疑难杂症:导航装置的高可用

“不管你在与不在，北斗都在那里为你指明方向”。今天笔者就从技术角度聊聊我国国产导航系统的前世今生，以及导航接收器的高可用设计。

国产导航系统-中国科学家们的不朽传奇

如果说失去芯片，那将失去很多，而失去导航，则会失去所有。如果没有北斗那我们的歼20、东风导弹等等高新武器完全无从谈起，甚至在2008年汶川地震，救援队也无从打开生命通道。而且日常生活中上至高铁、飞机；下到外卖滴滴、共享单车都离不开全球定位系统的支持。

在北斗之前全球定位系统是一直被欧美所垄断，虽然北斗已经突破了封锁，但是对于40年前的中国来说，导航是一个比芯片还要更加艰难的方向，每一次尝试开端于1985年，当时陈芳允院士提出了基于两颗地球同步轨道卫星的双星定位的构想，奈何当时条件所限，始终没有办法验证陈院士的方案。

直到4年后的1989年，双星系统模式才得到验证，理论上可以实现精度30米的定位，随着1994年北斗一号正式立项，2000年，北斗一号两颗卫星先后发射成功，主要在中国境内提供导航服务，校准精度虽然很低，但是也算是打破了美国GPS全球定位的垄断。后来为了提高精度，北斗二号正式于2004年才立项，不过根据国际电联的批复，北斗二号必须在2007年前就完成卫星发射，也就是，北斗二号的研发时间只有3年。

卫星所使用的频率段，是需要国际电联通信会议予以审核分配的，而且卫星频段其实也和卫星轨道一样是一种有限资源，我们看到最近马斯克大搞星链计划，运用的就是对于有限资源的快速抢占策略。由于在电联成立之初人类发射卫星的能力还十分有限，基本没考虑过日益增多的近地轨道卫星星座（NGSO）所带来的“抢频段”等资源分配问题，可以说我国一开始申请频段时还算顺利，不过后来频段日趋紧张，因此北斗必须在国际电联给出的最后期限之前上天，否则之前的申请就作废。

不过在2004年到2007年北斗二号最为关键三年中，我们也遇到了高精度原子钟这种更卡脖子的技术。按照原计划原子钟本应由欧洲提供给我们，但最终由于各种原因并未成行。

原子钟-最关键的领域被卡脖子

我们知道全球卫星定位技术是利用人造地球卫星进行点位测量的技术。早期，人造地球卫星仅仅作为一种空间的观测目标，这种对卫星的几何观测能够解决用常规大地测量难以实现的远距离陆地海岛联测定位的问题。但是这种方法费时费力，定位精度还低，因此应用得不多。

而在原子钟也就是精确授时系统成形以后，现代的全球定位基本原理根据已知位置的卫星、与卫星到用户接收机之间的距离，然后利用三点决定平面的原理，通过解析几何的方式解出用户的位置。其中卫星的位置可以根据星载时钟所记录的时间在卫星星历中查出。而用户到卫星的距离则要通过测量卫星信号传播到用户所经历的时间，再将其乘以光速得到，当然理相情况下只需要三颗卫星的信号就可以解决定位的问题，但用户使时钟与卫星星载时钟不可能总是同步，所以还要引进一个Δt变量，记录卫星与接收机之间的时间差，然后用4个方程联立求解。所以如果想知道用户位置，至少要能接收到4个卫星的信号。用户设备部分按照定位解算方法进行定位计算，计算出用户所在地理位置的经纬度、高度、速度、时间等信息。完成精确定位。可以看出用户的接收机只需要接收卫星信号，并计算距离求解方程就可以完成工作，可以说导航的接收器相对来说技术含量不是太好。

不过这一切的关键都在于卫星信号传播到用户所经历的时间的精确度，因此制造一个精确的原子中是全球定位系统的核心技术所在，不过正如前文所讲，这项技术欧美没有向我们开放，我们只能在三年内自行研制出来一台原子钟，这个难度可想而知，不过从最终的结果来看，我们还是做到了。

