和 GPS 相比，北斗导航有什么优点？

北斗二代的卫星星座（意思是：要用哪几种卫星，卫星在什么轨道，如何运行等等）是由我们学校的许其凤院士设计的。当然，后期经过一定的优化设计，但基本沿用了许院士的设计。我有幸听过许院士的讲座，结合我所学知识、所看到的新闻进行回答。

1. 安全。这绝对是建北斗最最重要的原因，没有这个原因北斗真的是可以不建的，或者说可以缓一缓再建。GPS使用了这么多年，军队官方都没有统一装备GPS的任何产品（当然，会有私自购买的，只是一小部分），因为战时美国绝对不会让你他的GPS，GPS信号是可以加密或关闭的。在地理信息如此重要的战场，你只能靠自己。对于民用领域， @silencew 提到GPS信号“做了手脚”，这是GPS的SA政策，而且这个政策在2000年5月1日已经取消了，所以你说GPS“做过手脚”的精度是5m是不正确的，实行SA政策时的精度应该是100m左右。虽然GPS的SA政策取消了，却让民用市场对其信心大大降低，只有自己能够完全掌控的系统才能保证安全！缺点就是要花钱，但这个钱，第一，必须花，第二，花的还真不算多，GPS耗资200亿美元（现在应该已经不止这么多了，因为需要不断替换老旧卫星），北斗系统“预计投入经费500亿”人民币，一个字，值！
2. 三频信号。北斗使用的是三频信号，GPS使用的是双频信号，这是北斗的后发优势。虽然GPS从2010年5月28发射了第一颗三频卫星，但等到GPS卫星全部老化报废更换为三频卫星还好几年。这几年就是北斗的优势期。三频信号可以更好的消除高阶电离层延迟影响，提高定位可靠性，增强数据预处理能力，大大提高模糊度的固定效率。而且如果一个频率信号出现问题，可使用传统方法利用另外两个频率进行定位，提高了定位的可靠性和抗干扰能力。北斗是全球第一个提供三频信号服务的卫星导航系统。（@丧心病狂的白菜：目前与北斗比较的是GPS Ⅱ，北斗性能还略有欠缺。GPS ⅡS正在换，更不用跟GPS Ⅲ比）
3. 有源定位及无源定位。有源定位就是接收机自己需要发射信息与卫星通信，无源定位不需要。 @Cloudz Dong 所说的是北斗一代的有源定位，有源定位技术只要2颗卫星就可以完成定位，但需要信息中心DEM（数字高程模型）数据库支持并参与解算。它在北斗二代上被保留下来，但不作为主要的定位方式（这个有待考证。
   必须强调一下，北斗二代使用的是无源定位，和GPS是一样一样的，不需要信息中心参与解算，以此为理由批评北斗二代是不可接受的，有源定位顶多算个补充功能 ）。这个功能的好处是当你观测的卫星质量很差，数量较少时（理论上，无源定位至少要4颗卫星才能解算XYZ和时间四个未知参数，实际需要的更多），仍然可以定位。这个功能对于紧急情况会比较有用，比如在山谷中，观测条件非常差，能知道大概位置也是非常重要的。坏处是在战争中会暴露你的位置信息。需要信息中心参与解算就是排名第一答案说的“资源有限”，我们实习时候使用的北斗一代手持机，每60秒可以定位一次，不能频繁定位，以保证信息中心不能过载。但是北斗一代不能民用的主要原因不是这个啊！北斗一代称为北斗卫星实验系统，北斗二代称为北斗卫星导航系统，叫他一代二代仅仅是方便而已。从名字上就可以知道，北斗一代只是做个内部实验而已，检验一下我们的理论、技术是否可行，定位精度如何，再进行后续改进，设计的初衷根本没打算民用啊。就像是苹果公司做个内部样机，自己试用一下看看要怎么改进，你就说因为他没拿出来卖，是因为他技术不行？这就有点太过霸道了。因为北斗一代不能民用就说北斗不行的全都是耍流氓！
4. 短报文通信服务。这个绝对是中国原创功能，并且非常实用。08年汶川地震的时候，震区唯一的通讯方式就是北斗一代，当时简直是好用到哭啊，也没人嫌弃北斗一代手持机又大又丑了，有和没有简直是质的飞越，所以该功能果断在二代中保留下来！（说明：北斗不是唯一的通信手段。@张yz ：汶川地震的时候铱星电话是救命的通讯手段。@我不牛了：北斗不是汶川地震震区唯一的通信手段，我们课题组提供过一套北斗以外的通信设备并且成功应用了。）但是这个功能也是有容量限制的，所以并不适合作为日常通信功能，而是作为紧急情况通信比较合适。基于这个功能，北斗还有一个好处是，不但能知道我在哪，还能让别人知道你在哪。这个功能有利于求救啊。国家大力宣传此功能，可能基于以下两个原因：第一，这个功能中国独有。第二，宣传其他功能大众听不懂啊，解释起来太费劲了（玩笑话）。
   
