解碼北斗三號

　　柯譜

　　新聞背景

　　11月5日，我國第三代導航衛(wèi)星——北斗三號的首批組網(wǎng)衛(wèi)星(2顆)以“一箭雙星”的發(fā)射方式順利升空，它標志著我國正式開始建造“北斗”全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)。那么，北斗三號與前兩代“北斗”導航衛(wèi)星，即北斗一號、北斗二號有什么不同？它都采用了哪些新技術？

11月5日，我國第三代導航衛(wèi)星——北斗三號的首批組網(wǎng)衛(wèi)星(2顆)以“一箭雙星”的發(fā)射方式順利升空，它標志著我國正式開始建造“北斗”全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)。那么，北斗三號與前兩代“北斗”導航衛(wèi)星，即北斗一號、北斗二號有什么不同？它都采用了哪些新技術？

　　幾種衛(wèi)星導航系統(tǒng)

　　要搞清我國三代“北斗”導航衛(wèi)星的異同，首先應了解以下幾種衛(wèi)星導航系統(tǒng)，看看北斗一號、二號和三號分別是屬于哪一種。

　　至今，衛(wèi)星導航技術已先后發(fā)展了兩大類：一類衛(wèi)星導航系統(tǒng)是采用多普勒測速原理，即利用測量導航信號的多普勒頻移來求出距離變化率進行導航定位，但由于這種方式存在不能連續(xù)實時導航等一些缺點，所以采用這種原理的衛(wèi)星導航現(xiàn)已基本沒有了。另一類衛(wèi)星導航系統(tǒng)采用時間測距原理，即利用測量導航信號傳播時間來求出距離進行導航定位，目前大多數(shù)衛(wèi)星導航系統(tǒng)都采用這種方式，包括三代“北斗”導航衛(wèi)星，但即使這樣，它們仍各不相同。

　　因為衛(wèi)星導航系統(tǒng)又可分有源(主動式)和無源(被動式)兩種。我國北斗一號衛(wèi)星導航系統(tǒng)采用有源方式，即用戶進行導航定位時要主動向衛(wèi)星發(fā)送信號，北斗二號和北斗三號衛(wèi)星導航系統(tǒng)采用無源和有源相結合的方式，進行無源衛(wèi)星導航時，用戶只需接收導航衛(wèi)星信號。美國的“全球定位系統(tǒng)”、俄羅斯的“格洛納斯”、歐洲的“伽利略”等衛(wèi)星導航系統(tǒng)都采用無源方式。

　　根據(jù)導航衛(wèi)星的信號覆蓋范圍，衛(wèi)星導航系統(tǒng)還可分為區(qū)域性衛(wèi)星導航系統(tǒng)和全球性衛(wèi)星導航系統(tǒng)，我國的北斗一號、二號衛(wèi)星導航系統(tǒng)以及日本、印度的衛(wèi)星導航系統(tǒng)等屬于前者，美國、俄羅斯、歐洲和我國的北斗三號衛(wèi)星導航系統(tǒng)屬于后者。

　　另外，導航衛(wèi)星還可根據(jù)衛(wèi)星的軌道高度，分成近地軌道、地球中圓軌道、傾斜地球同步軌道和地球靜止軌道導航衛(wèi)星幾種。我國北斗一號為地球靜止軌道導航衛(wèi)星，而北斗二號和三號導航星座都由地球中圓軌道導航衛(wèi)星、傾斜地球同步軌道導航衛(wèi)星和地球靜止軌道導航衛(wèi)星組成。目前，美國、俄羅斯和歐洲的導航衛(wèi)星都運行在地球中圓軌道，印度和日本的導航衛(wèi)星星座均由傾斜地球同步軌道導航衛(wèi)星和地球靜止軌道導航衛(wèi)星組成。

