雷淼
2024年9月19日9時14分，第59顆、第60顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星在長征三號乙運載火箭與遠征一號上面級的托舉下直沖云霄，順利進入預(yù)定軌道。這是北斗三號全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的最后兩顆衛(wèi)星，標(biāo)志著整個工程正式收官。
北斗三號實現(xiàn)全員到位意味著什么？從1994年北斗一號工程啟動至今，“北斗”對于全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的布局起到了什么作用？
最后兩顆是備份星也是主力軍
看到第59顆、第60顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)射的新聞，可能很多人會感到奇怪：印象中北斗系統(tǒng)早就建好了，怎么又收一次官？
大家沒記錯，早在2020年6月23日，隨著北斗第55顆衛(wèi)星發(fā)射，北斗三號系統(tǒng)的組網(wǎng)即已完成。后來發(fā)射的第56顆到第58顆，以及最新發(fā)射的第59顆、第60顆衛(wèi)星，實際上都是這一系統(tǒng)的備份星。它們雖名為備份星，但實為主力軍。這5顆衛(wèi)星各有重任，或負責(zé)提升硬件能力，或負責(zé)擴展系統(tǒng)服務(wù)，或在支撐系統(tǒng)穩(wěn)定運行和規(guī)模應(yīng)用的同時，為下一代北斗導(dǎo)航衛(wèi)星技術(shù)升級進行相關(guān)試驗。
北斗是我國自主建設(shè)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，以古人用于判斷方向的著名星官“北斗”命名。在北斗建成之前，世界上已經(jīng)存在3個衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)：美國的全球定位系統(tǒng)(GPS)、俄羅斯的格洛納斯系統(tǒng)(GLONASS)和歐盟的伽利略系統(tǒng)(Galileo)。其中以GPS最為知名，許多人使用這個詞的時候，甚至意識不到它其實是某個國家搭建的導(dǎo)航系統(tǒng)，而是直接把它當(dāng)作衛(wèi)星定位導(dǎo)航通用技術(shù)的代稱。
衛(wèi)星導(dǎo)航在國家安全、交通運輸、搶險救災(zāi)、信息化建設(shè)、搶占軌道資源、提高航天技術(shù)等諸多方面具有重大意義，因此，我國必須開發(fā)建設(shè)自己的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，而不能在此領(lǐng)域依賴國外，埋下受制于人的隱患。
從20世紀(jì)后期起，我國開始探索適合本國國情的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展道路，逐步形成了三步走的發(fā)展戰(zhàn)略：2000年年底，建成北斗一號試驗導(dǎo)航系統(tǒng)，向中國提供服務(wù)，同時進行關(guān)鍵技術(shù)驗證；2012年年底，建成北斗二號系統(tǒng)，向亞太地區(qū)提供服務(wù)；2020年，建成北斗三號系統(tǒng)，服務(wù)范圍覆蓋全球。
衛(wèi)星如何實現(xiàn)精準(zhǔn)定位
導(dǎo)航系統(tǒng)的核心功能是定位，那么衛(wèi)星是怎樣知道人和物的位置的呢？
簡單概括衛(wèi)星定位的方法就是：你看衛(wèi)星在哪兒、離你有多遠，然后各自去算自己的位置。這樣一來，計算工作分攤到每個用戶頭上，就不會“累壞”衛(wèi)星了。
打個比方，在沙灘上插3根標(biāo)桿，記牢它們的位置，然后蒙上眼睛隨意走到一處，再讓身邊的朋友告訴你離每根標(biāo)桿的距離。
朋友說：你離A桿5米。你就在心里圍著A桿畫個半徑5米的圓，知道自己肯定在這個圓上，只是確定不了具體位置。
朋友接著說：你離B桿12米。你又在心里圍著B桿畫個半徑12米的圓，這個圓和圍著A桿的圓有兩個交點，你必在其中之一。
朋友又說：你離C桿9米。這下你立刻就能從前面的兩個交點里排除一個，從而斷定自己的位置。
導(dǎo)航衛(wèi)星也是這樣定位的，它們不停地發(fā)出“本星經(jīng)緯度和高度若干，現(xiàn)在時間是幾點幾分幾秒幾毫秒幾微秒幾納秒”的廣播，你的手機接到A星的信號是幾點幾分幾秒10毫秒，而自己的時鐘顯示為幾點幾分幾秒80毫秒。這就說明A星發(fā)出的信號走了70毫秒才到達你所在之處，那么用70毫秒乘以光速(299792458米/秒)，就能得知“經(jīng)緯度和高度若干的A星”距你約有20985472米。
以此類推，再接收兩顆衛(wèi)星的信號，就能判斷出自己的位置。當(dāng)然，衛(wèi)星的信號是個球面，比起舉例的二維沙灘會更復(fù)雜，但原理大致如此。
