究所 罗海勇 博士【致谢】本文在创作中得到了清华大学经管学院校友刘运操的大力支持，特此感谢。【主要参考文献】[1]中国卫星导航系统管理办公室. 北斗卫星导航系统发展报告（4.0版）, 2019.[2]中国卫星导航系统管理办公室. 北斗卫星导航系统应用案例, 2018.[3]谢军,王海红等. 卫星导航技术[M]. 北京理工大学出版社, 2018.[4]田建波,陈刚. 北斗导航定位技术及其应用[M]. 中国地质大学出版社, 2017.[5]刘天雄. 卫星导航系统概论[M]. 中国宇航出版社, 2018.[6]袁树友. 下安物望-北斗应用100例[M]. 解放军出版社, 2017.[7]王金锋. 空中指南-中国成功发射系列导航卫星[M]. 吉林出版集团, 2009.[8]《开讲啦：北斗系统总设计师杨长风》,2017.↑一群国家地理控，专注于探索极致世界
北斗星钟300万年只差1秒是怎么回事?
9月24日，北斗卫星导航系统总设计师杨长风登上央视《开讲啦》，揭秘他与北斗的十年。
北斗星钟三百万年才差一秒
杨长风在演讲中披露，北斗导航的从业人员达到8万多、300多个研制单位，而且北斗的应用离我们的生活越来越近，也越来越普及。“交通部门利用我们的北斗，形成了一个车辆的监管系统，对一些危险品的运输车、长途客车、旅游客车，进行实时地监管监控。现在跟原来同期相比，事故率和伤亡率已经下降了百分之五十。”
在北斗二号研制初期，本打算从欧洲引进核心器部件——原子钟，但在最后签协议的时候，欧洲公司突然终止了合作。在这种情况下，北斗人决心自己研制，组建了三支队伍，同时进行攻关，最终通过两年多的时间，将星载的原子钟研制成功。
更让人惊叹的是，星钟的精度通俗指标是十万年差一秒，而我们现在已经到了三百万年差一秒的精度。
北斗不远，就在你我身边
海上的渔民，亲切地称呼北斗是“海上妈祖”，他们到了远海以后，就可以通过北斗，跟家人报平安。北斗的应用离我们的生活越来越近，也越来越普及，杨长风说“我们的交通部门利用我们的北斗，形成了一个车辆的监管系统，对一些危险品的运输车、长途客车、旅游客车，进行实时地监管监控。现在跟原来同期相比，事故率和伤亡率已经下降了百分之五十。”
背水一战，只为抢占合法频率
作为北斗的总设计师，杨长风在说到自己与北斗的十年时，记忆最深刻，至今仍让他动情的时刻是在2007年，接收到北斗二号的第一颗卫星的信号。
回忆这段经历时，杨长风非常动情地形容“我们经历了背水一战”。2007年4月，北斗二号的第一颗卫星即将发射。在发射前三天发现异常，信号很不稳定，当时所有人都进退两难，时间紧、任务重、难点重重，要怎么办？绝不能带着隐患发射上天，最终北斗人“整整三天，七十二小时没有合眼，通过各种各样的试验，把这个问题找出来了，并解决了。在频率只有四个小时的期限下，我们的卫星准确地发射了第一组信号。”
杨长风说，这个情景至今难以忘怀。“2007年4月17日，我们有十多家研制的厂家，在一个大操场上面，把这个接收机摆成一线，等待着这样一个信号。晚上八点钟，下发的第一组信号的时候，我们十几个用户接收机，同时接到了这样一个信号，这个时候，我们整个操场是欢呼跳跃，同志们互相拥抱，来祝贺这个胜利。”历经了这惊心动魄的72小时后，北斗持续发展的合法权益也就保住了。
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