　　有其他衛(wèi)星導航系統(tǒng)不具備的性能

　　目前，衛(wèi)星導航已成為當今社會重要的空間信息基礎設施，其應用只受想象力的限制，具有廣泛的社會、經(jīng)濟、科技和國防意義。因此，我國很重視衛(wèi)星導航系統(tǒng)的建設，并分三個階段實施發(fā)射，即先建造有源區(qū)域衛(wèi)星導航系統(tǒng)，再建造無源與有源相結合的區(qū)域衛(wèi)星導航系統(tǒng)，最終建造無源與有源相結合的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)。

　　2000年10月至12月為第一階段。我國先后發(fā)射了4顆北斗一號導航衛(wèi)星(后兩顆為備份)，它們運行在經(jīng)度相距60°的地球靜止軌道，從而建成了世界首個有源區(qū)域衛(wèi)星導航系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅可提供區(qū)域導航定位，還能進行雙向數(shù)字報文通信和精密授時，特別適用于需要導航與移動數(shù)據(jù)通信相結合的用戶。其服務范圍為國內；定位精度為20米；授時精度為100納秒；短信字數(shù)每次為120個字。

　　2007年至2012年為第二階段。我國陸續(xù)發(fā)射了16顆北斗二號導航衛(wèi)星，最終建成了由14顆北斗二號(5顆靜止軌道導航衛(wèi)星＋5顆傾斜地球同步軌道導航衛(wèi)星＋4顆中圓地球軌道導航衛(wèi)星)組成的、采用無源與有源衛(wèi)星導航方式相結合的區(qū)域衛(wèi)星導航系統(tǒng)。如果說GPS只能告訴用戶什么時間、在什么地方，“北斗”還可以將用戶的位置信息發(fā)送出去，讓其他人可以知道用戶的情況，較好地解決了何人、何事、何地的問題。其服務范圍為亞太地區(qū)；定位精度為10米；測速精度為0.2米/秒；授時精度為50納秒；短信字數(shù)每次為120個字。

　　2017年至2020年為第三階段，我國將先后發(fā)射35顆北斗三號導航衛(wèi)星(5顆靜止軌道衛(wèi)星＋3顆傾斜地球同步軌道衛(wèi)星＋27顆中圓軌道衛(wèi)星)，建成采用無源與有源導航方式相結合的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)。其服務范圍為全球；定位精度為2.5至5米；測速精度為0.2米/秒；授時精度為20納秒；每次短信字數(shù)也增加了。它將為民用用戶免費提供約10米精度的定位服務、0.2米/秒的測速服務，并且將為付費用戶提供更高精度等級的服務。隨著“北斗”地基增強系統(tǒng)提供初始服務，它還可提供米級、亞米級、分米級，甚至厘米級的服務，屆時，“北斗”的定位精度將與美國GPS相媲美。

　　建成后的北斗全球導航系統(tǒng)將為民用用戶免費提供約10米精度的定位服務。

　　具有高精度、高可靠、高保險、多功能的“北斗”全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)有一些美國、俄羅斯和歐洲全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)不具備的性能和特點，例如，其空間段采用三種軌道衛(wèi)星組成的混合星座，且與其他衛(wèi)星導航系統(tǒng)相比高軌衛(wèi)星更多，因此抗遮擋能力強，尤其在低緯度地區(qū)性能特點更為明顯；北斗三號可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；該衛(wèi)星系統(tǒng)創(chuàng)新融合了導航與通信能力，具有實時導航、快速定位、精確授時、位置報告和短報文通信服務五大功能。

　　北斗三號亮點多多

　　由于北斗三號導航衛(wèi)星需采用許多新技術，為此，我國在2015年至2016年陸續(xù)發(fā)射了5顆北斗三號試驗衛(wèi)星，驗證了以高精度星載原子鐘、星座自主運行等為代表的衛(wèi)星載荷關鍵技術，以輕量化、長壽命、高可靠為典型特征的衛(wèi)星平臺關鍵技術，基于星地鏈路、星間鏈路、全新導航信號體制的導航衛(wèi)星運行控制關鍵技術，以及98%的國產(chǎn)化器件，關鍵器件均為“中國造”。