5. 境内监控。 卫星定位系统一般由三部分组成：空间星座部分，地面监控部分和用户接收机部分。其中，地面地面监控部分又由三大部分组成：监控站，主控站，注入站。GPS系统在全球建了5个监控站，1个主控站（ @夏牧阳 说炸毁北斗地面指挥中心北斗就失效了，所以得出结论战争时北斗无用；那我们炸毁GPS的主控站（及其备用站）不也一样的吗，所以可以得出结论：GPS是无效的吗？看待北斗的时候能不能不要带有色眼镜。）和3个注入站以保证卫星运行，这些站都设在美国国土上，并且在全球分布很均匀。包括美洲大陆的美国本土，太平洋的关岛和夏威夷、印度洋的迭哥枷西亚以及大西洋的阿森松群岛。中国没法把监控站建到全球，所以中国在设计北斗系统时必须考虑到，地面监控部分只建在中国境内，就能够保证整个系统的正常运行。在境外建站也不是不可以，只是就算建了，也只起到提高精度的作用（详细请看7.局部加强，逐步成熟。），绝对不能作为控制功能。这本来是北斗的劣势，境内监控是被逼出来的，没有其他选项，但现在成了北斗的安全优势，不用受制于其他国家。（更新：1、中国境外的首个陆地遥感卫星数据接收站“北极站”，将于2015年在瑞典开工建设，预计两年建成。2、中国将在南美洲的阿根廷建造首个境外卫星跟踪站。从南美到北极，中国卫星产业开启全球化模式）<img src="https://pic3.zhimg.com/9272bcee7afd2fe417f8da572780c632_b.jpg" data-rawwidth="573" data-rawheight="275" class="origin_image zh-lightbox-thumb" width="573" data-original="https://pic3.zhimg.com/9272bcee7afd2fe417f8da572780c632_r.jpg">
6. 分步开通。GPS必须整个系统建成后才能使用。目前北斗的14颗在轨卫星使用了5颗地球静止轨道（GEO）卫星，5颗倾斜地球同步轨道（IGSO）卫星，4颗中高度圆轨道（MEO）卫星。北斗的星座方案来之不易，许院士说当时有几个方案参与竞争，光是方案的修改论证就持续了整整三年，最后确定的这个方案不敢说没有缺点，但绝对是所有方案里最好的一个。不要认为国内建个什么东西都是领导拍拍大脑就决定的，有很多人为了中国的发展呕心沥血。中国现在发展那么快，要感谢这么一小部分人，他们真的很努力！言归正传，北斗卫星导航系统在这个创新的空间星座支持下，仅仅发射了16颗卫星，就于2012年12月27日在亚太地区正式开通运行。这有利于加快北斗的商用进程，有利于对后续的系统做进一步改进，有利于加快北斗产业链的成熟。毕竟北斗的最大市场肯定是中国嘛，先让北斗系统在亚太地区发展几年，让芯片成熟几年，想推广到全球的时候也会相对容易。而且亚太地区的卫星利用效率肯定也更高，更值得优先投资。（新闻：2015年3月30日，首颗新一代北斗导航卫星由长征三号丙运载火箭在西昌卫星发射中心发射。该星的发射成功标志着我国北斗卫星导航系统由区域运行向全球拓展的启动实施。北斗全球系统试验卫星工程I1-S星是第17颗北斗导航卫星，其将开展新导航信号体制、星间链路等试验验证工作。中国北斗卫星导航系统总设计师杨长风31日对记者表示，2015年我国还将发射3到4颗北斗导航卫星，构成一个完整的试验体系，北斗导航卫星再次进入密集发射期。 首颗新一代北斗导航卫星将实现技术突破，除了寿命由8年延长到10到12年外，在功能、性能上将有较大提升，可为全球用户提供更高精度的卫星导航服务。下一代全球覆盖导航卫星从性能指标上要比现在在轨运行的这个系统性能提高1到2倍，最高精度会达到2到3米。）
7. 局部加强，逐步成熟。理论上GPS在全球的定位精度是相当的。北斗系统针对中国及其周边地区是特别加强过的，在国内卫星的几何条件比较好。单点定位的精度取决于两个方面：一是观测量精度，二是所观测卫星的空间几何分布。导航中用精度衰减因子DOP来表示卫星空间图形的贡献，包括：空间精度衰减因子GDOP 、位置精度衰减因子PDOP、时间精度衰减因子TDOP、平面精度衰减因子HDOP、垂直精度衰减因子VDOP、相对定位几何精度衰减因子RDOP。随着北斗全球系统逐渐成熟，DOP越来越小，他在中国及周边地区的定位精度超过GPS简直就是嗖嗖的~~~“逐步成熟”并不是一个托词，而是技术、理论上的进步。（1）卫星数量增加。GPS设计使用21+3颗卫星，即21颗工作卫星，3颗备用卫星。目前GPS实际已经使用了32颗卫星，卫星数量越多，就会得到越多的冗余数据，数据就越可靠，DOP值越小。北斗现在只有16颗，等北斗卫星的数量越来越多，也会得到更多观测数据，精度提升是必然的了。 @冯浩提到北斗芯片一般会支持GPS，我认为可能存在以下原因，第一是补充北斗系统的精度，第二是为了开拓市场（刚开始只支持北斗没人用啊）。这样的话芯片更复杂，功耗更高，开发难度更大。但也不能说全是坏处，目前兼容不同系统也是行业发展的趋势，GLONASS芯片一般也要兼容GPS，北斗芯片也有支持GLONASS甚至三个系统的。兼容系统，数据冗余更多了，精度更高，DOP小，这项功能做好了也会成为中国芯片厂商的优势。（@萧十一狼：我们的羲和系统能够同时收到四个GNSS系统，确保定位最精确，实时对比，确保老外没对我们动手脚。）（ 12月4日补充一下，魅族MX4，MX4pro，小米4，华为G7，三星S5，NOTE4现在均已支持GPS、GLONASS、北斗。可以看到，兼容三大导航系统已经是大势所趋，相信在不久的将来，兼容北斗的终端将会越来越多 。大家也不用纠结要选择哪一款定位系统了，三大系统一起用真是优势多多！ ）（2）改正模型优化。与信号传播路径有关的误差有：对流层折射误差，电离层折射误差延迟误差，多路径效应，地球自转效应误差。这些误差是没办法完全消除的，只能不断减小。用于改进电离层折射误差延迟误差的Klobuchar模型就是根据长时间气象观测数据，构造出电离层折射随时间变化的经验公式。说白了就是猜出来的，不过是有水平，有数据支持，聪明的猜，才出来后进行试验验证，好用就留着，不好用就继续改。全球不同地区的电离层对流层都是不同的，这些公式是根据国外的观测数据构造的，用在中国自然会差一些，我们需要给北斗更多的时间累计观测数据，等待开发或优化更多的适合中国地区的改正模型。（3）卫星轨道精度提高。卫星的实际运行轨道肯定与设计轨道有一定的差距。伪距定位的原理是：采用距离后方交会的方法确定接收机天线的三维坐标。只有卫星轨道精度提高了定位精度才会高。卫星的轨道是通过监控站的观测数据拟合出来的，观测时间越久，累积的数据越多，拟合的轨道越精确。北斗缺少国外的观测数据，所以轨道精度在亚太地区较高，在国外的轨道精度会比较差。弥补这个缺陷也需要给北斗时间。再提一下地球静止轨道 （GEO）卫星。GEO卫星相对地球做不到完完全全的静止，会有一定的漂移。而地球同步轨道只有一个，资源非常稀缺，国际上把这个轨道划分成了一小段一小段的圆弧，卫星只能在分配的范围内移动，否则可能与其他卫星相撞，所以每隔一段时间就需要调整GEO卫星位置。目前调整北斗采用的是脉冲式，只能按整次数来调整卫星的位置，不能是零点几次，所以可能出现多一次嫌多，少一次不足的情况。在后续发射的GEO卫星，调整卫星会改用连续式，想喷多少就喷多少，增强卫星控制能力与精度。一旦进行调整，之前的观测数据就会作废，需要重新累积数据。在调整卫星期间，那颗卫星处于失效状态，因为我们不知道它的具体位置，需要几天时间来重新定轨。但好在GEO卫星数量比较少（5颗），定轨比其他两种卫星容易一些，速度也比较快一些。其他两种卫星不存在这种情况，观测时间久了，拟合的轨道精度自然就提高了，直到他死掉那天。
