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作者：“你了解北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)嗎？那可是我國航天事業(yè)一張靚麗的名片?！?/p>

讀者：“北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)？就是那個GPS嗎？就是那個百度地圖嗎？”

不……不，如果你認(rèn)為北斗就是GPS、就是百度地圖，那么你迫切需要這本最新上架的《北斗導(dǎo)航》。里面滿滿都是關(guān)于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的知識，帶你了解北斗的前世今生、帶你認(rèn)識北斗的星座和太空“手拉手”、帶你感受北斗的重要功用……

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《北斗導(dǎo)航》一書是中宣部主題出版重點出版物《中國科技之路》叢書中的重要一冊，創(chuàng)作團(tuán)隊均為北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的一線科技工作者。作為一本介紹北斗導(dǎo)航基礎(chǔ)知識的書籍，本書從衛(wèi)星導(dǎo)航發(fā)展歷程、北斗衛(wèi)星星座、衛(wèi)星發(fā)射場及測控網(wǎng)、自主研發(fā)、國際合作、未來展望等多個方面進(jìn)行了介紹。一定可以解答你心中關(guān)于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的問題！序共和國勛章獲得者、兩彈一星功勛獎?wù)芦@得者、原北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)工程總設(shè)計師孫家棟院士對本書出版寄予厚望。

序一

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)副總設(shè)計師楊元喜院士評價本書“以樸實的語言、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)拿枋觥⑾鑼嵉膬?nèi)容，生動形象說明了北斗其實離大家并不遠(yuǎn)，北斗衛(wèi)星遠(yuǎn)在天邊，北斗應(yīng)用近在眼前，它早已進(jìn)入、影響并且有力地改變著我們的生活?！?/section>

序二

編輯推薦

大國重器北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)開通全球服務(wù)已近兩年，這究竟是個怎樣的系統(tǒng)？本書通過二維碼形式，融合了音視頻、互動VR、沙畫等多種展現(xiàn)手法，以北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)卡通形象小北貫穿始終，力求采用輕松活潑的語言將北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)從多個角度準(zhǔn)確呈現(xiàn)，揭開北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的神秘面紗，讓更多讀者認(rèn)識北斗、了解北斗、應(yīng)用北斗。

章節(jié)試讀

二、獨具特色的北斗導(dǎo)航星座

北斗導(dǎo)航星座，是由幾十顆衛(wèi)星編織而成的“太空星網(wǎng)”，不停地向地球發(fā)送導(dǎo)航信號，時刻幫助地球上那些需要定位導(dǎo)航的人們。而這一張“太空星網(wǎng)”，是北斗導(dǎo)航星座設(shè)計者們潛心設(shè)計的杰作，它讓北斗導(dǎo)航不負(fù)眾望，成為了更優(yōu)秀的北斗，具備了更加優(yōu)質(zhì)的導(dǎo)航服務(wù)能力。

（一）衛(wèi)星的跑道與星座

衛(wèi)星就像賽場上的運動員，要在自己特定的跑道上奔跑。通常把衛(wèi)星的跑道叫做軌道。一說到軌道，你的腦海里首先浮現(xiàn)的一定是火車鐵軌、有軌電車、甚至是電動玩具車的拼接軌道，這些都是能夠看得見的軌道。衛(wèi)星軌道與火車、有軌電車不同，衛(wèi)星軌道是看不見的，也不是事先鋪設(shè)的，衛(wèi)星軌道是假想的圓形或橢圓形，是衛(wèi)星運動劃過的軌跡，如圖2-1、2-2所示。工程師們在大科學(xué)家牛頓的萬有引力定律指導(dǎo)下能夠預(yù)先計算出衛(wèi)星軌道。衛(wèi)星軌道設(shè)計是衛(wèi)星系統(tǒng)設(shè)計中尤為重要的一步。

圖2-1 火車、衛(wèi)星、電車軌道

圖2-2 衛(wèi)星虛擬軌道

為了實現(xiàn)衛(wèi)星導(dǎo)航的功能，需要布放多顆衛(wèi)星，有些衛(wèi)星需要布放在同一個軌道上，有些衛(wèi)星需要布放在不同的軌道上，而這些衛(wèi)星在太空中組成的系統(tǒng)，稱之為星座。星座可不簡單，星座里的每顆衛(wèi)星需要互相監(jiān)測，同時還有地面站對這些衛(wèi)星的軌道進(jìn)行監(jiān)測并指導(dǎo)它們調(diào)整，這樣才能讓星座保持隊形整齊劃一，否則星座的隊形亂了，也就沒法保證北斗服務(wù)的性能了。

