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中国北斗 俯瞰地球

更新时间:2020-10-02 09:46:53点击:

中国北斗 俯瞰地球

古今定位:从天文导航到北斗卫星

北斗,是中华民族的“指极星”,更是“导航星”。《史记·天官书》当中有记载:“分阴阳,建四时,均五行, 移节度,定诸记,皆系于斗”。这里的“斗”指的就是北斗,也就是我国北斗导航定位系统名字的由来。

随着人类科技的进步,导航方式也在不断发展。地文导航是最早的导航手段,即是通过身边的一些具有标志性的地文特征,比如石头、树木、河流、山川等特征物体来判断自己的方向。

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进一步发展就是天文导航,也就是用太阳、月亮、星星等自然天体来辨识方位,通过一些自然天体来进行导航。人类发明了电之后,就有了无线电系统,可以通过无线电系统的幅度、频率、相位等一系列参数,来获取导航信息,这就是无线电导航。

无线电导航最早是利用地面的、地基的台站来获取一些无线电的信息,然后发送出去,最后通过测量它的幅度、频率、相位等等,来获取导航信息。

无线电在地基传播时有测量上的误差,所以无电导航大多是采用长波导航的方式,为了解决这个问题,人类开始把导航台搬到了人造卫星上面,用人造卫星来作为导航台的无线电导航系统。

1957 年,世界上第一颗人造地球卫星由苏联发射升空。

1958 年,美国发射了“探险者一号”人造地球卫星,利用人造天体来为人类提供导航服务。

1964 年,美国研制了世界上最早的全天候、全天时的卫星定位系统——“子午仪”系统。

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“子午仪”因为只有四颗卫星覆盖全球,所以它有使用的局限性。一是无法对运动速度非常快的物体进行定位;二是定位精度大概在千米量级,无法实现高精度定位。但是“子午仪”系统用少量卫星就可以实现全天候、全天时的覆盖,且不受天气影响,这让人们看到了卫星导航定位系统的巨大优势。

在 1991年的海湾战争中,美国凭借 GPS 系统,使一系列最新式飞机和精确制导武器多方向、多波次、高强度持续突袭选定目标,GPS 的使用使得盟军在不被敌人发现的情况下穿越沙漠,并提供了每天 24 小时的二维服务和 19 个小时的导航定位服务。仅用了 40 多天时间,美国就将当时号称“世界第三大军事强国”的伊拉克打到毫无还手之力。也正是在这场战争之后,全世界都看到了卫星导航定位系统带来的巨大影响,全世界的超级大国,都希望构建自己的卫星导航定位系统,这其中也包括中国。

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卫星导航系统是一把守护国门的金钥匙。金钥匙一定要握在自己人手中。这就是为什么俄罗斯经历苏联解体、经济衰退,还在研发 GLONASS,并且规定了在特定场景下限制使用 GPS;欧盟在各种矛盾协调困难的情况下,也在努力发展自己的伽利略系统,核心就是要使欧洲经济建立在自己的卫星导航系统之上,这样欧洲才能拥有自己的主权。这也是我们为什么要建设北斗系统的原因。

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从 20 世纪 70 年代开始,中国就开始积极探索适合我国国情的卫星导航系统。

北斗一号系统自 1994 年正式启动了建设。2000年,北斗一号的 01 星和 02 星接连入轨,2003年,北斗一号的备份星,即北斗一号的 03 星成功发射,它和前两颗星组成一个完整的系统。此后,北斗一号正式提供全天候卫星导航信息服务,向军民用户开放使用,我国成为世界上第三个拥有自主卫星导航系统的国家。

北斗二号:北斗导航的建设与探索

北斗一号双星系统,采用的是有源定位的方式,但这是远远不够的,因此,中国提出了北斗系统建设的“三步走”战略:

第一步,2000 年建成北斗一号系统,也叫作北斗双星系统,主要解决我国卫星导航系统的有无问题,能够为我国和周边地区用户提供定位,短报文和授时服务;

第二步,在 2012 年年底,建成北斗二号系统,主要把有源定位变为无源定位,能够为我国和周边地区提供更加稳定的导航、定位、测速和授时服务;

