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二十六载终组网,十问北斗你真行!

  2020623943,北斗卫星导航系统第55颗卫星搭乘长征三号乙运载火箭从西昌卫星发射中心成功升空。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!

  

  图源:央视新闻、我们的太空

  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,也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十个经典问题,详细解读这个宏大工程的意义。

  一、为什么有GPS还要做北斗?

  美国的GPS起步于70年代,经过多年发展、尤其商业运作以后,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,卫星工程师不仅能在信号方面增加干扰、欺骗手段等,还能停掉某一地区的服务,芯片定价权和使用权限等也在他们手中。

  例如,GPS开放民用服务后,普通用户只能使用定位精度更差且增加了选择可用性(干扰)的民用码定位服务。200052日,为打压俄罗斯GLONASS(格洛纳斯,俄罗斯军民两用卫星导航系统)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,它可以随意恢复任何干扰、甚至彻底停止区域服务。这类事情在近些年印巴冲突、中东地区冲突中屡见不鲜。

  

  当天06:00GPS系统去除干扰后,定位精度大大提高(图源:schlaggo.de

  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千亿美元计的巨大市场。因而,无论是事关国家国防安全,还是导航应用市场的巨大商业利益,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的国际合作。

  目前,只有美国、俄罗斯、中国、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中的重中之重,意义可见一斑。

  二、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20000千米的中远地球轨道(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。

  日本和印度星座仅服务本国,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)。

  

  北斗卫星轨迹在地面投影:蓝色8字形轨迹为IGSO卫星,红色定点为GEO卫星,绿色为MEO卫星(未全部展示所有卫星,图源:doi.org/10.1038/srep04692

  而对于北斗而言,“小孩子才做选择,我全都要”!北斗兼具了MEOGEOIGSO三种轨道。MEO(倾角55度、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度,高35786千米)和IGSO(倾角55度,高35786千米)则保证亚太和“一带一路”地区更高精度定位。

  三、为什么北斗有一号、二号、三号?

  卫星导航系统是一个庞大的工程,它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、无线电远距离通讯技术、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,也就对应北斗一号、二号和三号

  北斗一号主要是试验系统。在2000-2007年间发射了4颗试验性质卫星,全在地球静止轨道,它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。在2007-2019年间共计发射了20颗(包含备份星),8颗为GEO卫星、7颗为IGSO卫星


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