发布时间：2024-11-10 00:51:44 来源: sp20241110
雷淼
2024年9月19日9时14分，第59颗、第60颗北斗导航卫星在长征三号乙运载火箭与远征一号上面级的托举下直冲云霄，顺利进入预定轨道。这是北斗三号全球卫星导航系统的最后两颗卫星，标志着整个工程正式收官。
北斗三号实现全员到位意味着什么？从1994年北斗一号工程启动至今，“北斗”对于全球卫星导航系统的布局起到了什么作用？
最后两颗是备份星也是主力军
看到第59颗、第60颗北斗导航卫星发射的新闻，可能很多人会感到奇怪：印象中北斗系统早就建好了，怎么又收一次官？
大家没记错，早在2020年6月23日，随着北斗第55颗卫星发射，北斗三号系统的组网即已完成。后来发射的第56颗到第58颗，以及最新发射的第59颗、第60颗卫星，实际上都是这一系统的备份星。它们虽名为备份星，但实为主力军。这5颗卫星各有重任，或负责提升硬件能力，或负责扩展系统服务，或在支撑系统稳定运行和规模应用的同时，为下一代北斗导航卫星技术升级进行相关试验。
北斗是我国自主建设的卫星导航系统，以古人用于判断方向的著名星官“北斗”命名。在北斗建成之前，世界上已经存在3个卫星导航系统：美国的全球定位系统(GPS)、俄罗斯的格洛纳斯系统(GLONASS)和欧盟的伽利略系统(Galileo)。其中以GPS最为知名，许多人使用这个词的时候，甚至意识不到它其实是某个国家搭建的导航系统，而是直接把它当作卫星定位导航通用技术的代称。
卫星导航在国家安全、交通运输、抢险救灾、信息化建设、抢占轨道资源、提高航天技术等诸多方面具有重大意义，因此，我国必须开发建设自己的卫星导航系统，而不能在此领域依赖国外，埋下受制于人的隐患。
从20世纪后期起，我国开始探索适合本国国情的卫星导航系统发展道路，逐步形成了三步走的发展战略：2000年年底，建成北斗一号试验导航系统，向中国提供服务，同时进行关键技术验证；2012年年底，建成北斗二号系统，向亚太地区提供服务；2020年，建成北斗三号系统，服务范围覆盖全球。
卫星如何实现精准定位
导航系统的核心功能是定位，那么卫星是怎样知道人和物的位置的呢？
简单概括卫星定位的方法就是：你看卫星在哪儿、离你有多远，然后各自去算自己的位置。这样一来，计算工作分摊到每个用户头上，就不会“累坏”卫星了。
打个比方，在沙滩上插3根标杆，记牢它们的位置，然后蒙上眼睛随意走到一处，再让身边的朋友告诉你离每根标杆的距离。
朋友说：你离A杆5米。你就在心里围着A杆画个半径5米的圆，知道自己肯定在这个圆上，只是确定不了具体位置。
朋友接着说：你离B杆12米。你又在心里围着B杆画个半径12米的圆，这个圆和围着A杆的圆有两个交点，你必在其中之一。
朋友又说：你离C杆9米。这下你立刻就能从前面的两个交点里排除一个，从而断定自己的位置。
导航卫星也是这样定位的，它们不停地发出“本星经纬度和高度若干，现在时间是几点几分几秒几毫秒几微秒几纳秒”的广播，你的手机接到A星的信号是几点几分几秒10毫秒，而自己的时钟显示为几点几分几秒80毫秒。这就说明A星发出的信号走了70毫秒才到达你所在之处，那么用70毫秒乘以光速(299792458米/秒)，就能得知“经纬度和高度若干的A星”距你约有20985472米。
以此类推，再接收两颗卫星的信号，就能判断出自己的位置。当然，卫星的信号是个球面，比起举例的二维沙滩会更复杂，但原理大致如此。
如果卫星播报的时间能够精确到纳秒，那么测距和定位就能精确到30厘米。不过，大家可能还有一个疑问：卫星是高精尖仪器，它们的时间准确，可手机时间万一不准，错过一秒(常有的事)，便失之千里，届时又该怎么办？
所以，想要精准定位还需再添一颗卫星，用4颗卫星的数据联立方程组，就能把经度、纬度、海拔和地面时钟偏差全都解出来。以前用过GPS手机应用的人应该还有“当前能看到4颗卫星”“当前能看到6颗卫星”的印象，因为4颗卫星就是定位的基础配置。
3类轨道卫星拱卫北斗
要想保证人们时刻得到至少4颗卫星的服务，需要发射不少卫星。目前，服务全球的北斗三号导航系统包括备份卫星在内，共有35颗卫星。此次发射的北斗第59颗、第60颗星，是从2007年4月升空的北斗二号首颗正式卫星开始排序的，也就是说，把两代北斗前后发射的60颗卫星都算进去了。
依照轨道来划分，北斗导航卫星共分为3类。
第一类是静止轨道(GEO)卫星。它们运行在赤道上方35786公里的高处，随着地球的自转周期同步公转，从地面的角度看来，它们就像是悬停在天上一样。GEO卫星单星信号覆盖范围很广，一般来说，3颗GEO卫星就可实现对全球除南北极之外绝大多数区域的信号覆盖。在经费紧张、技术尚需验证、不向全球提供服务的试验开发早期(2000年至2007年)，北斗系统就是从这类卫星起步的。
第二类是倾斜地球同步轨道(IGSO)卫星。它们的公转周期也和地球自转周期一样，但与赤道有个夹角。若从北半球地面来看，它们每天在空中画一个巨大的“8”，南边一圈部分没入南方地平线以下。由于我国地处北半球，GEO卫星在赤道平面上运行，高山或建筑物北侧的用户很难看到，而IGSO卫星在空中南北摆动，可做有效弥补。