三、“手拉手”的星間鏈路

2017年11月，2顆北斗衛(wèi)星在離地面兩萬多公里的高空發(fā)起對話：“太空本無路，我們之間頻繁測距和交換數(shù)據(jù)，來來往往也就成了路”。這兩顆衛(wèi)星就是北斗三號第1、第2顆組網(wǎng)衛(wèi)星，在拉開北斗全球組網(wǎng)大幕的同時，也在太空鋪設(shè)了星間鏈路（Inter-satellite Link，ISL）。

（一）星間鏈路——浩瀚星河的太空橋梁

1 什么是星間鏈路

星間鏈路是指衛(wèi)星與衛(wèi)星之間的鏈路，也稱為星際鏈路或交叉鏈路（Crosslink）。通俗來說，就是把衛(wèi)星拉到1個微信群，可以聊天，共享位置，如圖3-1所示。星間鏈路主要用于數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星、通信衛(wèi)星星座和導(dǎo)航衛(wèi)星星座，如美國數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)（Tracking and Data Relay Satellite System， TDRSS）、銥星（Iridium）移動通信星座、第二代銥星（Iridium NEXT）移動通信星座、GPS導(dǎo)航衛(wèi)星星座、北斗導(dǎo)航衛(wèi)星星座等。在國際上，星間鏈路對于通信、導(dǎo)航衛(wèi)星星座均是核心和技術(shù)制高點。在北斗導(dǎo)航衛(wèi)星星座中，星間鏈路是在衛(wèi)星之間建立的具有精密測量和數(shù)傳功能的鏈路，它是北斗系統(tǒng)全球服務(wù)、運行管理、自主運行和各類擴(kuò)展服務(wù)應(yīng)用的關(guān)鍵。

圖3-1 星間鏈路漫畫圖

在浩瀚的宇宙中，連接2顆小小衛(wèi)星的“高速路”，鋪路用的不是水泥、瀝青，而是發(fā)射接收設(shè)備、天線、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議實現(xiàn)信號的捕獲與跟蹤，利用這條“高速路”可實現(xiàn)衛(wèi)星之間的距離測量和數(shù)據(jù)交換，如圖3-2所示。

圖3- 2 星間鏈路“高速路”漫畫圖

自20世紀(jì)80年代，美國科學(xué)家就開始考慮設(shè)計導(dǎo)航衛(wèi)星星間鏈路。20世紀(jì)90年代，美國GPS在BLOCK IIR衛(wèi)星上就已經(jīng)安裝了星間鏈路設(shè)備，GPS星間鏈路采用了UHF頻段（250-290MHz）、寬波束天線，具備星間雙向測距與數(shù)據(jù)交換功能。在美國新一代GPS III衛(wèi)星中，星間鏈路可能會采用更高工作頻段，以大幅提升測距精度和通信速率。

我國北斗一號和北斗二號為區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，均沒有設(shè)計星間鏈路。在北斗三號的建設(shè)和發(fā)展中，為實現(xiàn)北斗系統(tǒng)從區(qū)域向全球的擴(kuò)展，在地面站資源受限無法全球布站的情況下，發(fā)展星間鏈路技術(shù)具有非常重要的戰(zhàn)略意義。在北斗導(dǎo)航衛(wèi)星之間建立星間鏈路，可實現(xiàn)星間數(shù)據(jù)傳輸和精密測量，大幅提高北斗衛(wèi)星的測定軌精度，提升導(dǎo)航電文注入頻度，并減少對海外布站的依賴，有效降低系統(tǒng)的運行管理成本。2015年3月30日，第17顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)射成功，擁有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的星間鏈路在北斗新一代試驗衛(wèi)星上首次亮相。目前，北斗三號所有衛(wèi)星均配置星間鏈路載荷，并完成了星間鏈路全球組網(wǎng)。

導(dǎo)航衛(wèi)星星間鏈路通常有3種建鏈方式：（1）參照GPS在MEO衛(wèi)星之間建立中-中軌星間鏈路，GEO、IGSO和MEO高低衛(wèi)星之間不建立高-中軌星間鏈路；（2）在GEO、IGSO與MEO衛(wèi)星之間建立高-中軌星間鏈路，MEO衛(wèi)星之間不建立中-中軌星間鏈路；（3）在GEO、IGSO和MEO衛(wèi)星之間均建立高-中軌、中-中軌星間鏈路。北斗三號30顆衛(wèi)星都配置星間鏈路設(shè)備，采用第3種建鏈方式，借助Ka頻段實現(xiàn)中-中軌、高-中軌星間鏈路，同時地面站上配備有星間鏈路設(shè)備，可與空間星座實現(xiàn)星-地建鏈，“一星通，星星通”，如圖3-3所示。