8. 定位精度。“北斗系统定位精度由水平25m、高程30m，提高至目前水平10m、高程10m，测速精度由每秒0.4米，提高至0.2m，受时精度优于20ns，目前在中国及周边地区，北斗系统服务性能与GPS相当。”许院士讲座时说，他们的实测精度（按中误差算）可以达到水平4~5m，高程5~6m的精度水平。许院士表示，北斗在刚投入使用就能达到如此精度，这连他们设计北斗系统的时候都没想到，已经非常满意了，而且北斗还有很大进步空间，精度还能进一步提高。上述10m的精度，我个人认为应该是对亚太地区的平均精度。需要注意的是，北斗的平面精度与高程精度是基本相当的，而GPS系统的水平精度确实不错，但是他的高程精度是软肋，比水平精度差得比较多，一般是1.5倍到2倍。 @silencew 说GPS定位精度可以达到mm级，这是能实现的，但是不能脱离限制条件而谈。卫星定位方法有很多种形式，如果按用户卫星测量设备在作业中的状态，可分为静态定位与动态定位，若按参考点的位置不同，可分为绝对定位和相对定位。差分技术是基于同步同轨性原理，使用已知点的基准站，计算出改正信息，再发送给流动站，进而改正流动站的瞬时位置。这是针对动态测量的技术，把定位精度由10~40m提高到小于3m。精度达到mm级应该是静态的长时间的优质观测条件下的绝对定位。（以及有条件的相对定位。@snailchaser：绝对定位的话，长时间的静态PPP（精密单点定位技术）确实可以达到mm级，不过用相对定位的方法（载波相位测量＋双差解模糊度），在短基线＋较开阔环境下，也是可以稳定达到mm级的，甚至连动态也能达到这个精度。）具体解释一下，静态，就是要专门建一个房子，专门建一个固定观测墩，这时三脚架精度已经不够，而且还容易被移动。长时间，就是24小时，365天不间断观测，这就肯定要保证有电源，而且要求还很高，不能断电，备用电源神马的一定要有。优质观测条件，就是要没有电磁干扰，没有高大建筑遮挡，人不能随意靠近GPS天线，附近不能有平静水面（会有多路径效应），没有大的山坡。不可或缺的是一台高精度，高稳定性，高品质的GPS接收机及其他附属设施（保存、处理数据等功能）。要满足这些条件只能远离城市，在有一定条件的农村，建一个永久的高精度观测站。不是随随便便就能满足这样苛刻条件的，建设和运行成本都非常高，我们学校就有建这样的观测站，我们是不能进去看的，因为会干扰信号，只能瞻仰下外观了。北斗要这么观测，精度肯定也不是10m了，不要随便道听途说了一个数据就说比北斗强，请说明观测条件！特别说明一下，GPS系统使用的是WGS-84坐标系，北斗使用的是CGCS2000坐标系，所以二者的数值不能直接进行比较，需要进行坐标转换，而坐标转换一般会带来精度上的损失。精度是可以在各自坐标系下直接比较的，不用进行坐标转换。
9. 促进整个制造业的升级。（1）英语专业的学生英语水平那么高，你英语那么差，还学英语干什么？！同理，GPS的芯片那么好用，我们北斗系统的芯片不好用就不去努力进步了吗？建成北斗系统，中国芯片厂商的春天啊，中国的芯片厂商终于可以有机会和国外的芯片厂商在北斗芯片上一较高低，虽然目前必然是有巨大差距的，但至少可以努力下吧？你让国内的芯片厂商生产GPS的芯片和国外厂商竞争？这才是几乎不可能。这就叫打破GPS的垄断地位！“专家预测，到2015年，中国北斗相关产业规模将突破500亿。 预计到2020年，仅北斗卫星导航市场将达到年产值4000亿元人民币，年复合增长率达到40%以上。”北斗很赚钱，国家给你创造机会了，这个钱要怎么拿，就看各自的本事了。看看全国遍地开花的北斗产业园就知道机会多难得。整个系统国家只负责空间星座和地面监控部分，这两部分耗资巨大，技术要求高，且具有唯一性，系统性能指标主要取决于这两部分。用户接受设备部分则主要交给市场完成，这部分决定了导航系统的易用性，生态链的活力等，但这部分是人人都可以参与的，替代性非常强，所以自己的芯片不行，别全都赖给北斗，北斗很委屈~（2）北斗系统的精度不够高很大一部分的原因是中国的原子钟不行。卫星导定位中，时间系统有着极其重要的意义，在由跟踪站对卫星进行定轨时，要求卫星位置的误差小于1cm时，相应的时刻误差应小于2.6μs（1微秒=10 -6秒）；如果要求测量的距离误差小于1cm时，则信号传播时间的测定误差应小于0.03ns（
   1纳秒=10 -9秒 ）。中国的原子钟相对国外产品，体积大、质量重、精度还差了一个量级，这种高精尖的技术国外是对中国禁运的，我们只能靠自己。为什么不行？因为有一段时间原子钟是可以从国外买的，相比起自己研制成本还不高，质量很好，国内直接放弃研制原子钟了。等中国说要建导航系统，国外立刻对中国实施禁运，中国这个时候才赶紧又开始原子钟的研制工作，暂停研制这几年对中国的原子钟发展多可惜，本来技术虽然不算先进，但也勉强跟上世界潮流，现在却拉下一大截，如果中国一直坚持自己研制原子钟，现在的北斗系统精度更高。要不是北斗系统，中国的原子钟技术更是悲剧了。从这个例子也可以看出，靠别人靠不住啊，还想着GPS呢？你什么时候被他坑了哭都没地方哭，因为你没给钱啊，我对你又没什么责任，给你用是照顾你，不给你用那才是应该的！现在你觉得用GPS不给钱好不好？没关系，北斗也是免费的，更是自己的，靠谱的，安全的！就说这两个例子，其他方面请自己脑补。
10. 建设速度快。欧洲早在1999年2月10日就提出建设GALILEO系统，在2005年发射了第一颗实验卫星，
    2008年4月27日，发射第二颗实验卫星，进度比最初的计划推迟了整整五年，  2012年10月发射第3第4颗卫星。这四颗卫星组成网络，初步发挥地面精确定位的功能。 北斗的第一颗卫星在 2007年4月14日发射升空，
    2012年10月25日第16颗北斗卫星发射，这是北斗区域网最后一颗卫星，北斗导航工程区域组网顺利完成，
    2013年12月27日正式发布了《北斗系统公开服务性能规范（1.0版）》和《北斗系统空间信号接口控制文件（2.0版）》两个系统文件，这是北斗正式商用的标志，所有的厂商都可以根据这两个文件来开发自己的产品。北斗与GALILEO在使用频率上是有竞争关系的（有重叠）， “根据 “谁先使用谁先得”的国际法原则，中国在2009年发射三颗“北斗”二代卫星，正式启用该频率，而欧盟连预定的三颗实验卫星都没有射齐。败下阵来，失去对频率的所有权。 ”速度决定成败啊，中国完胜，这简直就是现实版的弯道超越。在这件事上我由衷的表扬一下社会主义制度，能够集中力量办大事。欧盟技术比中国先进，按说研发速度应该比中国快，而实际速度比中国慢的原因嘛，首先是大家都知道的财政和利益分配问题，大部分时间都用在谈（chao）判（jia）上了吧；其次（我猜的），欧洲做事比较严谨，对卫星的要求比较高，所以研发时间变长。他们严谨的做事态度是值得我们学习的，但是！这也太磨叽了吧，又不是一个人的独角戏，旁边还有一个虎视眈眈的中国啊，被甩了也是必然的了。看到我的祖国这么欣（sang）欣（xin）向（bing）荣（kuang），我也就放心了！
11. 国际认可。新闻：北斗正式纳入IMO全球无线电导航系统-2014年11月新闻