如果衛(wèi)星播報的時間能夠精確到納秒，那么測距和定位就能精確到30厘米。不過，大家可能還有一個疑問：衛(wèi)星是高精尖儀器，它們的時間準(zhǔn)確，可手機時間萬一不準(zhǔn)，錯過一秒(常有的事)，便失之千里，屆時又該怎么辦？
所以，想要精準(zhǔn)定位還需再添一顆衛(wèi)星，用4顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)聯(lián)立方程組，就能把經(jīng)度、緯度、海拔和地面時鐘偏差全都解出來。以前用過GPS手機應(yīng)用的人應(yīng)該還有“當(dāng)前能看到4顆衛(wèi)星”“當(dāng)前能看到6顆衛(wèi)星”的印象，因為4顆衛(wèi)星就是定位的基礎(chǔ)配置。
3類軌道衛(wèi)星拱衛(wèi)北斗
要想保證人們時刻得到至少4顆衛(wèi)星的服務(wù)，需要發(fā)射不少衛(wèi)星。目前，服務(wù)全球的北斗三號導(dǎo)航系統(tǒng)包括備份衛(wèi)星在內(nèi)，共有35顆衛(wèi)星。此次發(fā)射的北斗第59顆、第60顆星，是從2007年4月升空的北斗二號首顆正式衛(wèi)星開始排序的，也就是說，把兩代北斗前后發(fā)射的60顆衛(wèi)星都算進去了。
依照軌道來劃分，北斗導(dǎo)航衛(wèi)星共分為3類。
第一類是靜止軌道(GEO)衛(wèi)星。它們運行在赤道上方35786公里的高處，隨著地球的自轉(zhuǎn)周期同步公轉(zhuǎn)，從地面的角度看來，它們就像是懸停在天上一樣。GEO衛(wèi)星單星信號覆蓋范圍很廣，一般來說，3顆GEO衛(wèi)星就可實現(xiàn)對全球除南北極之外絕大多數(shù)區(qū)域的信號覆蓋。在經(jīng)費緊張、技術(shù)尚需驗證、不向全球提供服務(wù)的試驗開發(fā)早期(2000年至2007年)，北斗系統(tǒng)就是從這類衛(wèi)星起步的。
第二類是傾斜地球同步軌道(IGSO)衛(wèi)星。它們的公轉(zhuǎn)周期也和地球自轉(zhuǎn)周期一樣，但與赤道有個夾角。若從北半球地面來看，它們每天在空中畫一個巨大的“8”，南邊一圈部分沒入南方地平線以下。由于我國地處北半球，GEO衛(wèi)星在赤道平面上運行，高山或建筑物北側(cè)的用戶很難看到，而IGSO衛(wèi)星在空中南北擺動，可做有效彌補。
第三類是中高地球軌道(MEO)衛(wèi)星。衛(wèi)星的運行軌道高度約2萬公里，每天圍地球轉(zhuǎn)兩圈。分析計算表明，24顆傾角55°的這種衛(wèi)星，分布在3個軌道面內(nèi)，就可以覆蓋全球，滿足全球?qū)Ш降木纫蟆?/p>
北斗三號系統(tǒng)目前共有4顆靜止軌道衛(wèi)星、3顆傾斜地球同步軌道衛(wèi)星和28顆中高地球軌道衛(wèi)星。其中，1顆靜止軌道衛(wèi)星(第56顆)和4顆中高地球軌道衛(wèi)星(第57-60顆)是備份星。
原子鐘和增強系統(tǒng)確?！案呔取?/p>
從工作原理可知，精準(zhǔn)的時間是導(dǎo)航衛(wèi)星的靈魂。北斗衛(wèi)星使用星載銣原子鐘和星載氫原子鐘，通過將原子輻射電磁波作為節(jié)拍器計時，精度可以達到每天0.5納秒。可以這么理解，若是運行550萬年，誤差只有1秒！當(dāng)然，對于定位功能為主的導(dǎo)航系統(tǒng)，不能這么簡單地理解時間精度，而是要把它乘以光速，再換算成距離精度，答案是每天誤差15厘米。雖然不像“550萬年僅差1秒”那么震撼，但只要和地面站定期校正，執(zhí)行導(dǎo)航任務(wù)綽綽有余。
精準(zhǔn)的時間系統(tǒng)也考慮到了相對論效應(yīng)的影響。根據(jù)狹義相對論，衛(wèi)星相對地面高速運動，每天會慢幾微秒；而根據(jù)廣義相對論(和狹義相對論不沖突)，衛(wèi)星所在之處重力較弱，每天會比地面快幾十微秒。要注意這里是微秒，量級比納秒大約千倍，每微秒對應(yīng)著300米的誤差。
怎么理解這個現(xiàn)象呢？簡單來說，就是衛(wèi)星越低、速度越快、重力越強，狹義相對論效應(yīng)就越明顯，反之則廣義相對論效應(yīng)越明顯。因此，最終該快該慢或快慢多少，均由衛(wèi)星的高度決定。在中高地球軌道上，衛(wèi)星的星載時鐘每天快37微秒，而在靜止軌道或傾斜地球同步軌道上，每天快47微秒。所以，衛(wèi)星的時間系統(tǒng)要根據(jù)軌道高度修正誤差，還要與地面定期“對表”，才能確保導(dǎo)航系統(tǒng)的精確運行。
衛(wèi)星和地面之間不完全是真空，信號到達地面的途中，會被地球大氣的電離層和對流層干擾，造成高達幾十米的測距誤差。還有多種誤差源需要通過觀測、建模，求得改正參數(shù)，進行位置修正。在北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中，這一修正任務(wù)由增強系統(tǒng)來負責(zé)。
