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北斗九问

发表时间:2020-9-9 8:59:14  热度:

2020年6月23日,我国北斗三号全球卫星导航系统最后一颗组网卫星在西昌卫星发射中心点火升空。
2020年7月31日上午,北斗三号全球卫星导航系统建成暨开通仪式在北京举行。中共中央总书记、国家主席、中央军委主席习近平出席仪式,宣布北斗三号全球卫星导航系统正式开通。
自1994年开始预研的北斗卫星导航系统终于完成全部组网星座发射任务,正式建成!
北斗卫星导航系统(以下用北斗指代)将中国人千百年来“寻路靠北斗七星”的经验变成现实,在方方面面彻底改变了中国人的生活方式。本文将围绕关于北斗的几个经典问题,详细解读这个宏大工程的意义。
1问
为什么有GPS还要做北斗
美国的全球定位系统(简称GPS)起步于20世纪70年代,经过多年发展,尤其是经商业运作以后,已经走入人们日常生活中。但是,它的本质是军用卫星导航系统,隶属于美国空军,毫无疑问会时刻以本国利益为第一位。在实践中,由于更了解自己的信号体制,工程师不仅能在信号方面增加干扰、欺骗等手段,空间段还能停止某一地区的服务,芯片定价权和使用权限等也在美方手中。
例如,GPS开放民用服务后,普通用户只能使用定位精度差且增加了选择可用性(干扰)的民用码定位服务。2000年5月2日,为打压俄罗斯军民两用卫星导航系统格洛纳斯(GLONASS)的商业化空间,GPS系统选择主动去掉干扰参与竞争,定位精度瞬间提高10倍以上。但这也意味着,它可以随意恢复干扰,甚至彻底停止区域服务。这类事情在近年印巴冲突、中东地区冲突中屡见不鲜。
GPS目前几乎用在了美军任何一种需要定位的武器中,民用方面也占据着全世界以千亿美元计的巨大市场。因而,无论是从国家国防安全,还是导航应用市场的巨大商业利益来看,中国都必须拥有自己的卫星导航系统,这个领域不会存在真正意义上的国际合作。
目前,只有美国、俄罗斯、中国和欧盟先后建立了全球卫星导航系统,日本、印度建有区域卫星导航系统,这几个国家(地区)都把相应系统作为发展的重中之重,意义可见一斑。
2问
为什么北斗有三种轨道
美国、俄罗斯和欧洲的星座只部署在距离地球约2万千米的中远地球轨道(MEO),以实现轨道周期(约12小时)与信号覆盖范围的最佳平衡。为达到全球任一点都能收到4颗卫星信号以实现定位授时的目标,至少需要24颗卫星保证服务质量。
日本和印度的星座主要服务本国,选择了轨道周期与地球自转同步的轨道,距离地面35786千米,从地面观测相对稳定。其中,日本QZSS系统高度依赖美国GPS系统,使用至少3颗卫星运行在倾斜地球同步轨道(IGSO),保障在日本高纬度地区和城市高楼林立环境下的使用;印度由于更加靠近赤道,在IGSO之外还使用了定位于赤道上空的静止/同步地球轨道(GEO)。
对于北斗而言:“小孩子才做选择,我全都要!”
