geo星座中国北斗的“独门秘籍”

小编 2024年11月23日 12:11 23 0

中国北斗的“独门秘籍”

北斗为道路上行驶的车辆提供高精度定位系统

从深空到深海，从个人到万物，中国北斗卫星导航系统作为提供时空基准信息的系统，不仅是我们的信息基础设施，更是护卫国门的一把金钥匙。自主可控的卫星导航系统，对于国家的重要意义不言而喻。可是，北斗真的是“不明觉厉”吗？跟我们普通人有什么关系呢？其实它远在天边，却近在眼前。截至2020年第一季度，在中国市场申请入网的智能手机里，有四分之三以上都支持北斗定位的。这一太空高科技，普遍关照着普罗大众。

今天，我们先来揭秘一下北斗到底有哪些独门秘籍。

“心脏”300万年误差一秒

在复杂的、代表现代高尖端科技前沿技术的卫星导航系统中，其中能被称之为“心脏”的部分，有着怎样超然的能力呢？

由于卫星导航系统在空间高速运转，不同种类的接收机用户，位置处于不断变化的过程中，且地球自身也持续不断地转动，其间微小的时间误差，将导致光速运行的无线电波产生巨大的测量误差，因此时间系统的精确计量和同步具有极其重要的意义。

我们知道，天地间越同步，误差越小，定位的精度就越高，大家得到的数据就越准确。要修炼好这门技能，核心就是做好时间测量，也就是掌握好时间的精度。而要掌握好时间精度，就要靠原子钟。

而北斗的心脏，就是一座原子钟。它是目前人类最精确的时间测量仪器，也是导航卫星最关键的核心设备。在卫星导航系统中，1纳秒就是十亿分之一秒的时间误差，将导致0.3米的距离误差。如果我们时间差出去一秒，那我们的距离就会差出去3后面8个零这么大的距离！人类要想实现这么精密的时间测量，一般的钟可做不到，只有靠原子钟的力量。

根据量子力学的原理，原子内部有上下两个能级结构，当原子从一个能级跃迁至另外一个能级时，吸收或者释放出的电磁波频率是固定的，这也就是我们所说的共振频率。例如铯133的一个共振频率为9192631770赫兹。用它制作的计时仪器就可以非常准确了。北斗卫星导航系统使用的是由中国航天科工集团所研制的星载铷原子钟，这些原子钟实现了元器件100%国产化，目前的精度可达到300万年误差仅为1秒。

“三”的奥秘

“道生一，一生二，二生三，三生万物”。北斗系统的发展中也蕴含了很多与“三”有关的奥秘，包括北斗系统发展战略、系统架构、星座配置、工作原理、信号体制、服务规划、未来愿景等等诸多方面。

北斗系统由空间段、地面段和用户段三部分组成。其中空间段由3颗GEO卫星、3颗IGSO和24颗MEO卫星等组成。地面段则包括主控站、时间同步/注入站和监测站等若干地面站，以及星间链路运行管理设施。北斗系统用户段包括北斗及兼容其他卫星导航系统的芯片、模块、天线等基础产品，以及终端设备、应用系统与应用服务等。

北斗独创了“三种轨道”混合星座。它是由GEO卫星、IGSO卫星和MEO卫星三种轨道卫星组成的混合导航星座。中国卫星导航系统管理办公室主任冉承其指出，世界上其他卫星导航系统都是单一轨道的部署，北斗是三个轨道的卫星组成的星座系统。除了MEO轨道之外，还有同步轨道的，一个是静止的GEO卫星，一个是倾斜同步轨道的IG SO卫星，由于它们的存在，在亚太大部分地区，用户搜到的卫星就会比其他系统多。因为这两个轨道的卫星高度更高，可见性更好。“除了天地双向通信，北斗还具有短报文系统，而短报文通信功能是其他国家的卫星导航系统都不具备的功能。在海上，没有手机信号，或者灾害发生时通信受阻，这时候，如果你有北斗终端，就可以通过卫星发送短报文来与外界联系。如果你在中国及周边地区，一次可以发一千个汉字呢。不过它跟发手机短信又不太一样。现在的普通手机还发不了短报文，必须用北斗专门的通信终端才能发。中国的渔民和海洋执法船都有这样的装备。”

与此同时，北斗系统是全球第一个提供三频信号服务的卫星导航系统。GPS使用的是双频信号，使用双频信号可以减弱电离层延迟的影响，而使用三频信号可以构建更复杂模型消除电离层延迟的高阶误差。同时，使用三频信号可提高载波相位模糊度的解算效率，理论上还可以提高载波收敛速度，这就是北斗的后发优势。

