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北斗卫星“牛”在哪里

2020-07-10 解放日报 沈苑
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  不久前,随着“北斗三号”最后一颗全球组网卫星成功发射,“北斗三号”全球卫星导航系统星座部署全面完成。请听中科院微小卫星创新研究院导航所副所长、北斗星航卫星副总指挥沈苑在“造就演讲”上讲述中国北斗卫星导航系统的艰难建设历程。
  在中国人的传统中,北斗是由天空中的天枢、天璇、天玑、天权、玉衡、开阳、摇光这7颗星组成的。而我们今天所说的“北斗”是中国北斗卫星导航系统,它是中国自主研发建设的全球卫星导航系统。

  目前,在全世界范围内,能够被称为“全球系统”的,只有中国的北斗、美国的GPS、俄罗斯的GLONASS以及欧盟的伽利略定位系统。可以说,完善的卫星导航系统是一个国家综合实力的展示。

  除此之外,北斗系统在全球范围内首次实现了混合的异构星座部署。美国的GPS和欧洲的伽利略定位系统都是由地球中高轨道卫星组成的,而北斗是由GEO(静止轨道卫星)、IGSO(倾斜地球同步轨道卫星)和MEO(中高轨道卫星)混合的星座组成的。它既能实现全球覆盖,同时由于部分卫星定点在中国国土上空,因此能够为本土提供更高精度、更好性能的服务。

  我们还研发成功了自主知识产权的导航信号,可以在更短的时间内提供更优质的信号,提升定位的速度与精度。

  那么,北斗的“天空之城”是怎样建成的?

  北斗的建设过程非常漫长。从1994年形成雏形,到2000年“北斗一号”建成使用,开启了“北斗三步走”的第一步。

  第二步被称为“北斗二号”。至2012年底,共有16颗北斗卫星被先后发送进入太空预定转移轨道。这一年的12月27日,我们正式宣布向亚太地区提供10米级的定位、测速、授时等服务。北斗系统,真正成为国际卫星导航系统四大服务商之一。

  第三步是“北斗三号”,也就是真正意义上的北斗全球系统。这项工作从2009年开始启动,到2020年完成全部35颗卫星的发射和部署,具备向全球用户提供服务的能力。

  那么,北斗卫星全球导航系统的建成意味着什么?

  从“北斗二号”到“北斗三号”,不仅仅是卫星数量的增加,而且是将服务区域从局部扩展到全球,并实现与GPS、GLONASS和伽利略定位系统的兼容操作。此外,精度也从区域系统的10米精度提升到了2.5米至5米。

  时间是定位的基准,星载的时频就是导航卫星最根本的指标。因此,“北斗三号”卫星配备了更高精度的氢原子钟和铷原子钟。我们知道,机械表的时间是有误差的,每一天可能会偏差一秒。石英表可能好一点,每一天偏差在0.1秒。而铷原子钟和氢原子钟的精度极高,使北斗的“最强心脏”可以达到每300万年到1000万年才偏差1秒。

  像人体一样,除了有一个强大的心脏,北斗系统还需要畅通的“经脉”。

  卫星在天上,并不是一只失去联系的风筝。地面需要随时向卫星上注一些数据、纠正它的一些偏差等等,来确保整个系统长期稳定地运行。为此,GPS在全球范围内部署了很多地面站,来构建全球系统。而北斗在区域拓展过程中碰到的第一个拦路虎,就是如何去海外建站。海外建站周期长,国际上的协调难度大,似乎是一个短期内无法攻克的难关。于是,我们的科研人员就将目光投向了空中。

  既然很难在其他国家建设地面站,那为什么不把这项工作放到卫星上去做呢?这就是我们北斗导航卫星的星间链路。简单来讲,就是通过在卫星间打通一条通道,让卫星和卫星之间能够“手拉手”。

  在浩瀚的宇宙中,两颗卫星在各自的轨道上相距5万至7万公里,仿佛就是两颗尘埃。北斗的星间链路技术,就是让两颗“尘埃”之间在100毫秒时间里,可以相互捕获、锁定,并且发送信号。基于星间链路的卫星,能够在一段时间内通过相互校准来维持自主运行。

  有人问:如果卫星上天后出了问题,应该怎么办?真的没有办法。所以,我们现在在北斗上实现了在轨重构的功能。这意味着当卫星上天后,一旦暴露出一些新的问题,可以让系统自己升级,不断地给自己打补丁。此外,如果我们的用户提出了新的要求,也不用重新发射一颗卫星,可以在地面上实现新功能,测试和验证好了以后,再上注到卫星上,就相当于给卫星装载了一个新的App。

  随着北斗系统的建成和投入使用,精准导航、精准农业都将成为可能。大家可以畅想一下,白天道路上的车辆川流不息,到了晚上,基于北斗导航系统,一辆辆无人驾驶的车辆依然在一刻不停地工作着……

  几千年以来,人类探索宇宙的脚步一直没有停止过,北斗导航系统将为人类走向更远的星辰大海树立起梦想的天梯。

打印 责任编辑:侯茜

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