北斗:世界上最亮的指路明星

2020-07-09 03:27朱国顺
新民周刊 2020年23期
关键词:纳秒指路颗卫星

朱国顺

6月23日上午9时43分,第五十五颗北斗卫星在长征三号乙火箭推动下奔向太空,定位于地球同步轨道,至此,中国北斗三号卫星导航系统星座部署全部完成,将全功能投入使用。

北斗三号,这是世界上最亮的指路明星。

卫星导航,是地球上覆盖面最广、性价比最高的定位指路方式。在几经磨砺之后,1994年中国下决心,决定建设自己的卫星导航系统——北斗。

建设自己的卫星导航系统,首先要确立符合中国实际、适应中国需求的技术路径。

通过卫星获取某一个地点的位置,一般在太空中需要布置至少3颗导航卫星,即三球交会定位原理。实际上在测量时会产生各种误差,为了消除误差,往往还需要第4颗卫星的辅助。同时,为了随时随地接收到4颗以上导航卫星信号,非静止环绕地球的卫星总数往往远高于4颗。美国GPS和俄罗斯GLONASS系统导航卫星的数量,都在24颗以上,就是这个原因。

在上世纪90年代,短期内发射这些数量卫星对中国来讲,是勉为其难的。聪明的中国人想出来一个绝妙办法,提出由两颗卫星组成双星定位系统,同时在地面设置一个地面控制中心,通过控制中心、卫星、用户三者之间的交互计算得到用户的位置。这时需要两颗卫星均位于地球静止轨道保持相对位置不动,其轨道高度在35786千米。

2000年,首批两颗北斗卫星成功入轨,这就是北斗一号的开端。它覆盖中国全境,还能像“发短信”一样主动发送文字消息,比单向接收数据的GPS等系统好。

北斗一号的缺陷在于,它的定位精度为20-100米,时间精度为20-100纳秒,与同期GPS的10米和20纳秒差距明显。

2010年起,中国又发射了14颗导航卫星,组网成北斗二号系统,覆盖范围扩大至亚太地区大部分区域,定位精度从20米提升至10米,时间精度达到10纳秒。

最适宜导航卫星的轨道,是高度约20000千米的中圆轨道。但这个轨道飞越目标区域的时间较短,要实现稳定覆盖必须发射足够多的卫星,而此时中国相关技术能力尚不具备,中国另辟蹊径开创了“混搭”的卫星布局方式,将14颗卫星分布于三种轨道,4颗中圆轨道,5颗倾斜同步轨道卫星保证对亚太地区长时间覆盖,5颗地球静止轨道卫星实现此区域的全时段稳定覆盖。

导航卫星的授时对精度影响极大,1纳秒的时间误差会产生距离误差0.3米,国际先进的星载原子钟精度需要达到每10万年才会产生1秒的误差。

2017年底开始发射的北斗三号卫星,能力与水平都提升到了一个崭新高度。使用寿命从8年增至10年以上,所有部件全部实现中国造,原子钟精度达到1000万年差1秒。

2017年底发射1箭2星,2018年发射9箭17星,2019年发射6箭8星,2020年发射3箭3星,不到3年时间30颗卫星以前所未有的速率发射升空,完成组网星座部署。3颗地球静止轨道卫星分布在赤道上空,3颗倾斜同步轨道卫星稳定覆盖亚太地区,24颗中圆轨道卫星昼夜不停围绕地球奔跑,共同组成一个先进的北斗三号卫星导航网络。从此,每时每刻无论身处地球任何角落,总有5-6颗北斗卫星在关心你。

特别是中国北斗特有的星间链路,大大减少了系统对地面站的依赖,提高了稳定性。整个系统的精度持续增加,可达到米级、分米级甚至是厘米级、毫米级。

从北斗一号首星到北斗三号末星入轨,20年间,55颗北斗为中国、为亚太、为世界搭建起了独树一帜、功能全面、技术先进的卫星导航系統,它将向全世界开放,成为地球上70多亿人生活的一部分。

这是世界上最亮的指路明星。

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