北斗兼具MEO、GEO和IGSO三种轨道。MEO(倾角55°,高21500千米)保证全球高精度定位,主要运行在亚太地区的GEO(倾角0°,高35786千米)和IGSO(倾角55°,高35786千米)则保证亚太和“一带一路”地区更高精度的定位。
3问
为什么北斗有
一号、二号、三号之分
卫星导航系统是一个庞大的工程,是大型航天载荷发射技术、大型星座运营维护技术、高水平通用导航卫星平台研发技术、无线电远距离通信技术、高精度星载原子钟技术等诸多高精尖技术的集大成者,门槛极高,其中任何一项都面临严苛的技术封锁。
但困难从来都不是“造不如买”的借口,从1994年开始,中国航天人一步一个脚印,筚路蓝缕,攻坚克难,啃硬骨头,把整个北斗建设过程分成了“三步走”策略,即对应北斗一号、二号和三号。
北斗一号 主要是试验系统。2000~2007年共发射了4颗试验性质卫星,全是GEO卫星,以区域测试服务为主要目标,目前已全部退役,不算入正式星座。
北斗二号 主要是区域导航系统。2007~2019年共发射了20颗卫星(包含备份星),其中,8颗为GEO卫星,7颗为IGSO卫星,主要服务于亚太地区;5颗为MEO卫星,仅能提供有限的全球覆盖。所以,北斗二号系统总体上服务于亚太地区。
北斗三号 是全球卫星导航系统。从2015年至今共计发射了35颗卫星,其中5颗为测试性质,不提供服务。在正式星座中,3颗为GEO卫星,3颗为IGSO卫星,24颗为MEO卫星,可向全球提供高精度、全天候、全天时的导航定位授时服务。
与此同时,卫星平台也在不断大幅改进,不同北斗卫星(包含试验星)在东方红3号等卫星平台基础上反复改进,演化出了10余个版本,难度可想而知。目前北斗二号大部分卫星依然在正常工作中,因而实际处在运行状态的北斗星座超过40颗,远超GPS的32颗。未来,随着北斗二号部分卫星逐渐退役,虽总数会有所降低,但仍将维持在30颗以上。
4问
为什么北斗卫星都用
长征三号甲系列火箭发射
长征三号甲系列火箭是我国的“王牌”火箭,最大特点是第三级采用了比冲(衡量发动机工作效率的指标,越高越好)更高的液氧液氢发动机,因而它也是长征火箭家族用于发射更高更远任务的专属火箭,例如嫦娥系列、风云(二/四)卫星以及各种通信卫星等,北斗家族同样如此。
经过多年成熟发展,长征三号火箭形成了四种主要构型,基本型已于2000年退役,目前服役的有长征三号甲、乙和丙三种主要型号,以及近10种改进版本。
相比长三甲,长三乙/丙增加了助推器,且做了大幅升级,能力更强。其中长三乙不仅携带4个助推器(长三丙为2个),还可携带远征上面级,能够执行北斗一箭两星任务,能力最强。在北斗所有发射任务中,长三乙实现了15次一箭两星任务,运送了30颗卫星入轨,可以说是“王牌中的王牌”。
5问
为什么北斗能服务无限个用户
北斗三号是一种无源定位系统,每一颗导航卫星的本质就是告诉你这么一个事情:现在几点了(时间ts),我在哪里(xs,ys,zs)。当用户(接收机)收到信号时,可以通过比对,得到接收机上时间与接收到的卫星信息显示时间之间的差值,这个差值乘以光速c就是用户和卫星之间的距离。还有一个方法是数中间隔了多少个信号波长。卫星由于有专门的科学家在维护,它的位置极其精确,误差在1厘米;卫星上搭载的是原子钟,几百万年才可能差1秒。因此,卫星的所有信息几乎可以被认为是无误差的。
用户只需要解出四个参数:在地球上的三维坐标x,y,z和钟差t(毕竟用户的石英钟不可能和原子钟精度相比,需要把它的误差作为一个未知数解出来)。用户只需接收到4颗卫星信号,通过构建4个方程,解出4个未知数,即可精确确定自身的位置和时间。
卫星要做的只有一件事:往地面发信号,报告说我在哪儿、几点了。除此之外,卫星不需要做任何辅助计算一类的事。用户只要能收到信号,并对其进行计算即可,与这些卫星没有任何交流,也不消耗它们任何能量。这就意味着,用户数量理论上是无限的,而且每一位用户都可以享受米级定位精度和纳秒级授时精度。
6问
北斗有哪些特色绝活
