北斗系統，全稱北斗衛星導航系統，是中國自主研發建設的「衛星導航系統」，功能是定位、導航、授時，類似美國GPS（全球定位系統），比GPS還多了一項能夠傳送資訊的短報文功能。

北斗導航的基本原理其實和我們平時用收音機接收電臺廣播差不多：如果把北斗衛星比作「廣播電臺」的話，我們的手機就是「收音機」。

北斗衛星（有好多顆）負責在太空中持續不斷地發出訊號，而位於地球上的手機根據收到的多個衛星訊號透過計算（接收到不同衛星訊號的時間差等引數）進行全球定位（例如：北緯多幾度幾分、東經幾度幾分等）。當然光有經緯度的精確位置還不夠，手機上還必須有導航軟體把當前的位置在高精地圖上顯示出來。

實際上北斗導航只是一套衛星系統，而並不是某個導航軟體，並且只要手機晶片支援北斗衛星就可以使用導航軟體（例如：高德、百度等）進行定位和導航。現在主流的中國產手機基本都支援接收北斗的訊號，北斗衛星的覆蓋範圍也越來越廣，從最早2012年覆蓋全國直到2020年遍佈全世界。

今年的北京高考語文作文題，意料之外地考到了物理知識。作文材料裡談到的是北斗導航定位系統。這是中國自主建設的一套衛星，一共55顆，合在一起就能讓人知道你在地球上的什麼地方。平時你手機地圖的定位功能，也許就使用了北斗的訊號。

而作文題目是，“材料中‘每一顆都有自己的功用’，引發了你怎樣的聯想和思考？”

這個題目其實還挺坑的。光看這個描述，你可能會覺得，這55顆衛星應該各自有什麼獨一無二的特徵吧？它們是分工合作實現了導航定位的效果，就像電影動畫裡的超級英雄隊伍一樣，不同的超級英雄發揮自己的特長去打敗壞蛋。

但其實，北斗系統並不是那麼運作的。怎麼回事呢？彆著急，聽我講點兒背後的物理，你就會理解了。

北斗系統的最基本的功能，是定位，也就是判斷你在地球上的什麼位置。但是，它是怎麼知道你在哪裡的呢？

靠眼睛看，肯定不行。人太小了，在太空中看不見，而且可能會被樓或者是山給擋住。

靠耳朵聽呢？

一方面，太空中沒有空氣，聲音是不能在太空中傳播的。另一方面，你平時肯定有個經驗，那就是耳朵判斷方位很不準，你只能大概聽到一個人在你後面，判斷是左後還是右後就已經要費點功夫了，判斷左後30度還是45度，一般人根本做不到。更何況，就算知道了方位，也不知道距離啊。

哎，就有科學家想到了一個測量距離的方式。什麼辦法呢？看時間。

在《30位超級英雄帶你學物理》裡面，我給你講過聲速和奧特曼的事情。聲音在空氣裡傳播是需要時間的，速度大概是每秒鐘340米。假如你大喊一聲“現在時間是晚上7點整”，但小明聽到聲音的時候看了一下表，已經7點零1秒了，那就說明聲音傳過來花了1秒鐘，也就是兩個人距離有340米遠。

但光知道距離，還是沒啥用，還得知道方位。但是接下來，科學家就想到了一件更加巧妙更加厲害的事情。

假如說小明現在知道了你距離他340米，雖然不知道方位，但還是可以這麼說，如果以小明為圓心，以340米為半徑，畫一個圓，那麼你肯定在這個圓上的某個地方，對吧？

但現場不光有小明和你，還有小紅，小紅跟小明站的地方不同，而且她也聽見了你喊的那一聲，但是她聽到的時候看了下表，已經7點02秒了，說明聲音傳到她花了兩秒鐘，你和她距離680米。那麼，以小紅為圓心，680米為半徑，也畫一個圓，你肯定也在這個圓上吧？

一般來說，這兩個圓都會有兩個交點，換句話說，你肯定就在其中一個點上。突然之間，不需要方位，只需要距離，也能確定具體的位置了！

那到底是兩點裡的哪一點呢？講到這裡你肯定能猜到了，我們再找另一個人，比如找小張，問問他什麼時候聽到你喊聲，以他為圓心再畫一個圓。這三個圓的交點，一定只有一個了，這樣一來，你的位置也就能確定了。

這，也就是北斗定位系統的原理了。當然，聲音不能在太空中傳播，就算能，你喊的聲音那麼小，衛星肯定也聽不見。所以北斗用的不是聲音，而是無線電波，但道理是完全一樣的。

所以理論上，每個衛星的功能都是一樣的，都可以相互替代，就像小紅和小明沒有高下之分一樣。

但說到這你可能就有疑問了，照這麼說，只需要3顆衛星不就能確定位置了？為什麼要55顆呢？

有好幾個原因。

第一，所有的測量都有誤差，為了讓誤差變小，一個好辦法就是多測量幾次。所以在現實中，我們會保證至少有4顆衛星同時參與，多了當然更好。

第二，地球不是平的，而是圓的，如果你去了地球的另一端，衛星的無線電波不就被地球擋住了嗎？所以只有4顆是不夠的，要有很多顆衛星，讓你不管在地球的什麼地方，頭頂上都至少有4顆衛星。

第三，絕大部分衛星在天上都必須不停移動位置，否則就會掉下來。這就意味著，可能你上午還能看到4顆，下午就只剩兩顆了，這可不行對吧。為了避免這種情況發生，發射的衛星還要更多，作為備用。

為什麼說絕大部分呢？如果把衛星打到特定的高度和特定的位置上，那麼這些衛星旋轉速度和地球一致，看起來就像是固定在天上了。這樣的位置叫“地球靜止軌道”。不過，靜止軌道的位置有限，大家會盡量省著用。

現在的北斗衛星只有3顆在靜止軌道上，並且都位於中國上方，其他的衛星都還是普通的衛星，在天上會跑。

第四，有的時候會有一顆衛星發生故障，或者需要軟體更新，暫時不能正常工作，不能因為一顆就讓整個系統大範圍出問題對吧，所以還要發射更多的衛星備用。

第五，這麼大的一個衛星系統，其實是沒法一次建成的，需要從小的系統慢慢來，北斗在20年前就開始建設了，當年的一些老衛星現在已經過時，需要新的衛星來代替。

因為這些原因，我們才發射了那麼多的北斗衛星。世界上還有其他一些衛星導航系統，需要的衛星數量也差不多。

所以回到題目來說，北斗衛星“每一顆都有自己的功用”，不是你第一反應想象的那種功用。每一顆衛星的基本功能，其實都差不多，都可以相互替代，沒有什麼獨特的屬性。

但是，整個系統要想執行，必須要有足夠的衛星線上。就算是發上去備用的衛星，也會在關鍵時刻起到不可替代的作用。這一點，才是每一顆北斗衛星真正的功用。

現在你知道了，北斗衛星需要這麼多，不是因為各有各的獨特功能，而是要保證任何時候你頭頂上都會有好幾顆衛星，這樣才能幫你定位。這種分工合作的方式，和你熟悉的超級英雄戰隊可能不太一樣，但其實更接近於日常生活裡的合作。