北斗通信和北斗定位已經(jīng)家喻戶曉，但是很多初學(xué)者和開發(fā)工程師往往被各種概念混淆。有鑒于此，北斗海聊整理出本篇入門文檔，將常見問題進(jìn)行系統(tǒng)性梳理。鑒于筆者水平有限，如果本文有什么錯漏，請各位讀者批評指正。

一、為什么需要衛(wèi)星定位和衛(wèi)星通信

       由于中國的衛(wèi)星技術(shù)起步晚，而手機(jī)基站的發(fā)展卻非常迅猛，所以以前了解衛(wèi)星技術(shù)的人群非常少。2008 年汶川地震導(dǎo)致基站被大范圍損壞后，人們才明白此時的手機(jī)只是塊磚頭。當(dāng)時災(zāi)區(qū)的情況外界不知道，外界的救援災(zāi)區(qū)不知道，信息的傳輸幾乎回到了原始社會的水平。也就是2008 年后，衛(wèi)星通信的普及和發(fā)展才迫在眉睫。
        由于基站的建設(shè)、供電、維護(hù)、升級等成本高昂，所以很多國家的基站都只是覆蓋人口較多的城市，而人煙稀少的地方則沒有手機(jī)信號。所以對于驢友、船員來說，衛(wèi)星通信設(shè)備是剛需。即使對于基站覆蓋非常密集的城市，一旦發(fā)生天災(zāi)人禍、戰(zhàn)爭、供電維修，手機(jī)也回天乏術(shù)，此時衛(wèi)星通信是輔助通信的手段。
        但一直以來，銥星、海事衛(wèi)星、歐星等設(shè)備都高達(dá) 6000 元以上，月租費(fèi)也比較高。所以北斗短報文通信設(shè)備應(yīng)運(yùn)而生。相較于其它通信設(shè)備，北斗短報文設(shè)備才 2000 元左右，月租費(fèi)為 0，真正做到了物美價廉。
        至于衛(wèi)星定位的價值，現(xiàn)在用慣了滴滴打車、百度地圖的用戶都很清楚。不過我們視為理所當(dāng)然的定位技術(shù)，也是最近 10 年才廣泛應(yīng)用在手機(jī)上面。

二、北斗一代、二代、三代分別指什么？

        經(jīng)常有用戶詢問北斗一代、二代、三代分別有什么差異，我們系統(tǒng)化同時通俗地講解下：

        衛(wèi)星定位不僅是軍事利器，對于民用也是非常大的市場。除了美國的 GPS，俄羅斯的GLONASS，歐洲的伽利略，中國也一直在努力探索和發(fā)展。

        北斗一代衛(wèi)星從 2000 年開始研制，2003 年完成，總共發(fā)射了三顆靜止軌道衛(wèi)星，主
要覆蓋中國及周邊區(qū)域。

        北斗一代衛(wèi)星受限于當(dāng)時的資金和技術(shù)水平，主要是解決中國衛(wèi)星定位“從無到有”的問題。地面上的用戶機(jī)需要向北斗一代衛(wèi)星發(fā)送請求，才能接收到定位信息。這種機(jī)制我們稱為有源定位。這就跟前面提到的 GPS 定位機(jī)制不一樣，GPS 是無源定位，地面上的用戶機(jī)只需要接收，然后解析出坐標(biāo)，不需要向衛(wèi)星發(fā)送請求。
        但是正因?yàn)檫@種有源定位的機(jī)制，北斗一代衛(wèi)星就具備了衛(wèi)星通信的功能，所以我們才能使用北斗短報文這一物美價廉的衛(wèi)星通信。而且有源定位機(jī)制雖然定位精度只有 100 米以內(nèi)，但是定位速度非常快，兩三秒就可以定位；而 GPS 定位則需要 30 秒以上。
        由于北斗一代需要用戶機(jī)發(fā)送請求、定位精度不高、用戶容量有限，加上國家加大投入、技術(shù)的積累，北斗二代衛(wèi)星隨后列入國家發(fā)展規(guī)劃。項目從 2005 年開始，2017 年完成，主要覆蓋中國周邊地區(qū)，提供高精度的無源定位、測速、授時服務(wù)。北斗二代就解決了中國衛(wèi)星定位“從有到優(yōu)”的問題。
        北斗三代衛(wèi)星是真正意義上的全球覆蓋，中國版的全球 GPS。項目從 2017 年開始，預(yù)計 2020 年完成，通過發(fā)送更多衛(wèi)星、建成更多的地面基站增強(qiáng)系統(tǒng)，將北斗一代的有源定位和北斗二代的高精度無源定位從中國周邊拓展到全球。
        從北斗系統(tǒng)的發(fā)展歷史，可以明白技術(shù)的發(fā)展需要長期的投入和積累，不能一蹴而就。無數(shù)科學(xué)家和工程師的努力才使得北斗項目能夠從無到有，精益求精。