2014年11月17日至21日，国际海事组织（IMO）海上安全委员会第94次会议在英国伦敦召开，审议通过了对北斗卫星导航系统认可的航行安全通函，标志着北斗卫星导航系统正式成为全球无线电导航系统的组成部分，取得面向海事应用的国际合法地位。北斗卫星导航系统成为继全球定位系统（GPS）、格洛纳斯卫星导航系统（GLONASS）后的第三个全球卫星导航系统，服务世界航海用户。这必将带动北斗卫星导航系统在航海领域的国际化、产业化。获得IMO认可后，我国将继续全面推进国际电工委员会、国际航标组织、国际海事无线电技术委员会、国际电信联盟等国际技术组织的标准、规范、指南文件的制定和修订，以实现北斗系统进一步在国际海事领域的全方位应用。

北斗也不是完美无缺，所以必须把北斗存在的问题单独再提出来说明一下。上文在说北斗优势的时候，也没有回避北斗的问题，比如：国外监控站很少，优势与劣势并存的GEO卫星，星钟的差距，等等，具体内容文中找，这里就不进行赘述了。上面没提到的有：（1）卫星质量不高，寿命比较短。GPS卫星的寿命一般在8年，北斗卫星的寿命在5年左右，已发射的16颗卫星中，已有2颗老旧卫星失效。替换卫星的工作都是国家完成的，完全不影响用户使用。（这个问题基本解决了，前面提到：卫星寿命由8年延长到10到12年（解释一下下，数据前后有出入，我也不知道哪个更准确，总之是新卫星寿命延长了。））（2）芯片价格较高。这是由于芯片的生产特点决定的，芯片在研发阶段投入非常大，一旦研制成功，后续的生产成本就比较低了。北斗刚投入使用，用户还比较少，所以价格高，等到大规模生产的时候，成本就被摊薄。（3）强制安装北斗。这一条消息刚出来的时候我也特别不舒服，但是请参考凤凰军事的短评。“  明明知道GPS是处于绝对垄断地位的产品，却鼓吹“北斗”去搞什么所谓“市场竞争”，完全就是一种闹剧。这种言论明显背叛了市场经济最基本的原则。”附上链接，你们感受下： ”防务短评：“反对强制安装北斗”是背叛市场经济，另一篇文章中提到了GLONASS的强制政策：北斗导航强制安装 打破垄断就得靠抢？

 为了回答这个问题，我找到许院士的讲座视频，重新温习了一遍，可惜资料不全。我会把视频中提到的第一手数据更新到文章中。但文章中仍有很多数据来源于网络，真实性可能存疑。如果大家有更好的资料，欢迎联系我，我一定虚心改正！

感谢马存昊，种洋，许扬胤同学提供的帮助！感谢宇超群教员指出文中的不足！
参考文献：
[1]郝金明、吕志伟，卫星定位理论与方法


 终于赶在我毕业前答完了，从6月25日~6月30日每天更新。第一次在试卷以外好好答题，也是第一次把所学知识应用到生活中，算是尽我所能科普一下吧。以上内容我想到什么说什么，思路比较混乱，表达不够清晰，知识储备也不足。我学的是测量工程专业，不是专门搞北斗的，文中难免有错，敬请各位专家批评指正！

2014年12月4日补充。
2015年4月1日更新一下。  原来答案言辞过于激烈了，见谅~
2015年7月22日1k+赞纪念。前300+赞用了整整一年时间，后面700+赞只用了短短3天时间。这件事告诉我，不要在意一时的得失，认真做事，厚积薄发。
2015年7月23日知乎日报纪念。感谢大家的支持！但是因为现在没有在做测绘有关的工作，所以一些测绘问题可能已经难以解答了。还有，关注需谨慎啊，我除了这篇回答，其他回答很随意的，平时关注的比较多的是美食，男装和健身有关话题。需要继续关注测绘有关内容的，可以关注其他大神啦。
2015年7月25日更新。感谢大家在评论区指出的错误和不足。已经在原文中更正。