星间链路技术导航卫星系统要长期维持下去,需要地面监控站、主控站、注入站等站点的配合。对于全球导航定位系统而言,这些站点位置分布也有要求。例如GPS就拥有5个监控站、1个主控站和3个注入站,几乎均匀分布在美国领土和海外军事基地中,每年开销不菲。
对于北斗而言,全球建站不仅存在安全性的问题,还有运营成本的问题。所以,该系统最大限度地利用了自身优势,即高、中轨道搭配的卫星星座,开发出星间链路技术,使各个卫星之间可以彼此通信联络。这样仅需在我国境内对卫星进行主控、监控和信息注入,既解决了全球建站安全性的问题,也可以降低运营成本。卫星之间可以互为校正,也有助于提高服务质量,增强抗干扰能力。
短报文系统这是北斗的一个独门绝活。短报文系统简而言之就是通过卫星实现天地双向通信。其他卫星导航系统都不存在接收机和卫星之间的双向通信,只是单向接收。北斗的这一功能意味着卫星可以向拥有此项授权服务的接收机发送专属信息,例如在大洋之上、深山老林之中等没有任何手机信号的环境下,发生紧急情况时高轨北斗卫星可以及时与地面互动。
此外,部分北斗卫星还携带了国际Cospas-Sarsat卫星辅助搜索和应急救援计划的有效载荷,在发生紧急情况时,可以参与到国际合作的应急救灾工作中。
7问
北斗能怎样服务于科学研究
北斗最大的特点是高精度授时和定位,对于科学应用而言,高精度接收机可以利用载波相位信号和差分技术等轻松实现厘米级定位精度和毫米级基线精度。
笔者从事低轨卫星精密定轨技术研究,本质就是用星载的接收机给卫星确定位置,也可以实现1厘米级定轨精度。在高精度卫星轨道的辅助下,卫星上的精密仪器也可以大展身手。因此,卫星导航系统的出现,使得人类对地球重力场、地球磁场、大陆板块运动、地球自转、海洋潮汐、冰川极地、自然灾害等地球科学的研究达到了前所未有的高度。
除了助力地球科学的研究,在其他领域,北斗也有极大的促进作用。例如,卫星信号需要穿过复杂的电离层和对流层等抵达地面,北斗有三个主要频率,每种信号受到的影响不同。它们集合在一起时,就提供了有助大气研究的海量信息。
再如,北斗的高精度原子钟,可以用来同步大型科学实验和精准授时。除此之外,北斗还会带动一系列通信、电子、芯片等产业的大发展,促进多个行业的科学研究。
8问
北斗如何服务于普通大众
普通人的生活已经离不开导航卫星了,北斗也在迅速融入,为大家提供更好的服务。最典型的莫过于定位服务,例如地图导航、共享单车/打车、快递查询等,彻底改变了现代人的生活。
交通系统高精度时刻表、国家大型电网输电、金融系统超高频交易、通信终端永远准确的时间,都有北斗原子钟的身影。大型基建工程,高铁、大桥、机场建设,都需要北斗定位。农林牧渔、交通运输、水文监测、气象预报、地理测绘、森林防火、电力调度、救灾减灾、应急搜救、面积测算等,都需要高精度卫星定位服务。目前很多新技术,例如自动驾驶、无人码头、自动化农业、无人机植保等,也离不开北斗的强大支撑。
▲ 依赖卫星导航的无人机和农用机械已经在逐步颠覆传统农业形式
9问
北斗的未来是什么
北斗在完全建成之后,将会继续保持一定频率的卫星发射活动,以替换逐渐退役的老卫星,常态维持至少30颗的全球服务星座。北斗卫星也将不断升级,以提供更好的定位服务。与此同时,在低轨(数百千米高的轨道)可以建设导航增强星座,在地面尤其是城市高楼林立的环境中,可以建设辅助站点,最终实现实时动态厘米级定位精度,大大提高北斗的定位精度,实现空天地信息一体化。
在备受关注的商业方面,随着人类社会对物流和定位的需求越来越高,北斗的商业应用价值也会被极大开发。按照欧洲全球定位研究中心的估计,2025年左右世界范围内的卫星导航定位设备需求量将超过92亿部,年产值将超过2680亿欧元,这是个海量的市场,其中亚太市场的增长速度更将傲视全球,年增速可以达到40%以上。在这片红海中,北斗无疑是最有潜力抗衡GPS系统的一个。
规模化的应用会大幅降低硬件收费水平,进一步确定商业市场领先优势,从而形成正循环,最终达到一个理想的状态——实现系统长盛不衰的同时依然能快速迭代。
人类已经进入卫星导航的时代,且永远无法离开导航卫星了。 

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