第三步,在 2020 年建成北斗三号系统,也就是北斗全球系统,让北斗系统不仅是中国的北斗,更是世界的北斗,也是先进的北斗。

在北斗一号系统建设完成以后,按照北斗系统建设的过程,中国就进入了北斗“三步走”中的第二步——构建北斗区域系统。

2007 年,北斗二号系统建设稳步推进,发射了第一颗试验星,北斗系统的 04 星,它用来接替北斗一号的 01 星,保证系统连续稳定的运行和不间断的服务。因为卫星寿命有限,北斗一号的组网卫星的预期寿命是 8 年。2009 年,发射了 G2 星,接替了北斗系统的 02 星。2010 年,接替 01 星和 03 星的 G1 星和 G3 星当时顺利地接入了北斗系统,操作时间比预计的时间缩短了一半,而系统服务仅仅中断了 1 秒,就实现了平稳过渡。

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北斗二号系统,也就是北斗区域系统共有 14 颗卫星,其中 5 颗是 GEO 卫星,5 颗是 IGSO 卫星,还有 4 颗是 MEO 卫星。通过这样的混合星座,来为我国和周边的亚太地区提供导航定位服务,同时,星座还采用了“边建边用”“以用促建”的工程建设的方式,这也是全世界唯一的一个混合星座系统。

2012年10月,第16颗北斗导航卫星由长征三号乙运载火箭送入太空,中国的北斗二号正式完成了组网任务,正式跻身于世界四大全球卫星导航系统行列。

北斗二代比北斗一代来说,已经从有源定位的方式变成无源定位的方式,并且可以采用“广播式”来解决问题。也就是说,卫星一直在不断地往下发射信号,地面不管是有10个人、100个人还是1000个人,接收信号不会受到系统容量的限制,也不存在暴露位置的风险。

北斗三号:收官之星与全球组网

顺利完成北斗一号和北斗二号建设任务后,北斗开始进行全方位技术提升,包括信号体制、高精度的原子钟、星间链路以及搜救功能等等,从区域系统向全球系统的目标迈进。

北斗三号系统是由30颗卫星组成的,包括3颗GEO卫星,3颗IGSO卫星,以及24颗MEO卫星。此外,在2015年—2016年还发射了5颗试验星,也就是我们常常说的“‘五星’护航,北斗系统走向全球”。这些试验卫星,对北斗三号的新体制、新技术进行了充分的试验和验证,在验证完成之后,北斗三号系统才正式开始建设。

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北斗三号系统的建设,也分为“三步走”:

第一步是 8 颗 MEO 卫星组成的最简系统,可以对北斗三号的性能进行一些相应的验证;

第二步是基本系统,它由 1 颗 GEO 和 18 颗 MEO 卫星组成,于 2018年年底建成;

第三步就是构建北斗全球系统,即 3 颗GEO、3 颗 IGSO,以及 24 颗 MEO。

今年 6 月,收官星的发射,意味着北斗三号系统正式完成建设,开始提供全球服务。

在北斗三号系统建设期间,技术人员攻克了一个又一个难题,其中不得不提到星载原子钟技术,它是北斗系统能够从有源系统变到无源系统的关键,是导航卫星的心脏。

卫星导航的核心是时间测量。在由导航卫星搭建的星地坐标系中,每个星体都有自己的坐标信息,通过测量我们与星体间的距离,就能解算出我们在该坐标系的位置。但是我们和星体之间的距离是无法直接测量的,只有通过无线电在介质当中的传播,用测量到达的时间差来计算。在信号传播速度已知的前提下,时间测量越精密,位置解算就越精确。这就需要星载原子钟把整个卫星导航定位系统的时间统一到同一个基准上,才能够实现北斗系统的定位。

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在北斗系统建设之前,我国是没有星载原子钟技术的,当时打算从国外购买,但是遭到重重阻碍。在这个时候,我们意识到核心关键技术真的是买不来、要不来、求不来的,只能够靠自己。所以,为了解决这个问题,北斗团队经过了两年时间的攻关。现在,我国的星载原子钟技术已非常成熟,像北斗三号上的氢钟、天宫二号上的冷原子钟等,已经实现了高精度原子钟技术,其精度已提升到每 300 万年才会出现1 秒误差。

北斗系统在 2010-2012 年的三年期间,总共发射了 15 颗卫星,在 2018 年的一年当中成功地发射了 19颗卫星,它的成功其实不仅意味着中国已经进入了世界卫星导航技术强国之列,也意味着中国开始为全世界提供导航服务,这是中国科技发展对亚太地区乃至世界的巨大贡献,也是中国人在世界航天史上留下的浓墨重彩的一笔。

北斗系统不仅展示了中国精度、中国速度,也带来了中国温度。北斗系统很早就“润物细无声”地在渔船航运、防灾减灾和气象监测预报、交通物流,乃至动物保护领域都发挥了重要作用,覆盖了我们生活的方方面面。

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