九“三”看“北斗”

“北斗”三部分示意圖。

北斗服務示意圖。

北斗導航系統(tǒng)“三球交會”定位原理示意圖。

          或許是因為巧合，北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)與“三”結(jié)下不解之緣，蘊含一系列與“三”有關(guān)的奧秘。在北斗三號全球系統(tǒng)建設迎來“收官戰(zhàn)”之際，讓我們一起探索“北斗”的“三”的奧秘。         經(jīng)過梳理，筆者總結(jié)出“北斗”與“三”有關(guān)的9個方面，涵蓋其發(fā)展戰(zhàn)略、系統(tǒng)架構(gòu)、星座配置、工作原理、信號體制、服務規(guī)劃、未來愿景等。這些充分彰顯了北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)作為重要的國際空間基礎設施的建設歷程、鮮明特點、獨特價值和杰出貢獻。     

    ①“三步走”戰(zhàn)略         北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)“三步走”發(fā)展戰(zhàn)略為公眾所熟悉。實際上，即使不熟悉相關(guān)信息，對北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)“三步走”戰(zhàn)略具體內(nèi)涵不甚了了，人們也能從“北斗一號”“北斗二號”“北斗三號”的名稱，解讀步步為營步步高的意味。        第一步，建成北斗一號，衛(wèi)星導航系統(tǒng)從無到有，服務自身。 1994年，北斗一號建設啟動；2000年，發(fā)射2顆地球靜止軌道（GEO）衛(wèi)星，建成系統(tǒng)并投入使用，采用有源定位體制，為中國用戶提供定位、授時、廣域差分和短報文通信服務；2003年，發(fā)射第3顆地球靜止軌道衛(wèi)星，進一步增強系統(tǒng)性能。 北斗一號的建成使中國成為繼美、俄之后第三個擁有衛(wèi)星導航系統(tǒng)的國家。         第二步，建成北斗二號，服務亞太。2004年，北斗二號建設啟動；2012年，完成14顆衛(wèi)星發(fā)射組網(wǎng)。北斗二號增加無源定位體制，創(chuàng)新性采用中高軌混合星座架構(gòu)，服務覆蓋亞太地區(qū)。         第三步：旨在建成北斗三號，提供全球服務。2009年，北斗三號建設啟動；計劃于2020年完成30顆衛(wèi)星發(fā)射組網(wǎng)，全面建成北斗三號系統(tǒng)。北斗三號繼承有源服務和無源服務兩種技術(shù)體制，為全球用戶提供基本導航、全球短報文通信和國際搜救服務，同時可為中國及周邊地區(qū)用戶提供區(qū)域短報文通信、星基增強和精密單點定位等服務。   

      ②“三部分”構(gòu)成         北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)是復雜完備的軟硬件體系，包括空間段、地面段和用戶段“三部分”。         空間段：“北斗”給人們留下印象最深刻的無疑是運行在九天之上的衛(wèi)星，它們就是“北斗”的空間段。近年來，北斗衛(wèi)星密集發(fā)射升空，形成了中國航天壯觀的景象。北斗三號的空間段由30顆衛(wèi)星組成，截至目前，已經(jīng)成功發(fā)射組網(wǎng)29顆，即將迎來發(fā)射收官戰(zhàn)。         地面段：北斗衛(wèi)星并不能單獨將信號傳輸?shù)浇K端，而是經(jīng)過地面設施完成數(shù)據(jù)接收、整理、傳輸?shù)?，這就是“北斗”的地面段。該部分包括基準站、主控站、時間同步/注入站和監(jiān)測站等。此外，對導航衛(wèi)星之間進行星間鏈路運行管理的設施也是地面段的一部分。         用戶段：用戶段包括“北斗”及兼容其他衛(wèi)星導航系統(tǒng)的芯片、模塊、天線等基礎產(chǎn)品，以及終端設備、應用系統(tǒng)與應用服務等。它們中有很多是消費者直接購買使用的終端產(chǎn)品，為人們所熟知。      