此外，位置信息（Position）、速度信息（Velocity）和时间信息（Time）是构成北斗信息服务的“三要素”。

北斗系统可向全球提供优于10米的定位服务，亚太地区定位精度达到5米。北斗系统提供的位置信息服务，输出结果为“经度、纬度、高程”或者“x，y，z”，不管哪种输出形式，恰好都是“三个参量”，一个不多，一个不少。同时，通过精密单点定位、星基增强、地基增强等方式，可将定位精度提高到米级、分米级乃至厘米级。北斗系统提供的测速精度能力优于0.2米/秒。北斗系统可为用户提供优于20ns的授时服务，在此基础上利用差分授时、双向比对等技术手段，可进一步提升授时精度。

实际上，无论你在哪里，北斗都在你身边。在全国30多个城市650多万辆汽车上都装有北斗芯片；国际上主流的智能手机都用到了北斗。手机导航有两部分组成。一部分是收卫星导航信号的芯片，这个卫星导航是以芯片的模式体现在手机的硬件里面，另外一部分是基于芯片收星以后提供服务的导航软件，比方说大家熟悉的百度、高德地图，把北斗发送的位置信息展示在一张地图上，让人们方便地去找路。手机终端是否用到北斗系统，是体现在芯片里面的。

现实生活中，一到立交桥、高架上，导航显示的信息就让人犯晕。这是因为卫星提供给手机的是一个空间位置，包括经度、纬度和高度的三维位置信息，而导航软件提供的地图是二维的，没有体现定位高度，所以就会出现导航误差。

协同5G打开新世界

从2017年11月以来，北斗近两年连续18次组网发射，将28颗北斗三号组网卫星，2颗北斗二号的备份卫星，顺利送入轨道。平均每个月发射1.2颗卫星，刷新全球卫星导航系统组网速度世界纪录。

随着北斗构建了更加高精度、高可靠、高安全的新一代信息时空技术体系，北斗在应用和产业化方面也在不断迈上新台阶。北斗和5G的融合更是将在智慧城市、智慧制造、智慧家庭、智慧农业等未来的新技术方面发挥出巨大作用。

在我国远洋捕捞的渔船上，搭载着2万多台套北斗导航系统终端，每年服务3亿人次以上。每年有上百名海上遇险的渔民利用北斗导航的精确定位得到了救援。

在东北和新疆广袤的农场里，2000多套无人耕种机械，接收着来自北斗卫星的定位信号，在大田里循着既定路线自助耕作，提高作业效率30%以上……

北斗智能公交系统实现了公交车辆的精确到站预报和智能化管理，平均到站时间预报误差小于1分钟，每天惠及数百万市民出行。

曾经，我国95%的民用导航市场被美国主导的GPS全球定位系统所垄断；如今，大部分市场份额已被我国自主知识产权的北斗导航系统所取代。

业内专家一致认为，2020年是北斗实现转折发展的关键年，将从系统建设转向产业发展，从研发转向产业化应用，从单一技术产业向多技术多产业深化融合转折。

目前，北斗为道路上行驶的车辆提供了高精度定位服务，它可以实现端到端亚米级,甚至厘米级的动态定位。在极端恶劣的天气下，车载激光雷达和摄像头等融合感知设备会一定程度上失效,从而影响车车、车路之间的状况判定,不能及时有效地传递信息,“而北斗高精定位技术却不受天气环境等外界因素影响,在任何情况下,它都可以保证汽车的精准定位,可以充分保障车辆行驶安全,降低事故发生率”。

公路交通无疑是我国卫星导航系统应用最成熟、最广泛的行业之一，此外，在测绘、航空、智慧城市、公共安全、工农机械、无人系统等领域，北斗的应用也将进一步深化。卫星导航定位系统究竟有哪些应用，专家说了——北斗的应用只受制于我们的想象力。

让我们立即进入“北斗+5G”打开的新世界吧！

（据《新民周刊》陈冰/文）

北斗三号完成星座部署交出全球卫星导航的中国解决方案[组图]