作者：沈辰
链接：https://www.zhihu.com/question/22289372/answer/27250528
来源：知乎
著作权归作者所有。商业转载请联系作者获得授权，非商业转载请注明出处。

原标题：美国恨透的中国北斗卫星
作者：Donnie
来源：军工圈
国际上有一个高大上的俱乐部，它只有四个会员，却吸引了各国首脑的关注和众多顶级科学家工程师的研究，这个俱乐部就是GNSS（全球导航卫星系统），四个会员分别是美国GPS、欧洲伽利略GALILEO、俄罗斯格洛纳斯GLONASS、中国北斗COMPASS。

中国北斗是个新会员，同时也是发展势头最猛的会员，北斗是咋回事？对我们的生活有什么影响？这是一个很有意思的话题。关于北斗，学术期刊上的文章有很多了，但专业文章的术语太多，普通人读不懂，而且也不会有兴趣去读。<img src="https://pic2.zhimg.com/5667b580d8da0c8ce8743daad9bd284d_b.png" class="content_image">


因为专业的原因，我一直关注着北斗，而且多年通信专业基础课的教学实践，培养了我将复杂的专业问题用通俗的语言描述出来的特长。我利用了两个月的业余时间，查阅了大量公开发行的资料，梳理出了这篇全面介绍北斗卫星的科普长文。

1、从GPS说起

1957 年10月4日，苏联发射了全世界第一颗人造地球卫星，开创了人类的空间世纪。美国对此密切关注，有一位名叫比尔·盖伊的数学家和一位叫乔治·威芬巴赫的物理学家，他们在霍普斯金的应用物理实验室里发现了一个现象，那就是这颗卫星的频率出现了偏移，经研究发现是相对运动引起的多普勒频移效应。

这两位科学家对此进行了实验研究，发现如果在地面上架设多部接收机，就可以根据接收到的信号的不同频差推算出这个卫星的具体位置，他们很高兴地把这个研究成果告诉了实验室主任弗兰克。麦克卢尔，说他们已经实现了对苏联卫星的多普勒定位跟踪。

弗兰克主任当时在做海军的一项研究，研究内容是五角大楼如何知道茫茫大海中军舰的具体位置，听到两位科学家的汇报后他眼前一亮，既然你们能够发现卫星在哪里，如果把问题反过来，卫星就能发现你们在哪里，海军军舰定位的问题有思路了！

GPS系统就按这种思路启动了，方案中需要解决的第一个问题就是：卫星该采用低、中、高哪种轨道？如果采用低轨道的话，发射成本比较低，精度比较高，但若覆盖全球的话则需要200颗卫星，这样浩大工程实在是负担不起。

如果采用高轨道，理论上三颗卫星就能覆盖全球，但除了高轨道卫星的发射难度大之外，更主要的是定位精度会很低，原因有两个：一是轨道太高会导致测量误差大，二是静止轨道与地面物体的相对速度很小，不利于使用多普勒频移的解算方法。

中轨道是比较折衷的方案，覆盖全球只需要24-36颗卫星，由于轨道是运动的，即使地面的物体不动，但相对卫星的速度也很大，这就可以充分利用多普勒频移方法了。

基于以上综合考虑，美国选择了24颗卫星的中轨道星座，1978年发射了第一颗，全系统在1995年投入运行，现有卫星30颗，分为军用和民用两种定位模式，其中民用方式向全球开放。<img src="https://pic3.zhimg.com/49567098e54307c561d5b070febcb20a_b.png" class="content_image">


2、美国是不是活雷锋？

GPS是个好东西，对人们生活品质的提升相当大，例如汽车和手机导航就非常重要，人们告别了在纸制地图上找路的历史。GPS对于探险航海就更重要了，关键时刻可以救命。这么好的东西，美国又投入了巨资，居然向全世界免费，难道美国政府是活雷锋？

其实即使GPS不免费那也收不上来钱，为啥这样说呢？因为GPS是单向通信体制，这跟广播电视塔类似。广播电视塔大家都知道，它只管发射信号，到底有1个收音机听还是1万个收音机听，广播电视塔是不知道的，GPS系统也是如此，30颗卫星只管不停地向地面发信号，具体是谁在接收并使用这些信号，它是根本不知情的，既然不知情，那还怎样收钱？

通过售卖高价解码芯片来收钱行不行？答案是不行，因为GPS采用的是只发不收的单向通信机制，这对加密传输来说是先天的障碍，即使搞了加密，没几天就会被破解了，尤其是民码还要求简单易用，接收设备要求成本低廉，这对加密来说就更加困难了。

如果GPS免费，则一定会在全球形成巨大的市场，依托这套系统会产生新的国际性产业，同时会形成一股强大的国家软实力，所以说GPS免费是符合美国国家利益的。

GPS 免费对全世界的民生来说是个福利，但在军事方面却是个挑战，美国敌对国家的军机战舰上当然也可以安装，美国人也禁止不了，这对美国是不是一个威胁呢？其实GPS开放的只是民码，精度比美国军方使用的军码差了十倍，先天就挫了一大截。更重要的是，万一跟美国打起了仗，人家把GPS民码给你一停，你已经很依赖GPS了，甚至连指南针都丢了，这可就抓瞎了。如果美国不给你停GPS，而是发个欺骗码，瞄准美国的导弹就可能飞到自己的阵地上，这更加可怕。

所以说，他国的军备绝不能使用美国的GPS，一旦形成依赖就会像吸毒者一样无法自拔，必须要发展本国的定位导航系统。当然，发展本国的定位导航系统也只是少数大国的权利，至于泰国墨西哥等小国家其实是不必操这个心的，因为全球定位导航系统实在是太浩大，综合国力微弱的小国家们根本就造不起，还是老老实实地继续用GPS吧，这倒也省心。

3、北斗一代的由来

中国是个有抱负的大国，在定位导航卫星这事上可不能图省心，实际上从上个世纪70年代就已经开始闹心了，七五规划中提出了“新四星”计划，随后提出过单星、双星、三星、三到五颗星的区域性系统方案，以及多星的全球系统设想。研究、论证、再研究、再论证……从来就没有停止过。