   ③“三軌道”混合         北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)是由地球靜止軌道衛(wèi)星、傾斜地球同步軌道衛(wèi)星和地球中圓軌道衛(wèi)星三種軌道衛(wèi)星組成的混合導航星座。         地球靜止軌道衛(wèi)星：顧名思義，這種衛(wèi)星相對地球靜止，運行軌道高度約3.6萬公里，其軌道面與地球赤道面之間的夾角為0度，單星覆蓋區(qū)域較大，3顆衛(wèi)星可覆蓋亞太大部分地區(qū)。         傾斜地球同步軌道衛(wèi)星：軌道高度與地球靜止軌道衛(wèi)星相同，其軌道面與地球赤道面之間的夾角為55度，星下點軌跡為“8”字，始終聚焦亞太地區(qū)。         地球中圓軌道衛(wèi)星：軌道高度約2.15萬公里，其軌道面與地球赤道面之間的夾角為55度，繞地球旋轉(zhuǎn)運行，通過多顆衛(wèi)星組網(wǎng)可實現(xiàn)全球覆蓋，“北斗”地球中圓軌道衛(wèi)星星座回歸特性為7天13圈。        “北斗”獨創(chuàng)的三軌混合星座設計，既能實現(xiàn)全球覆蓋、全球服務，又可為亞太大部分地區(qū)用戶提供更高性能的定位導航授時服務。亞太大部分地區(qū)，每時可見約12至16顆衛(wèi)星，全球其他地區(qū)每時可見4至6顆衛(wèi)星，衛(wèi)星可見性和幾何構(gòu)型較好。     

    ④“三球交匯”定位         提供位置信息是導航衛(wèi)星的主要服務內(nèi)容之一，北斗是如何實現(xiàn)精準定位的呢？         導航衛(wèi)星發(fā)射測距信號和導航電文，導航電文中含有衛(wèi)星的位置信息。用戶接收機在某一時刻同時接收三顆以上衛(wèi)星信號，測量出用戶接收機至三顆衛(wèi)星的距離，通過星歷解算出的衛(wèi)星的空間坐標，再利用距離交會法就解算出用戶接收機的位置。整個過程就是“三球交會”定位原理在衛(wèi)星導航領域中的體現(xiàn)。         北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)像美國的GPS，俄羅斯的格洛納斯、歐洲伽利略一樣，也是應用“三球交會”定位原理進行定位的。其具體流程是，北斗用戶接收機同時測量自身到至少三顆衛(wèi)星的距離；各衛(wèi)星的位置通過導航電文播發(fā)給用戶； 以衛(wèi)星為球心，距離為半徑畫球面；三個球面相交得兩個點，根據(jù)地理常識排除一個不合理點即得用戶位置。      

   ⑤“三要素”服務         定位或者提供位置信息是北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)主要服務之一，除此之外，它還有兩大服務即提供速度信息和時間信息，以上構(gòu)成了“北斗”信息服務的“三要素”。         位置信息：北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)提供的位置信息服務輸出結(jié)果為“經(jīng)度、緯度、高程”或者“x，y，z”，不管哪種輸出形式，恰好都是“三個參量”。關(guān)于“北斗”提供的位置信息的精確度，總體而言，“北斗”可向全球提供優(yōu)于10米的定位服務，某些區(qū)域比如亞太地區(qū)定位精度更高，達到5米。同時，通過精密單點定位、星基增強、地基增強等方式，“北斗”定位精度可提高到米級、分米級乃至厘米級。         速度信息：北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)提供的測速精度能力優(yōu)于0.2米/秒。         時間信息：北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)可為用戶提供優(yōu)于20納秒的授時服務，在此基礎上利用差分授時、雙向比對等技術(shù)手段，可進一步提升授時精度。   

      ⑥“東三B”平臺          北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的優(yōu)異性能在很大程度上源于衛(wèi)星的研制平臺，東方紅三號B平臺，簡稱“東三B”平臺。北斗三號導航衛(wèi)星的地球靜止軌道衛(wèi)星和傾斜地球同步軌道衛(wèi)星就是基于“東三B”平臺研制而成。這是中國自主研制的新一代高軌導航衛(wèi)星平臺，采用了綜合電子、高效能源和熱控、鋰離子蓄電池、FDIR（故障檢測、隔離和系統(tǒng)重構(gòu)）等先進技術(shù)，為有效載荷提供了更大空間。“東三B” 平臺助力衛(wèi)星減重增壽，使導航衛(wèi)星重量進一步降低，設計壽命可達12年，為其配置了多種載荷，提供包括衛(wèi)星無線電導航系統(tǒng)、區(qū)域短報文通信、星基增強、精密單點定位等多種服務，功能更強大、集成度更高。         “東三B”平臺由中國航天科技集團公司五院通信衛(wèi)星事業(yè)部抓總研制。2013年3月，該平臺電推進分系統(tǒng)真實點火試驗圓滿完成，標志著其研制工作取得突破性進展。2017年4月，“東三B”平臺全配置首發(fā)星實踐十三號發(fā)射升空，突破了電推進、Ka通信載荷、高軌激光通信等制約中國航天技術(shù)跨越發(fā)展的一系列關(guān)鍵技術(shù)，在軌實現(xiàn)對“東三B”平臺功能和性能指標考核。     