国产原子钟-一飞冲天

人们平时所用的钟表，精度高的大约每年会有1分钟的误差，这对日常生活是没有影响的，但是在完全依靠时间精度来进行距离定位的全球卫星定位领域这个精度就远远达不到要求了。从日轨到机械钟再到更为精确的石英钟、电子表，人类对于精确时间的追求可以说是贯穿于整个人类历史的。

上世纪30年代，美国哥伦比亚大学实验室的拉比，在研究原子及其原子核的基本性质时获得了一定突破，在拉比设想的时钟里，处于某一特定的超精细态的一束原子穿过一个振动电磁场，场的振动频率与原子超精细跃迁频率越接近，原子从电磁场吸收的能量就会越多，并因此而经历从原先的超精细态到另一态的跃迁。反馈回路可调节振动场的频率，直到所有原子均能跃迁。原子钟就是利用振动场的频率作为节拍器来产生时间脉冲，为此拉比获得了1944年的诺贝尔奖，后来拉比的学生拉姆齐还因大幅提高了原子钟的精度，也斩获了1989年的诺贝尔奖。不过原子钟又是一个横跨量子物理、电子电路、物理光学、几何光学等多个领域的结合体，比如这个NIST F-1原子钟，它由170个元器件组成，其中包括透镜，反射镜和激光器。位于中部的管子高1.70米，铯原子在其中上下移动，发出极为规则的时间“信号”

想让我们在三年之内搞出这么一个高精尖的设备来，真的是不容易，虽然在上世纪上世纪六七十年代，我国就开始了对原子钟的理论研究，但在北斗二号项目之前，还没有人真正把原子钟的理论落地到实践中。而我们在北斗的心脏模块原子钟方面被卡了脖子，也让经79岁的雷文琦和他的团队立志要自主完成原子钟的制造。不过时间的紧迫与经验的欠缺，始终是一个原子钟研发团队面前的巨大难题的难题。

不过经历了无数的996和007的奋战之后，2006年我国第一台星载铷原子钟一飞冲天，时间精度完全达到预期，不过据说整个雷文琦的团队都没来得及庆祝一下，就全部投入到了北斗二号首发星的研发任务中了。

又经历了没白天没黑夜的8个月，2007年4月14日，首颗北斗导航卫星终于发射成功，并传回了时钟信号，北斗导航工程终于拥有了一颗完完全全的中国“心，同时也宣告我国的全球卫星定位系统，终于没有被卡脖子的地方了。也正是因为有了北斗，GPS芯片的价格才由之前的数千元，逐渐降低到现在的区几块钱，甚至最近苹果也开始正式支持北斗了。

明明是接收器高可用的问题-莫往卫星信号身上甩锅

无论是在芯片设计软件EDA还是在这次出问题的北斗接收器，我国在这种需要时间打磨，需要打气熬力的领域特别爱掉链子。正如前文所说北斗接收机实际上是由两部分构成：一是接受卫星信号接收器，二是精确授时及位置计算系统。由于北斗接收机使用的无线电信号作频点1561MHz,带宽2.046MHz，这个频段的信号遇到建筑物等阻碍往往衰减很快，在民用场景下很有可能会遇到丢失信号的情况，而且北斗接收器也是一个需要时间沉淀才能完全排坑的领域，我们看到像GPS芯片到目前已经发展了三代才算基本稳定下来，而北斗的接收器芯片现在刚刚是初代产品，这就急着要以北斗数据为准，这明显不符合高可用设计原则。

在民用场景下，还是要考虑实际情况，手机基站定位的数据其实也不能造假，虽然精度有限，但完全可以用来定性分析，而再辅助以GPS数据相互印证，最后在北斗也在线的情况下以北斗为准，通过将可用性依赖分散到不同系统上以提升客户端的可靠程度。另外在我们银行使用的场景下，对于可用性有要求的系统往往都会配备一主一备两个节点进行冗余备份，那么北斗接收器是否也应该考虑在产品尚不成熟的情况下，安装两个接收器相互印证，以提高接收系统的可用性。