三、衛(wèi)星定位是怎樣實(shí)現(xiàn)的？

        我們以 GPS 系統(tǒng)為例。北斗二代定位系統(tǒng)、GLONASS 系統(tǒng)、伽利略系統(tǒng)等也是類似的。
        GPS 衛(wèi)星系統(tǒng)除了位于天上的 24 顆中軌道衛(wèi)星（實(shí)際不止 24 顆），還有地面上的注入站、監(jiān)控站、主控站等，用于修正數(shù)據(jù)和控制衛(wèi)星。而用戶機(jī)只負(fù)責(zé)接收和解析數(shù)據(jù)。

        運(yùn)行在天上的 GPS 衛(wèi)星，每個都不停地通過衛(wèi)星信號向地球廣播自己的當(dāng)前位置坐標(biāo)和時間。而用戶機(jī)接收到后，用自己的時間減去衛(wèi)星時間，就知道衛(wèi)星信號在空中傳播所用的時間。用傳播時間*光速，就得到用戶機(jī)與衛(wèi)星的距離。
        根據(jù)空間幾何知識，只要用戶機(jī)能夠捕捉到 3 個以上的衛(wèi)星，就可以根據(jù)到這 3 顆衛(wèi)星的距離和衛(wèi)星的坐標(biāo)，推測出用戶機(jī)自己的(X,Y,Z)坐標(biāo)。
        因?yàn)閭鞑r間有誤差，速度也會受到空中電離層的影響。所以一般要捕捉到 4 顆以上的 GPS 衛(wèi)星，通過一些算法來減少誤差。
        我們常說的 3 星定位和 4 星定位就是來源于此。

四、北斗短報文衛(wèi)星通信是怎樣實(shí)現(xiàn)的？

        北斗短報文衛(wèi)星通信系統(tǒng)跟 GPS 定位系統(tǒng)類似，也是由天上的衛(wèi)星、地面的控制站和用戶機(jī)這三部分組成。
        北斗短報文系統(tǒng)由于衛(wèi)星是在靜止軌道，所以只需要兩顆衛(wèi)星就可以覆蓋中國及周邊地區(qū)，另外一顆衛(wèi)星作備用。到 2020 年覆蓋全球時，也總共只需要 5 顆衛(wèi)星。

        衛(wèi)星通信的過程是：用戶機(jī) A 將短報文發(fā)送給衛(wèi)星，經(jīng)過衛(wèi)星中轉(zhuǎn)后發(fā)送給用戶機(jī) B。

        衛(wèi)星通信機(jī)制類似于手機(jī)通信機(jī)制。手機(jī) A 也是通過基站中轉(zhuǎn)才能將消息發(fā)送給手機(jī)B。所以一旦基站損壞，所有手機(jī)都無法正常使用。
可以這樣說，衛(wèi)星系統(tǒng)都是類似的，通信系統(tǒng)都是類似的，定位系統(tǒng)也都是類似的。當(dāng)然在細(xì)節(jié)上會有很多差異，比如頻率、編碼方式、加密方式、傳輸距離、傳輸功耗、鏈路控制等。

五、北斗短報文是如何實(shí)現(xiàn)雙星定位的？

        北斗短報文除了可以用于衛(wèi)星通信，還能用于衛(wèi)星定位。前面提到，GPS 定位最起碼需要三顆衛(wèi)星，那為什么北斗短報文可以做到雙星定位呢？

        這種定位方式的原理在于：

        以 2 顆在軌衛(wèi)星的已知坐標(biāo)為圓心，各以測定的衛(wèi)星至用戶終端的距離為半徑，形成 2個球面，用戶終端將位于這 2 個球面交線的圓弧上。地面中心站配有電子高程地圖，提供一個以地心為球心、以球心至地球表面高度為半徑的非均勻球面。用數(shù)學(xué)方法求解圓弧與地球表面的交點(diǎn)即可獲得用戶的位置。

        所以當(dāng)用戶機(jī)發(fā)送北斗短報文定位請求給衛(wèi)星后，衛(wèi)星將請求轉(zhuǎn)發(fā)給地面中心站，中心站計算完成后，就將用戶機(jī)的位置坐標(biāo)發(fā)送給衛(wèi)星，經(jīng)衛(wèi)星中轉(zhuǎn)到用戶機(jī)。

        這種定位方式的定位精度比 GPS 遜色，但是定位速度比 GPS 快很多。北斗短報文定位只需要兩三秒就可以獲得定位，而 GPS 冷啟動則需要 30 秒以上。