    ⑦“長征三號”專列         人們注意到，在中國長征火箭家族中，每次出動完成北斗衛(wèi)星發(fā)射任務的都是長征三號系列火箭，這也使其贏得了北斗衛(wèi)星飛天“專屬列車”的雅號。         長征三號是在長征二號的基礎上發(fā)展起來的三級火箭，具有入軌精度高、軌道選擇多、適應能力強等特點。12年間，長征三號系列火箭承擔了近40次北斗衛(wèi)星發(fā)射任務，成功將50多顆北斗導航衛(wèi)星精確送入預定軌道。         第55顆北斗衛(wèi)星即北斗三號最后一顆組網(wǎng)衛(wèi)星的發(fā)射任務仍然由長征三號系列中乙型火箭擔綱完成。近日，該火箭在迫近點火發(fā)射前的測試階段時發(fā)現(xiàn)了技術(shù)問題，使得原發(fā)射計劃未能如期進行，而下一次的具體發(fā)射時間等待檢測研究后確定。這次意外讓人頗感遺憾，但只是使北斗三號收官星升空推遲一下。我們相信，保持超高發(fā)射成功率的長征三號一定能經(jīng)受住考驗，很快解決技術(shù)問題，搭載北斗三號收官星一飛沖天。    

     ⑧“三特色”鮮明         中國“北斗”是國際衛(wèi)星導航系統(tǒng)大家庭的成員之一，與美國的GPS，俄羅斯的格洛納斯、歐洲伽利略導航系統(tǒng)相比，有鮮明的“三特色”。         一是空間段采用三種軌道衛(wèi)星組成混合星座，與其它衛(wèi)星導航系統(tǒng)相比高軌衛(wèi)星更多，抗遮擋能力強，尤其在低緯度地區(qū)性能優(yōu)勢更為明顯。         二是提供多個頻點的導航信號，能夠通過多頻信號組合使用等方式提高服務精度。         三是創(chuàng)新融合了導航與通信功能，具備基本導航、短報文通信、國際搜救、星基增強和精密單點定位等多種服務能力，系統(tǒng)功能高度集成，實現(xiàn)了集約高效。        “北斗”特色彰顯其服務優(yōu)勢，表明其是具有世界一流水平的太空基礎設施，能夠為國際社會提供優(yōu)質(zhì)的全球公共服務產(chǎn)品?！氨倍贰币虼耸艿搅耸澜绺鲊癖姷臒崃覛g迎和青睞，各類裝備北斗服務的終端在全球銷售火爆，“北斗”這一特色鮮明的中文詞匯逐漸成為世界流行語。  

       ⑨“三更加”愿景         人類認識不斷進步，科技發(fā)展永無止境。北斗三號全球系統(tǒng)建設收官在即，但是對于中國“北斗”而言，只是進入新的、更高的發(fā)展階段，邁向新的征程。         邁向新征程的“北斗”有什么發(fā)展愿景？對此，在2018年底召開的聯(lián)合國全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)國際委員會第十三屆大會上，習近平主席在致大會的賀信中進行了闡釋和回答。他表示，2035年前，中國將建設完善“更加泛在、更加融合、更加智能”的北斗綜合時空體系，并表達了同各國共享“北斗”系統(tǒng)建設發(fā)展成果，共促全球衛(wèi)星導航事業(yè)蓬勃發(fā)展的美好愿望。         2000年，北斗一號系統(tǒng)首顆衛(wèi)星成功飛天。20年彈指一揮間，“北斗”完成了從“北斗一號雙星定位、聚焦中國”到“北斗三號三軌合璧、服務全球”的歷史性跨越。未來，我們將奮力向著建設完善以“三更加”為特征的北斗綜合時空體系挺進。      

     加油，“北斗”！