中国网 2020-06-23 10:21

6月23日9时43分，我国在西昌卫星发射中心，长征三号乙运载火箭成功发射。摄影：胡煦劼

中国网讯（记者杨佳）6月23日9时43分，我国在西昌卫星发射中心，利用长征三号乙运载火箭，成功发射北斗三号全球卫星导航系统最后一颗组网卫星。

这是北斗三号第30颗组网卫星，也是北斗系统第55颗导航卫星，它的成功发射标志着北斗三号全球卫星导航系统星座部署全面完成。

这是今年北斗导航卫星的第二次发射，也是全部北斗导航卫星的第44次发射。

部署完成的北斗三号全球系统星座由3颗地球静止轨道（geostationary Earth orbit, GEO）卫星、3颗倾斜地球同步轨道（inclined geosynchronous orbits, IGSO）卫星、24颗中圆地球轨道（medium Earth orbit，MEO）卫星组成。

此次发射的北斗三号收官之星是GEO卫星，也被亲切地称为“吉星”，因为是第三颗吉星，又被称为“嚞星”。该类卫星在星基增强、短报文通信、精密单点定位等特色服务上发挥关键作用。

梅刚华研究员正在工作。中国科学院精密测量科学与技术创新研究院供图

北斗的硬核心

每颗导航卫星里都有一个核心装置，就是原子钟。

卫星导航是基于电磁波信号的传播进行测距定位的。无线电波以每秒30万公里的速度传播，如果能够将无线电波传播1米所花费的时间测准，卫星导航系统就可以达到1米的定位精度。这个时间长度只有3纳秒，即10亿分之3秒，要完成这种精度的时间测量，只能靠原子钟。

常用的原子钟有氢原子钟、铯原子钟、铷原子钟等。其中铷原子钟体积小、功耗低，制造和应用成本最低。美国的GPS卫星使用的主要就是铷原子钟。

星载原子钟是技术含量极高的战略性高技术，不可能从国外引进，我国北斗系统需要的星载原子钟只有走自主研发这条路。

中国科学院精密测量科学与技术创新研究院梅刚华团队，1997年开始研究星载铷原子钟技术，经过20多年的潜心攻关，为北斗系统研制出系列化星载铷原子钟产品。他们为北斗三号系统研制的甚高精度星载铷原子钟，时间测量精度达到每天0.5纳秒，居国际领先水平，可满足分米级导航定位应用需求。

据了解，北斗三号有30颗组网卫星和5颗试验卫星，每颗卫星上都装载了梅刚华团队研制的星载铷原子钟。

梅刚华团队用二十年时间，走完了国外星载铷原子钟技术四十年的发展历程，使我国的星载原子钟技术实现了从无到有、由有到精的跨越，为北斗系统工程建设做出了突出贡献。

2019年1月7日，四川省甘孜州九龙县发生森林火灾，攀枝花市森林消防支队接到上级命令后迅速赶赴火场增援。图为森林消防员正在使用背负式北斗系统的短报文功能给上级指挥部传输火场坐标及火场基本情况。李从林摄影

北斗的独家绝学

短报文功能是中国北斗区别于其他卫星导航系统的特色服务。

在没有通信信号覆盖的地区，北斗系统不仅可以进行导航定位，不仅能回答用户“我在哪”，还能告诉关注着用户行踪的相关方“你在哪”，在搜救、渔业等领域中发挥着不可替代的作用。北斗三号的短报文通信能力显著提升，信息发送能力从一次120汉字提升到一次1200汉字，突发情况时无需字斟句酌，足以将情节一次性说清楚，还可发送图片等信息，应用场景更为丰富。此外，北斗三号的服务能力较北斗二号拓展了10倍，在通信、电力、金融、测绘交通、渔业、农业、林业等领域，更多的人可以享受到北斗导航系统的普惠服务。

据北斗系列卫星研制单位航天科技集团五院介绍，吉星采用东方红三B（导航）卫星平台，是我国现役规模较大的卫星平台之一。强大的承载能力让“嚞星”具备无线电导航、无线电测定、星基增强、精密单点定位、功率增强、站间时间同步和定位六大本领，可为我国及周边地区用户提供导航及增强服务。

今年3月份，北斗三号第二颗GEO卫星就位后，北斗系统新体制下有源定位功能得到验证，拉开了无线电测定功能全面升级的序章。随着“嚞星”的入列，北斗三号吉星三兄弟在太空团聚，将在赤道上拉开更大距离，为全球用户提供“中国特色”的导航服务，将全球导航服务跃升到一个新的高度。

包括试验卫星在内的全部59颗北斗卫星的发射均采用了长征三号甲系列运载火箭。航天科技集团一院供图

北斗的“梦想天梯”