80年代初期，以“两弹一星”元勋成芳允院士为首的专家团体提出了双星定位方案，这是当时公认的最优方案，但因经济条件等种种原因又搁置了十年。1991年是个重大转折点，海湾战争把中国人打醒了，美国的GPS在作战中的应用非常成功，决策层深刻意识到以后打仗没这东西是真的不行，被搁置十年的双星定位方案于是马上启动。

为啥不像美国那样搞30颗卫星的系统呢？当时的国情是又没经验又没钱，刚起步可得悠着点，从小打小闹开始吧，上来就玩大的容易搞砸锅。一定会有网友问，在空间中三个坐标才能定位，两颗卫星不够用啊？这是个好问题，双星定位方案中有个高度仪，用户需要自测高程，并将结果作为第三个坐标，这就好比是在地球中心装了一个虚拟的卫星，这就实现了三星定位。那为什么不干脆发射三颗卫星呢？原因很简单，高度仪很便宜，这个方案更省钱。

只有两颗星，当然不能像美国GPS那样搞中轨道的，轨道低了覆盖面就小，两颗中轨道卫星多数时间会在中国上空以外的地方飞行，那中国大陆还咋用呢？因此只能搞高轨道的，而且还得是静止的，这样才能妥妥地停在中国大陆的上空。

静止高轨道是双星定位的必须选择，从技术上讲这毫无疑问是正确的，但却埋下了性能不强的隐患，这就是要谈的下一个问题，北斗一代被诟病。
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4、北斗一代被诟病

MH370 失联后出现了很多科普，令公众熟悉了多普勒效应这个名词，那多普勒效应对卫星来说到底是好事还是坏事呢？这要看是哪一种卫星，多普勒效应对导航定位卫星来说是好事，因为卫星相对地面物体被测物体的相对速度越大，多普勒效应越明显，定位就会更加准确，这甚至是定位导航卫星的核心原理基础。

但是，多普勒效应对通信卫星来说就是坏事了，因为频率偏移会导致通信失败，必须得做修正。例如位于印度洋上空的亚太国际通信卫星就是相对地面固定的，失联的MH370在最后阶段发出的7次探寻信号被这颗卫星测出了频率偏移，这本来是要被修正掉的数据，没想到这却成了推测飞机航迹的唯一证据。用一句话总结就是：用通信卫星干了定位卫星的活，把本来是坏事的多普勒效应变成了好事。

既然中国的这两颗卫星是静止轨道的，自然可以与国际通信卫星一样完成通信任务，于是既能定位又能通信就被设计成为了北斗一代的技术特点，而GPS等其它定位导航系统都是不支持通信功能的。

美国GPS不具备北斗这样的通信功能，这真不能说人家技术落后，因为人家的卫星系统是各司其职的，定位卫星和通信卫星两套系统的性能都很优异。而中国北斗一代是身兼两职，听起来功能更加全面，其实是中国把定位卫星打到了通信卫星的轨道上，自然能收获了通信这个副业。

毕竟定位才是北斗一代的主业，大部分的信道资源都必须让给定位数据的传送，所以留给通信的信道资源就很少，它无法完成实时的话音通信，只能完成短信功能。

由于这两颗星的轨道很高，导致了地面被测物体与卫星的相对速度很低，于是多普勒效应就不明显，其定位精度自然远远比不过GPS。因此虽然北斗一代既能通信又能定位是独特优势，其实是通信功能比国际海事卫星差得多，定位功能比GPS卫星差得多，通信和定位虽说啥都能干，但啥性能都不行。

平心而论，北斗一代已经达到了设计指标，工程是非常成功的，毕竟就只有两颗星嘛，咋能跟几十颗的海事通信卫星和GPS卫星相比呢，好比是你花了800块买了部双卡双待的山寨机，骂它不如苹果手机好，这其实并不公平。

不妨做个假设，假如没有国际海事卫星和GPS卫星的话，那既能定位又能通信的北斗一代就是光芒四射的，但问题是北斗一代问世时，这两种卫星系统已经相当成熟了，在它们的对比之下，北斗一代简直就是一坨翔，而且是国家花了大价钱造出的一坨翔，当然是各种被骂，研发人员们灰头土脸不敢吭气。
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5、与伽利略计划的姻缘

北斗一代的使用体验比较差，那该咋往下走呢？这时中国看上了欧洲的伽利略计划，这是欧洲国家联合搞的全球定位导航卫星系统计划，因为这个项目实在是太烧钱，欧洲单个国家谁都搞不起，但又不能不搞，虽然欧洲国家跟美国关系很好，但也不能把国家安全都系在美国政府身上。

欧洲有技术但缺钱，于是他们瞄上了土豪中国，中国正因为北斗一代不给力而发愁呢，自然是一拍即合，据报道称中国加入了伽利略技术，并且很大方的拍了两个亿的入伙费。但中国越来越觉得不对劲，欧洲居然把日本和印度也拉入伙了，他们出的钱少但权利不少，这不是把中国当作冤大头了吗？多出点钱倒不是问题，关键在于这两个国家本来是我们在军事上要防备的，难道要跟他们在国防方面使用相同的系统？中国发现苗头不对，下定决心后就咔嚓地退出了，退出后自己单干，开始发展北斗二代。

北斗二代计划在2020年前发射35颗卫星，形成全球性的定位导航系统，比GPS还多5颗。多出的这5颗是在赤道上空的静止高轨道卫星，主要是完成短信任务的，其它30颗跟美国GPS的30颗一样，都是中轨道的运动卫星。

北斗二代的规模与GPS相当，申请的轨道和频率与欧洲伽利略比较一致，这就不可避免地遇到了卫星轨道和频率争夺的问题。卫星轨道和空间频率是人类共有的资源，那该如何分配呢？国际规则是既不按国家来分，也不按人口来分，而是谁先占了算谁的。

先占先得的原则是西方发达国家制定的，他们认为这是各国都有同样机会的公平原则，理由是：你有本事你也打卫星啊，我又没拦着你，你不打是你自己的事，如果你永远不打，难道说轨道和频率还要永远给你留着？这听起来也有道理，更关键的是，即使你觉得没道理，你也没能力阻止发达国家占轨道和频率。

2005年伽利略计划的第一颗卫星上天了，但并没有开通，只是占了轨道但没占频率，为啥没开通呢？原因是没钱，开通需要花钱的，欧洲手头有点紧。中国北斗二代的第一颗星也随后上天了，而且上去就开通了，这下就把轨道和频率都占上了，这为啥呢？这是因为中国政府不差钱。