第三类是中高地球轨道(MEO)卫星。卫星的运行轨道高度约2万公里，每天围地球转两圈。分析计算表明，24颗倾角55°的这种卫星，分布在3个轨道面内，就可以覆盖全球，满足全球导航的精度要求。
北斗三号系统目前共有4颗静止轨道卫星、3颗倾斜地球同步轨道卫星和28颗中高地球轨道卫星。其中，1颗静止轨道卫星(第56颗)和4颗中高地球轨道卫星(第57-60颗)是备份星。
原子钟和增强系统确保“高精度”
从工作原理可知，精准的时间是导航卫星的灵魂。北斗卫星使用星载铷原子钟和星载氢原子钟，通过将原子辐射电磁波作为节拍器计时，精度可以达到每天0.5纳秒。可以这么理解，若是运行550万年，误差只有1秒！当然，对于定位功能为主的导航系统，不能这么简单地理解时间精度，而是要把它乘以光速，再换算成距离精度，答案是每天误差15厘米。虽然不像“550万年仅差1秒”那么震撼，但只要和地面站定期校正，执行导航任务绰绰有余。
精准的时间系统也考虑到了相对论效应的影响。根据狭义相对论，卫星相对地面高速运动，每天会慢几微秒；而根据广义相对论(和狭义相对论不冲突)，卫星所在之处重力较弱，每天会比地面快几十微秒。要注意这里是微秒，量级比纳秒大约千倍，每微秒对应着300米的误差。
怎么理解这个现象呢？简单来说，就是卫星越低、速度越快、重力越强，狭义相对论效应就越明显，反之则广义相对论效应越明显。因此，最终该快该慢或快慢多少，均由卫星的高度决定。在中高地球轨道上，卫星的星载时钟每天快37微秒，而在静止轨道或倾斜地球同步轨道上，每天快47微秒。所以，卫星的时间系统要根据轨道高度修正误差，还要与地面定期“对表”，才能确保导航系统的精确运行。
卫星和地面之间不完全是真空，信号到达地面的途中，会被地球大气的电离层和对流层干扰，造成高达几十米的测距误差。还有多种误差源需要通过观测、建模，求得改正参数，进行位置修正。在北斗卫星导航系统中，这一修正任务由增强系统来负责。
北斗的增强系统分为星基与地基两部分。星基增强系统通过地球静止轨道卫星搭载卫星导航增强信号转发器，向用户播发星历误差、卫星钟差、电离层延迟等多种修正信息，实现对原有卫星导航系统定位精度的改进。地基增强系统则通过地面基准站网，利用卫星、移动通信、数字广播等播发手段，在服务区域内提供米级、分米级直至厘米级实时高精度导航定位服务。
下一代北斗系统新技术即将试验
在研发建设北斗卫星导航系统的过程中，我国发明了不少独门绝技。其中的典型代表就是北斗短报文，即可以通过北斗卫星发送简短的文字信息。其他卫星导航系统用户只能知道“我在哪”，北斗用户不但知道“我在哪”，还能告诉别人“我在哪”“在干什么”，开创了通信导航一体化的独特服务模式。
北斗短报文把卫星导航系统用出了通信系统的功能。在2008年汶川大地震中，常规的地面通信设备全毁，首批进入震中灾区的救援部队正是利用北斗短报文，向外界传递了第一手灾情信息。另外，渔业部门也能通过北斗短报文，及时向特定区域的渔船定点推送船只位置和防撞安全信息，当渔民在茫茫大海上遇险时，同样可以通过北斗短报文呼救。
2023年11月，包含北斗卫星导航系统标准和建议措施的《国际民用航空公约》附件10最新修订版正式生效。这标志着北斗系统正式加入国际民航组织(ICAO)标准，成为全球民航通用的卫星导航系统。这一进展验证了北斗卫星导航系统的全球服务能力，对于推动民航高质量发展和交通强国建设具有重要意义，更有利于推进北斗卫星导航系统在民航领域的市场化、产业化、国际化应用。
在北斗服务区域走向覆盖全球的过程中，星间链路技术起到了关键作用。星间链路在卫星和卫星之间建起一个“聊天群”，通过星间测距、星间通信和星上数据处理，实现了导航星历的自主更新，其结果一是能弥补地面站分布稀疏的弱点，二是能降低对地面运控系统的依赖，从而提高导航系统的可靠性。
自北斗系统提供服务以来，已在交通运输、农林渔业、水文监测、气象测报、通信授时、电力调度、救灾减灾、公共安全等领域得到广泛应用，产生了显著的经济效益和社会效益。如今，基于北斗系统的导航服务被电子商务、移动智能终端制造、位置服务等厂商采用，广泛进入中国大众消费、共享经济和民生领域，深刻改变了人们的生产生活方式。北斗卫星导航系统工程总设计师、中国工程院院士杨长风日前透露，我国将加快推动下一代北斗系统建设发展，加大对不依赖卫星的多种定位导航授时手段的技术攻关，“在2035年前，建设完善更加泛在、更加融合、更加智能的综合时空体系。”
最近发射的第59颗、第60颗北斗三号卫星已升级星载原子钟配置，并搭载了能建“聊天群”的新型星间链路终端，科学家将利用这些新设备进一步提升北斗卫星导航系统的可靠性及定位导航授时、全球短报文通信等服务性能。同时，这两颗卫星将在确保导航系统精稳运行的基础上，开展下一代北斗系统新技术的试验试用。(作者为中国科普作家协会会员)
来源：北京日报 【编辑:曹子健】