​大河向东流，天上的星星为啥“参北斗”

大河向东流，天上的星星为啥“参北斗”

7月31日，北斗三号全球卫星导航系统宣布正式开通。

今年是北斗全球系统建设的收官之年。经过几代北斗人的不懈努力，用20多年走完其他全球卫星导航系统40多年的发展之路，为世界卫星导航发展贡献了“中国方案”。

“大河向东流哇，天上的星星参北斗哇……”这首耳熟能详的歌想必大家一定很熟悉吧。那为什么天上的星星要“参北斗”呢？它与北斗导航有什么关系？

辨别方向是日常生活中经常遇到的问题。现代科学技术非常发达，有许多电子导航定位的方法和技术；但在科学技术非常落后的古代，人们用什么方法来辨别方向呢？一个简单实用的办法是观察天空——白天用太阳辨别方向，日出为东，日落为西，中午太阳在南；夜间则用北斗七星来辨别方向。

▲北斗七星

北斗七星是由大熊座的七颗明亮的恒星组成的，在北天排列成斗形，常被当作指示方向的重要标志。北斗七星的中国星名（按照由斗口至斗杓（sháo）连线的顺序）分别为天枢、天璇、天玑、天权、玉衡、开阳和摇光。前四颗称“斗魁”，后三颗称“斗杓”。通过斗口天璇至天枢的连线再延长5倍可以找到北极星。北极星指示的方向便是正北方。

古人的定位方法除了看北斗七星，还用指南针。

指南针是一种辨别方向的简单仪器，又称指北针，是我国的四大发明之一，其前身是中国的司南。指南针的主要组成部分是一根装在轴上可以自由转动的磁针。磁针在地磁场作用下能保持在磁子午线的切线方向上，磁针的北极指向地球北极，人们利用它的这一性能辨别方向。

要确定更精确方向时，除了指南针之外，还需要有方位盘相配合。最初使用指南针时，可能没有固定的方位盘，后来为了满足使用便利性的需要，集磁针和方位盘于一体的罗盘出现了。

罗盘上刻画了二十四个方向，这样一来只要看一看磁针在罗盘上的位置，就能判断出方向来。南宋时，曾三异在《因话录》中记载了有关这方面的应用：“地螺或有子午正针，或用子午丙壬间缝针。”这是有关罗盘的最早文献记载。文献中所说的“地螺”，就是地罗，也就是罗盘。文献中已经把磁偏角的知识应用到罗盘上。

▲司南与罗盘

在现代日常生活中，我们也经常遇到定位的问题。比如你邀一个朋友到天安门广场去玩，快到时你用手机问朋友：“你到哪儿了？”“我在人民英雄纪念碑正北大约10米。”这两句简单的对话就显示了我们日常生活中的定位方法，就是以一座大家都知道的建筑物为标志，确定到标志的距离和所在地与标志物的方向关系。有了这些信息，位置就完全确定了。这也告诉我们定位的基本条件：一是已知建筑物的位置；二是知道（或可测定）到已知建筑物的方向和距离。下面我们再以平面为例，说明定位的原理和方法。

如果把参照物搬到天上，会有什么奇妙的现象发生？这时，就该卫星定位出场啦。

卫星定位就是通过卫星来确定用户的位置，通俗地说就是由卫星来告诉你，你现在位于什么地方。

卫星定位原理就把已知建筑物“搬到了”太空，通过卫星进行导航定位。为了使地球表面绝大部分地区都能接收到卫星信号，对太空中卫星的数量有一定的要求，如美国的全球定位系统（GPS）星座由24颗卫星构成，除了极区之外，地球表面任一位置都能同时接收到4颗以上卫星的信号，以确保定位的精度。

▲由4颗卫星信号定位

现代城市高楼林立，对卫星信号有遮挡，这种现象称为“城市森林”问题。多种导航定位系统并存，增加导航卫星的数量可在一定程度上缓解这个问题。

卫星定位可以通过三个步骤实现。

第一步：确定空间的参考点（S），这些参考点就是导航卫星所在位置，在确定的时刻，卫星位置是已知的。

第二步：测量待定点到各个导航卫星的距离（R）。

第三步：根据几何关系，计算待定点的位置（X）。

卫星的位置（S）是怎么知道的呢？这个问题还是比较简单的，根据卫星的轨道和地面测控站的数据，就可以确定任一时刻卫星的位置。

▲卫星定位原理

怎样确定待定点到卫星的距离（R）呢？这个问题看似复杂，其实原理也很简单，就是将电磁波从卫星传输到用户（待定点）所用的时间乘以光速。在具体操作过程中，卫星和待定点的接收机已经把许多事情都准备好了。导航卫星发射编码信号，接收机接收到的信号会有时间延迟，用这个延迟时间乘以光速，就是待定点到卫星的距离。

关于卫星定位，我们日常生活中接触最多的就是导航软件了。

导航就是引导飞机、舰船、车辆以及行人，准确地沿着所选路线，准时地到达目的地。

导航首先需要定位，需实时知道在哪儿，去哪儿，怎样到那儿。解决这些问题要有相应的软件。卫星导航就是利用卫星确定运动物体和其目标位置，并按照程序指引运动物体到达指定目标。

其实，在日常生活中也经常遇到“导航”的问题。例如，有位朋友要到你家做客，但他不知道你家的确切位置和怎样乘车。于是你就会告诉他，在某处坐××路公共汽车，到××站下车，下车后又往××方向走，大约走××米就到了。你的指引就是在为朋友导航，你能承担起导航的任务是因为你具备了两个条件：首先你知道朋友的位置，当然也知道自己家的确切位置；另外你知道从朋友所在处到你家的行车路线或行走路线。由于你具备了这两个条件，所以你的导航肯定是成功的，朋友会很容易到达你家。

▲车载导航仪

让我们再回到卫星导航的话题。假设你从北京自驾到杭州旅游，车上带有卫星导航设备。你所需要做的工作非常简单：将导航系统设置好，如出发地和目标地。剩下的工作都由导航设备完成。从北京到杭州有多条路线，导航软件会选定一条最佳路线。在旅途中，导航设备可以随时显示你的位置，这都是由卫星定位系统实现的，至于说到某个路口应怎样转弯，那是由导航软件决定的。

（来源：新华网 袁晗/文、《北斗卫星导航系统》焦维新/著 知识产权出版社）