欧洲伽利略那边慢悠悠地捣鼓，而中国这边的北斗一个接一个地不停打卫星，后来还搞起了一箭双星，而伽利略计划和北斗二代有些频率是重合的，双方都在国际电信联盟组织备案了，谁先占上就算谁的，中国的快节奏把欧洲搞急眼了，通过美国给中国施压，要求中国放慢脚步等等欧洲人民。

以前欧美国家凭借技术和经济优势抢占资源，中国技术和经济不给力只能吃哑巴亏，你们从来就没谦让过，现在凭什么要我谦让？中国不理会欧美的抗议，按既定的节奏继续打卫星。

6、亚太地区组网

虽然现在还没有把35颗卫星打全，但亚太地区的北斗二代定位导航网络已经建起来了，并已投入了使用。GPS和北斗的中轨道运动卫星都是30颗，它们各在太空上织就了一张网，GPS网眼最密处是在美国上空，北斗二代网眼最密处在中国上空，为本土提供服务是第一要务，这个道理当然很好理解。加拿大和墨西哥当然会选择GPS，而对于亚太国家来说，北斗却比GPS更有优势。

亚太国家认识到了北斗的覆盖优势，中国政府也积极推动北斗二代在亚太地区的应用，于是泰国、马来西亚、文莱、印度尼西亚、柬埔寨、老挝等国家派出了19名专家，于2014年7月来到中国考察北斗二代，研究讨论合作的事项。

第一站去的是武汉光谷北斗集团，参观了中国最大的遥感卫星地面接收站，第二站去的是黄石，参观了建设中的中国-东盟北斗示范城，第三站参观了北斗地球空间产业国际学院，第四站是参加“2014北斗技术与应用国际培训班”，在两院院士李德仁领衔的武汉大学测绘遥感国家生点实验室里连续学习了半个月。

行程安排是很讲究的，先带他们参观，行程非常密集不容你思想懈怠，一处更比一处高端大气上档次的北斗产业园区，令他们的眼睛瞪得越来越大，在内心受到了震撼后，再由国际知名科学家李德仁院士亲自授课，解答你国使用北斗的所有疑问，顺便收获了这些东盟专家的膝盖。

泰国专家表示，有些GPS卫星的信号泰国收不到，而北斗所有的卫星信号都能接收到，当然要参加北斗的“天眼”计划，而且泰国现在已建成了首批CORS（连续运行卫星定位服务综合系统）。马来西亚紧随其后，将成为北斗“天眼”的下一个落户的国家。
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7、在渔业的应用

北斗的首次成功应用是2008年5月12日的汶川地震，甭看我们平时的通信非常方便，电话、短信、互联网等手段很多，但其实都是高度依赖光纤和基站的，当这些基础设施遭到大面积损坏时，你会发现QQ、微信、微博、短信……所有平时很方便的通信手段全都完蛋了，除了靠吼之外简直就没有一点办法。

那时候北斗还是一代系统，虽然因为性能指标比不过GPS和海事卫星而被骂出了翔，但北斗一代在地震时却发挥出了不受地面影响的优势，它的定位和短信能力充分发挥了作用，成为了救援指挥部队和前线救援人员最得力的通信助手，最大限度地保证了“72小时黄金抢救时间”的有效利用，彰显了北斗服务民生的技术优势。

远洋渔业是个充满危险的行当，遇到风险时能得到及时得到救助非常重要，再节省的渔民都会备齐两样电子设备，一是GPS二是海事卫星电话，以便遇到风险时能及时求助。

遇到风险需要求救，首先要用GPS定好位，然后用海事卫星电话通知岸上的救援队，告诉他们我遇险的GPS坐标，以便他们来救我。当然也有用电台的，但电台的可靠性不如海事卫星电话，生死攸关时通不上可就抓瞎了。但是，养一部海事卫星电话是很贵的，但为了关键时刻救命又不敢不养，很多渔民对此很纠结。

北斗二代在亚太地区布网后，渔民有了一个新选择，那就是装北斗卫星船载终端，北斗的双向短信功能在渔船救险方面得到了完美应用，遇到险情后一键求救，终端会自动把附带着定位信息的求救短信通过卫星发给岸上的救援队，实现了GPS+海事卫星电话的功能，而且更加方便。

那这个终端贵吗？政府大力推广，将之列为安全机械设备，享受农机补贴政策，政府额外拿出了1个亿，免费为辽宁、山东、浙江、海南的1万艘渔船安装的北斗终端，后续再安装的直接补贴九成，渔民只需要象征性的出一成的钱就可以安装。

海事卫星电话很贵，那北斗卫星短信贵不贵呢？答案是一条三毛！这是有史以来最便宜的卫星短信了，为啥这么便宜，有政府补贴呗，其实根本就没考虑成本，收费是象征性的。本来有专家建议免费，但怕渔民们没事就发段子，过于浪费卫星信道资源，干脆就定一条三毛吧。

北斗卫星的短信功能非常受欢迎，根据浙江省2011年的统计，浙江渔民利用北斗卫星发短信1300万条，其中船与船互通604万条，船与手机互通696万条。

渔业省份在岸上大建基于北斗二代的渔业信息服务基础设施，通过卫星给渔船发送实时的天气、海浪、赤潮、鱼汛消息，甚至还有当日渔市价格，帮助渔民决定捕捞哪种鱼，渔民在海上就可以把渔获信息传到岸上，提前联系好了卖家。
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8、“两客一危”与地基增强系统

“两客一危”指的是从事道路班线客运、旅行包车、危险货物运输车，这些都必须安装电子定位装置，并将运行信息及时接入到全国的联网联控系统中。在交通管理部门的监控大屏幕上，车辆的运动状态一目了然，超速闯禁行等违规驾驶行为会自动报警，这是一项保护人民生命安全的法规。

“两客一危”的范围还在扩展，警车、公务车、校车也正在被纳入到卫星定位监控系统之中，不仅仅是为了行车安全，还要监控公车私用，车辆行驶路线清清楚楚，数据妥妥地存在数据库里，由不得司机遮掩狡辩。

这种对特种车辆的卫星监控，以前要求使用GPS，现在被政府明令要求必须使用北斗二代。有些人为此质疑过政府，以前基于GPS的系统本来就能完成任务，现在为了推广国产北斗就来硬的，这不是劳民伤财吗？