　　從2017年11月5日發(fā)射首批北斗三號(2顆)地球中圓軌道導航衛(wèi)星起，我國正式開始建造“北斗”全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)。與北斗二號相比，除了服務區(qū)域由區(qū)域覆蓋擴大到全球覆蓋外，北斗三號在精度和可靠性上都有很大的提高。其單星設計壽命由以前的8年提高到10至12年，并首次提出“保證服務不間斷”指標。

　　另外，還有以下重大技術創(chuàng)新或改進。北斗三號中圓地球軌道衛(wèi)星采用了新型的導航衛(wèi)星專用平臺，它具有功率密度大、載荷承載比重高、設備產(chǎn)品布局靈活、功能拓展適應能力強等技術特點，可為系統(tǒng)后續(xù)功能和需求拓展提供更大的適應能力，將實現(xiàn)衛(wèi)星導航系統(tǒng)的定位、授時和導航的服務業(yè)務，兼容天基數(shù)據(jù)傳輸、新業(yè)務載荷的在軌應用，能作為天基數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡的廣播節(jié)點。作為世界上唯一的由3種軌道衛(wèi)星構成的導航系統(tǒng)，北斗三號未來還將按照國際標準增加全球搜救、全球位置報告、星基增強等拓展服務。

　　北斗三號地球靜止軌道衛(wèi)星與傾斜地球同步軌道衛(wèi)星采用大型衛(wèi)星平臺，它能集成多種載荷，兼容實現(xiàn)天基增強、可動點波束功率增強、短報文通信與位置報告等系統(tǒng)；成為天基數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡的中心節(jié)點。

　　北斗三號衛(wèi)星星座首次配備了相控陣星間鏈路(在衛(wèi)星之間搭建的通信測量鏈路)，解決了境外監(jiān)測衛(wèi)星的難題，成為一大特色。這樣能實現(xiàn)對運行在境外的衛(wèi)星進行監(jiān)測、注入功能，并可實現(xiàn)衛(wèi)星之間的雙向精密測距和通信，從而能夠進行多星測量，自主計算并修正衛(wèi)星的軌道位置和時鐘系統(tǒng)，大大減少對地面站的依賴，提高整個系統(tǒng)的定位和服務精度。星間鏈路是“北斗”實現(xiàn)自主導航的關鍵，不僅實現(xiàn)了北斗衛(wèi)星相互間的通信和數(shù)據(jù)傳輸，還能相互測距，自動“保持隊形”，減輕地面管理維護壓力。所謂自主導航，就是指即使地面站全部失效，30多顆“北斗”導航衛(wèi)星也能通過星間鏈路提供精準定位和授時，地面用戶通過手機等終端接收導航衛(wèi)星的信號，仍舊能進行定位及導航。

　　眾所周知，導航衛(wèi)星上的原子鐘性能對整個衛(wèi)星導航系統(tǒng)的性能有重要影響。北斗三號衛(wèi)星采用我國新型高精度銣原子鐘和氫原子鐘。與北斗二號衛(wèi)星采用的原子鐘相比，北斗三號上的原子鐘在產(chǎn)品體積、重量方面大幅降低，每天的頻率穩(wěn)定度提高了10倍，綜合指標達到國際領先水平。其上的氫原子鐘精度將比北斗二號的星載銣原子鐘提高一個數(shù)量級。銣原子鐘天穩(wěn)定度為每1萬秒誤差10－14秒量級，氫原子鐘天穩(wěn)定度為每1萬秒誤差10－15秒量級。原子鐘技術的進步，直接推動了“北斗”系統(tǒng)的定位精度由10米量級向米級跨越，測速和授時精度同步提高一個量級。