北斗的增強系統(tǒng)分為星基與地基兩部分。星基增強系統(tǒng)通過地球靜止軌道衛(wèi)星搭載衛(wèi)星導(dǎo)航增強信號轉(zhuǎn)發(fā)器，向用戶播發(fā)星歷誤差、衛(wèi)星鐘差、電離層延遲等多種修正信息，實現(xiàn)對原有衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)定位精度的改進。地基增強系統(tǒng)則通過地面基準(zhǔn)站網(wǎng)，利用衛(wèi)星、移動通信、數(shù)字廣播等播發(fā)手段，在服務(wù)區(qū)域內(nèi)提供米級、分米級直至厘米級實時高精度導(dǎo)航定位服務(wù)。
下一代北斗系統(tǒng)新技術(shù)即將試驗
在研發(fā)建設(shè)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的過程中，我國發(fā)明了不少獨門絕技。其中的典型代表就是北斗短報文，即可以通過北斗衛(wèi)星發(fā)送簡短的文字信息。其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)用戶只能知道“我在哪”，北斗用戶不但知道“我在哪”，還能告訴別人“我在哪”“在干什么”，開創(chuàng)了通信導(dǎo)航一體化的獨特服務(wù)模式。
北斗短報文把衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)用出了通信系統(tǒng)的功能。在2008年汶川大地震中，常規(guī)的地面通信設(shè)備全毀，首批進入震中災(zāi)區(qū)的救援部隊正是利用北斗短報文，向外界傳遞了第一手災(zāi)情信息。另外，漁業(yè)部門也能通過北斗短報文，及時向特定區(qū)域的漁船定點推送船只位置和防撞安全信息，當(dāng)漁民在茫茫大海上遇險時，同樣可以通過北斗短報文呼救。
2023年11月，包含北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)和建議措施的《國際民用航空公約》附件10最新修訂版正式生效。這標(biāo)志著北斗系統(tǒng)正式加入國際民航組織(ICAO)標(biāo)準(zhǔn)，成為全球民航通用的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。這一進展驗證了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的全球服務(wù)能力，對于推動民航高質(zhì)量發(fā)展和交通強國建設(shè)具有重要意義，更有利于推進北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在民航領(lǐng)域的市場化、產(chǎn)業(yè)化、國際化應(yīng)用。
在北斗服務(wù)區(qū)域走向覆蓋全球的過程中，星間鏈路技術(shù)起到了關(guān)鍵作用。星間鏈路在衛(wèi)星和衛(wèi)星之間建起一個“聊天群”，通過星間測距、星間通信和星上數(shù)據(jù)處理，實現(xiàn)了導(dǎo)航星歷的自主更新，其結(jié)果一是能彌補地面站分布稀疏的弱點，二是能降低對地面運控系統(tǒng)的依賴，從而提高導(dǎo)航系統(tǒng)的可靠性。
自北斗系統(tǒng)提供服務(wù)以來，已在交通運輸、農(nóng)林漁業(yè)、水文監(jiān)測、氣象測報、通信授時、電力調(diào)度、救災(zāi)減災(zāi)、公共安全等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，產(chǎn)生了顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。如今，基于北斗系統(tǒng)的導(dǎo)航服務(wù)被電子商務(wù)、移動智能終端制造、位置服務(wù)等廠商采用，廣泛進入中國大眾消費、共享經(jīng)濟和民生領(lǐng)域，深刻改變了人們的生產(chǎn)生活方式。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)工程總設(shè)計師、中國工程院院士楊長風(fēng)日前透露，我國將加快推動下一代北斗系統(tǒng)建設(shè)發(fā)展，加大對不依賴衛(wèi)星的多種定位導(dǎo)航授時手段的技術(shù)攻關(guān)，“在2035年前，建設(shè)完善更加泛在、更加融合、更加智能的綜合時空體系?！?/p>
最近發(fā)射的第59顆、第60顆北斗三號衛(wèi)星已升級星載原子鐘配置，并搭載了能建“聊天群”的新型星間鏈路終端，科學(xué)家將利用這些新設(shè)備進一步提升北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的可靠性及定位導(dǎo)航授時、全球短報文通信等服務(wù)性能。同時，這兩顆衛(wèi)星將在確保導(dǎo)航系統(tǒng)精穩(wěn)運行的基礎(chǔ)上，開展下一代北斗系統(tǒng)新技術(shù)的試驗試用。(作者為中國科普作家協(xié)會會員)
來源：北京日報