圖3- 3 北斗三號衛(wèi)星建鏈?zhǔn)疽鈭D

導(dǎo)航衛(wèi)星星座星間鏈路涉及衛(wèi)星空間段網(wǎng)絡(luò)，既有通信數(shù)據(jù)傳輸又有高精度測量要求，既有關(guān)鍵單機(jī)設(shè)計又有系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，難度極高。目前，僅北斗三號全球系統(tǒng)星間鏈路達(dá)到了全系統(tǒng)運行狀態(tài)、并實現(xiàn)了常態(tài)化運行，美國GPS尚未全系統(tǒng)運行、俄羅斯GLONASS只在GLONASS-K衛(wèi)星上進(jìn)行了在軌試驗，歐洲Galileo系統(tǒng)、印度NavIC系統(tǒng)、日本QZSS系統(tǒng)尚未實現(xiàn)星間鏈路。

作者簡介

楊元喜，江蘇省泰州市人，工學(xué)博士，中國科學(xué)院院士，西安測繪研究所研究員?，F(xiàn)任北斗全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)副總設(shè)計師。長期從事大地測量與衛(wèi)星導(dǎo)航研究，創(chuàng)造性地提出了相關(guān)觀測抗差估計系列理論，建立了全新的自適應(yīng)動態(tài)導(dǎo)航定位理論體系；主持完成了多項大型國家大地測量工程。先后獲得國家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎二等獎2項，省部級科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎特等獎1項、一等獎6項。發(fā)表論文300余篇，其中SCI收錄６0余篇；出版學(xué)術(shù)專著2部，合著3部。曾獲求是杰出青年實用工程獎、何梁何利科技進(jìn)步獎——地球科學(xué)獎、航天基金會“錢學(xué)森杰出貢獻(xiàn)獎”。2003年當(dāng)選國際大地測量學(xué)會會士，2018年當(dāng)選美國導(dǎo)航協(xié)會會士。

盧鋆，河南省開封市人，工學(xué)博士，北京跟蹤與通信技術(shù)研究所高級工程師。現(xiàn)任北斗地面試驗驗證系統(tǒng)副總設(shè)計師、國家北斗重大專項國際合作專家組副組長、中國衛(wèi)星導(dǎo)航年會組委會副秘書長。長期從事北斗系統(tǒng)總體設(shè)計、試驗驗證和國際合作等工作。中國航天科普大使，中國科協(xié)“科普中國·我是科學(xué)家”顧問。獲多項省部級科技進(jìn)步成果獎，申請專利和國家標(biāo)準(zhǔn)10余項，發(fā)表論文30余篇。

張弓，中國空間技術(shù)研究院高級工程師?，F(xiàn)任北斗衛(wèi)星總體主任設(shè)計師。長期從事北斗衛(wèi)星總體設(shè)計及型號研制工作。獲省部級科技進(jìn)步獎3項，發(fā)表論文 10 余篇，授權(quán)專利20余項。

高為廣，北京跟蹤與通信技術(shù)研究所副研究員?，F(xiàn)任北斗全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)總設(shè)計師助理、地面試驗驗證系統(tǒng)總設(shè)計師、應(yīng)用推廣與環(huán)境保障專家組副組長。獲省部級科技進(jìn)步獎 10余項，發(fā)表論文60余篇。

郭樹人，北京跟蹤與通信技術(shù)研究所研究員?，F(xiàn)任北斗全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)副總設(shè)計師、專家委員會秘書長、地面試驗驗證系統(tǒng)總指揮、體系總體專家組組長。獲國家科技進(jìn)步特等獎 1項、省部級科技進(jìn)步獎 10余項，獲北斗二號衛(wèi)星建設(shè)突出貢獻(xiàn)個人稱號。

張爽娜，中國空間技術(shù)研究院研究員?，F(xiàn)任航天恒星科技有限公司項目經(jīng)理。長期從事北斗系統(tǒng)應(yīng)用解決方案設(shè)計與推廣等工作。發(fā)表論文 20 余篇，授權(quán)專利 20余項。

來源：中國衛(wèi)星導(dǎo)航年會

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