　　北斗三號進一步提升了連續(xù)性、穩(wěn)定性和可用性的指標，采用多項新技術提高了衛(wèi)星的抗干擾能力，非計劃中斷指標為每年0.4次，達到國際先進水平。它采用了多重可靠性“加固”措施，可最大限度增強系統(tǒng)的保險系數(shù)。比如，系統(tǒng)建成后運行衛(wèi)星數(shù)量大于服務必需衛(wèi)星數(shù)，即衛(wèi)星有備份；配備了多臺銣原子鐘，形成“雙保險”一起提供服務；還采用了軟件冗余、故障自我診斷和故障自我修復等多項措施，可保證系統(tǒng)可靠性。

　　該衛(wèi)星還在世界上首次實現(xiàn)了衛(wèi)星的在軌自主完好性監(jiān)測功能，這一功能對民航、自動駕駛等生命安全領域用戶來說，具有極強的實用價值。它將增加性能更優(yōu)的互操作信號，即與世界其他衛(wèi)星導航系統(tǒng)兼容性更好的信號B1C和B2a信號。其全新的導航信號體制和強大的在軌重構功能，也將極大地提升用戶體驗，因為通過兼容互操作技術，可為用戶能在終端上接收多個信號奠定基礎，給用戶提供多種選擇方案。

　　根據(jù)計劃，2018年前后完成18顆北斗三號衛(wèi)星發(fā)射，屆時將面向“一帶一路”國家和地區(qū)提供基本服務。到2020年前后，北斗三號系統(tǒng)面向全球提供全天候、全天時為各類用戶提供高精度、高可靠的定位、導航、授時服務。“北斗”發(fā)展藍圖是構建國家綜合定位、導航和授時體系建設，以“北斗”系統(tǒng)為核心，建成天地一體(包括太空、地面、水下、室內)、覆蓋無縫、安全可信、高效便捷的國家綜合定位、導航和授時體系。

　　延伸閱讀

　　北斗衛(wèi)星是怎么導航定位的

　　我國第一代導航衛(wèi)星北斗一號與第二代導航衛(wèi)星北斗二號以及第三代導航衛(wèi)星北斗三號在工作原理上有明顯不同之處。

　　北斗一號衛(wèi)星導航系統(tǒng)是通過采用衛(wèi)星無線電測定業(yè)務方式來確定用戶的位置。在平時，地面中心站經(jīng)2顆北斗一號地球靜止軌道衛(wèi)星不斷向用戶詢問是否需要定位的信號，而用戶終端一般只處于光收聽不發(fā)信息的狀態(tài)。當需要定位時，用戶終端分別經(jīng)2顆北斗一號地球靜止軌道衛(wèi)星向中心站發(fā)送需要定位的申請信號。這時，地面中心站通過測量信號的往返時間來算出用戶終端分別到每顆衛(wèi)星的距離。由于衛(wèi)星的位置是已知的，所以可以用這2個距離測量數(shù)據(jù)進一步推算出用戶位置。最后，地面中心站將該定位信號經(jīng)1顆衛(wèi)星傳給用戶終端。

　　采用這種方式的優(yōu)點所需衛(wèi)星少，只要2顆衛(wèi)星就行；具有導航定位、發(fā)短報文和精密授時等多種功能。但其定位精度不高，系統(tǒng)用戶容量有限。

　　北斗二號和北斗三號衛(wèi)星導航系統(tǒng)在國際首次實現(xiàn)了采用衛(wèi)星無線電測定業(yè)務和衛(wèi)星無線電導航業(yè)務相結合的集成體制方式來為用戶導航定位。所謂衛(wèi)星無線電導航業(yè)務，就是用戶被動測量來自至少4顆在衛(wèi)星時鐘控制下的導航衛(wèi)星連續(xù)發(fā)送的無線電導航信號，并根據(jù)這些衛(wèi)星信號的不同傳輸時間，來測定用戶到這些衛(wèi)星的不同距離，然后通過用戶終端的數(shù)學運算得到用戶的三維坐標與速度。

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