这真不是功民伤财，而是有着长远规划的必要措施。中国正在筹划搞北斗二代的地基增强系统，在路灯杆、信号塔等地方架设北斗设备，形成北斗的地基增强系统，与天基的卫星相互配合，可达到米级以下的实时定位精度。

北斗二代的天基系统和地基系统一旦成功结合，那大货车就再也不敢长期占用超车道了，而以前的GPS定位精度是10米，是无法区分车道的。给孩子戴的定位手表会更加精准和灵敏，定位信息不再是“在某地附近”，而是精确到孩子站在哪块地板砖上。

地基增强系统是要与天基系统密切配合的，如果把这个遍及全国的国字号系统搭建在美国GPS的基础之上，那万一人家收费了呢？或者把底层数据屏蔽了，那我们就被会卡了脖子。我们已经有了完全自主产权的北斗二代，自家的地基增强系统当然要跟自家的北斗二代配对。
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9、形变监测与自动驾考

北斗二代的用途非常非常多，据统计有200多项，例如有一项就是形变监测，专门对水坝、大桥、高速公路等巨大建设物的沉降和变形做测量。网友们一定会疑问，北斗与GPS的精度都是10米，咋能搞如此细致的活计呢？这源于差分算法技术。

任何测量都是会有误差的，而把多次测量后的结果统计平均，就会有效地减少误差。卫星定位的差分算法也是这个道理，一次定位的精度是10米，但把成千上万次的定位数据进行合并处理，就有可能得到更加精准的结果，甚至精确到毫米以下。

很显然，测量的次数越多和时间越长则精度就越高，而建筑物的沉降和变形是缓慢的，正好可以利用这些特点来进行高精度测量。把北斗设备固定在建筑特上面，令它自动地接收定位信息，攒足了一个月的海量定位数据后进行差分计算，精度在毫米以下的定位数据就算出来了，这比人工测量方便和准确的多。

很多偏远监测点是没有手机信号的，基于GPS的形变监测必须得人工采集，而使用北斗进行形变监测还有个好处就是数据可以直接通过北斗短信功能传回基地，给它安个太阳能板就齐活了，定位、差分解算、数据回传全部自动化。

在地面设施的配合下，北斗的实时定位精度已经远远高于GPS，现在已经达到了80公里/小时情况下2厘米的精度，这就给另一种业务提供了技术手段，那就是基于北斗二代系统的无考官驾考。

现在的倒车入库等驾考项目已经有电子监控了，压线就会报警，但路考还得有考官。以后的全部驾驶课目考试可能被北斗系统全面取代，在考试车上安装北斗接收机，无论是倒库还是路考，系统都会精确实时记录车辆轨迹，并自动评分，会比考官更严格和公正。
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10、北斗二代的政府推广

北斗二代是国字号工程，政府当然会推广，但推广的路子跟以前很不一样了。大约七八年前吧，手机上有了Wi-Fi功能，而中国政府觉得这个技术标准不好，于是出了国家自主知识产权的WAPI标准，试图以此取代Wi-Fi。其实并不是只有中国这么干，韩国也推出了自己的技术标准并抵制Wi-Fi。

Wi- Fi技术简洁便于推广，这也是它风靡全球的重要原因，但它也有死穴，那就是单向的安全机制并不可靠。前阵子3.15晚会上有带眼罩的网络安全人员现场表演了劫持观众手机信息，媒体也经常刊登手机用户接入免费Wi-Fi导致损失的报道，这都是Wi-Fi先天技术缺陷所致。

中国的WAPI标准是双向安全认证的，的确比Wi-Fi更安全，政府为了推广它而把行货手机的Wi-Fi功能阉割了，想要Wi-Fi功能的话只能买水货手机。此举引来很多人的不满，但最终也没挡着Wi-Fi的流行，后来就低调放开了，行货手机上也有了Wi-Fi，而WAPI并没有推广开，现在只是在军队等有保密要求的场所使用。韩国政府抵制Wi-Fi的行动也同样地失败了。

中国政府在推广北斗二代方面显然有了新的思路，不再用行政力量去限制其竞争技术了，而是采用免费或补助的方式来利诱，事实证明这招更加有效。例如渔船安装北斗设备，政府并不禁止渔民继续使用GPS和海事卫星电话，而在给北斗设备提供大量补助，卫星短信也只是象征性地收费，明显北斗方案更划算，渔民当然会装北斗而弃用GPS和海事卫星电话。

北斗二代有200多项应用，需要全社会的高科技企业去研究开发，不断提供更好的北斗产品，这样才能把北斗产业做大做强。中国已经有了不少搞定位导航的高科技企业，它们大多是搞GPS起家的，政府的科技部门请这些老总来开会，领导讲话言简意赅：欢迎各位继续搞GPS的研究开发，政府绝不会限制和干扰，但如果搞北斗二代项目的话，会享受高科技企业的免税政策，还会从某处得到支持资金。

北斗二代的技术体制与GPS差不多，由GPS转向北斗并不难，政府划下道了，企业老总都是人精，纷纷表态要改道搞北斗项目。被请来开会的还有高校教授，领导又说了，政府有一笔北斗科研的经费，欢迎教授们来立项，教授们也纷纷表示要申请北斗科研项目，谁忒么还傻乎乎地继续研究GPS啊，美国政府又不给钱。

领导又说了，企业有资金设备的优势，高校有人材技术的优势，不如强强联手，把教授带的研究生放在企业去做北斗科研，由企业出场地出设备出资金，研究生搞出的成果除了供他们毕业拿学位，还可作为该企业的技术创新。企业老总和高校教授都觉得这个主意不错，于是在政府牵线下纷纷结起了对子，领导管这个叫作北斗产业推广联盟。

政府推广新产业的路子变了，不再像推WAPI那样强行阉割Wi-Fi了，而是使用了利益杠杆，企业老总和高校教授都得了利，政府出面组建了产业联盟也是政绩，三方都很高兴。

中国政府对北斗二代的决心很大，搞这种国字号工程的财力很足，对内的推广政策很有成效，对外积极谈合作已有成果，还有国际电信联盟的支持，占尽了天时地利人和，预计5000亿的新产业正在浮出水面，北斗二代的前景非常乐观。

作者：蜗蜗牛
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来源：知乎
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