自2000年10月31日，长征三号甲系列运载火箭发射我国发射第一颗北斗导航试验卫星算起，至今共进行了44次发射，将59颗北斗卫星成功护送升空，发射成功率100%，因此长征三号甲系列火箭也被称为北斗组网工程的“梦想天梯”。

长三甲系列火箭研制于上世纪80年代末，已经有30多年的历史。自1994年首飞以来，也已经走过了26年的历史。从现在来看，这款火箭依然有比较强大的生命力，原因是30多年来，从来没有停止过技术创新。虽然从外观上看变化不大，但实际上从内部已经焕然一新。

比如火箭的神经系统——控制系统，从2000年开始进行系统级的冗余改进，把一些一旦出现问题就容易损坏的部件，换成能够经受一定程度故障的部件，提高系统的可靠性。

再比如火箭的核心系统之一——增压输送系统，也采取了类似的创新和改进，提高了火箭的可靠性。

长三甲从来没有停止过创新的脚步，从火箭状态来说，大体固化并行小步迭代。所有的这些改进，都在不断提高长三甲系列火箭的生命力。

截止至此次发射任务共发射112次，长三甲系列火箭成为我国发射次数最多的系列运载火箭。

在西昌卫星发射中心指挥控制站内，工程师正在进行数据检测。车元元摄影

永不出鞘的利剑

航天工程是一个系统工程，为此，一旦发现差错，所有工作都将“归零”，一旦出现故障或问题，该项工作都将会从第一步至最后一步，都从零进行检查，直至问题完全解决。

据介绍，在每次发射北斗任务前，测控系统的工作人员都至少需要提前4小时到达工作岗位，每次北斗发射会依据火箭特性持续5至10几个小时不等。

在高密度的发射任务下，中心需要在最短的时间内完成手上的发射任务并及时切换到下一个任务，在最繁忙的时候，在15天的时间里，中心工作人员就要进行一次工作任务的切换，进入下一次的发射流程。

大量繁琐的数据处理工作，让西昌卫星发射中心的测控人常常一坐就是6、7个小时，他们常常是那群每天来得最早却走得最晚的人，针对每次不同的工作任务和不同的星箭型号，他们做的工作繁琐却又细致。

由于北斗卫星组网的时间紧、任务重，并且对于国家的发展有着极其重要的战略意义。从2018年下半年开始，他们平均20天就要完成一次卫星发射任务。在正式发射的那十几个小时里，他们需要以高度集中的精神盯着电脑屏幕，同时在心里不断重复检查的过程。

中心测控系统高级工程师罗启富表示，“任务结束时，我们走出机房常常都会出现两眼发黑的情况，通常要好几天才能缓过来。”

西昌卫星发射中心的测控部门在北斗系列卫星成功发射的基础上，根据回传的数据进行应用摸索，并把相关的数据用于后续的北斗发射。这样的“边发边用”，成为了后续北斗卫星成功发射的进一步保障。

作为一把永不出鞘的利剑。测控部门还肩负着安全控制的重任，测控系统监视显示分系统指挥员胡杰介绍，一旦发生火箭严重偏离轨道的情形并且威胁到了下方城市的安全，我们就要启动“安全控制”程序，在高空中对火箭启动炸毁程序。但很幸运，我们在整个“北斗”系列发射的过程中从未执行过此类命令。

北斗导航卫星星历星座图来源：中国卫星导航系统管理办公室测试评估研究中心

中国的北斗世界的北斗

北斗是中国着眼于国家安全和经济社会发展需要，自主建设、独立运行的卫星导航系统，是可以为全球用户提供全天候、全天时、高精度的定位导航授时服务的重要空间基础设施。

随着北斗系统建设和服务能力的发展，相关产品广泛应用于交通运输、海洋渔业、水文监测、气象预报、测绘地理信息、森林防火、通信时统、电力调度、救灾减灾、应急搜救等领域，逐步渗透到人类社会生产和人们生活的方方面面，为全球经济和社会发展注入新的活力。

北斗系统建设中蕴藏着航天人自强不息、甘于奉献的中国精神。北斗三号全球系统最后一颗组网卫星的发射成功，并不意味着北斗系统的结束，而是又一个新的起点。

习近平总书记在给联合国全球卫星导航系统国际委员会第十三届大会的贺信中指出，中国高度重视卫星导航系统建设发展，积极开展国际合作。2035年前还将建设完善更加泛在、更加融合、更加智能的综合定位导航授时体系。

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北斗三号完成星座部署 交出全球卫星导航的中国解决方案[组图]

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