2020年07月05日 星期日
北斗:世界上最亮的指路明星
第3版:新民一周 2020-06-29

北斗:世界上最亮的指路明星

朱国顺

朱国顺

6月23 日上午9 时43 分,第五十五颗北斗卫星在长征三号乙火箭推动下奔向太空,定位于地球同步轨道,至此,中国北斗三号卫星导航系统星座部署全部完成,将全功能投入使用。

北斗三号,这是世界上最亮的指路明星。

卫星导航,是地球上覆盖面最广、性价比最高的定位指路方式。在几经磨砺之后,1994 年中国下决心,决定建设自己的卫星导航系统——北斗。

建设自己的卫星导航系统,首先要确立符合中国实际、适应中国需求的技术路径。

通过卫星获取某一个地点的位置,一般在太空中需要布置至少3 颗导航卫星,即三球交会定位原理。实际上在测量时会产生各种误差,为了消除误差,往往还需要第4 颗卫星的辅助。同时,为了随时随地接收到4 颗以上导航卫星信号,非静止环绕地球的卫星总数往往远高于4 颗。美国GPS 和俄罗斯GLONASS系统导航卫星的数量,都在24颗以上,就是这个原因。

在上世纪90年代,短期内发射这些数量卫星对中国来讲,是勉为其难的。聪明的中国人想出来一个绝妙办法,提出由两颗卫星组成双星定位系统,同时在地面设置一个地面控制中心,通过控制中心、卫星、用户三者之间的交互计算得到用户的位置。这时需要两颗卫星均位于地球静止轨道保持相对位置不动,其轨道高度在35786 千米。

2000 年,首批两颗北斗卫星成功入轨,这就是北斗一号的开端。它覆盖中国全境,还能像“发短信” 一样主动发送文字消息,比单向接收数据的GPS 等系统好。

北斗一号的缺陷在于,它的定位精度为20-100 米,时间精度为20-100 纳秒,与同期GPS 的10 米和20 纳秒差距明显。

2010 年起,中国又发射了14 颗导航卫星,组网成北斗二号系统,覆盖范围扩大至亚太地区大部分区域,定位精度从20 米提升至10 米,时间精度达到10 纳秒。

最适宜导航卫星的轨道,是高度约20000 千米的中圆轨道。但这个轨道飞越目标区域的时间较短,要实现稳定覆盖必须发射足够多的卫星,而此时中国相关技术能力尚不具备,中国另辟蹊径开创了“混搭” 的卫星布局方式,将14 颗卫星分布于三种轨道,4 颗中圆轨道,5 颗倾斜同步轨道卫星保证对亚太地区长时间覆盖,5 颗地球静止轨道卫星实现此区域的全时段稳定覆盖。

导航卫星的授时对精度影响极大,1 纳秒的时间误差会产生距离误差0.3 米,国际先进的星载原子钟精度需要达到每10 万年才会产生1 秒的误差。

2017 年底开始发射的北斗三号卫星,能力与水平都提升到了一个崭新高度。使用寿命从8 年增至10 年以上,所有部件全部实现中国造,原子钟精度达到1000 万年差1 秒。

2017 年底发射1 箭2 星,2018 年发射9 箭17 星,2019年发射6 箭8 星,2020 年发射3 箭3 星,不到3 年时间30颗卫星以前所未有的速率发射升空,完成组网星座部署。3颗地球静止轨道卫星分布在赤道上空,3 颗倾斜同步轨道卫星稳定覆盖亚太地区,24 颗中圆轨道卫星昼夜不停围绕地球奔跑,共同组成一个先进的北斗三号卫星导航网络。从此,每时每刻无论身处地球任何角落,总有5-6 颗北斗卫星在关心你。

特别是中国北斗特有的星间链路,大大减少了系统对地面站的依赖,提高了稳定性。整个系统的精度持续增加,可达到米级、分米级甚至是厘米级、毫米级。

从北斗一号首星到北斗三号末星入轨,20 年间,55 颗北斗为中国、为亚太、为世界搭建起了独树一帜、功能全面、技术先进的卫星导航系统,它将向全世界开放,成为地球上70 多亿人生活的一部分。

这是世界上最亮的指路明星。

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