为全球导航，中国如何做到的？

仙仙 · 发表于 2021-12-9 12:18:21

2020年6月23日

中国西昌卫星发射中心

长征火箭搭载着最后一颗北斗组网卫星

划破长空

随后

卫星将到达距离地表约36000千米的轨道

它的稳定运行

标志着

中国北斗卫星导航系统全面建成

这是一个庞大的工程

太空中46颗导航卫星

昼夜不停地环绕在地球周围

地面上2700多个基准站

分布于大江南北

一张“天罗地网”铺展开来

这也是一个艰难的工程

8万多名工作人员

300多家研发单位

前前后后奋战20多年

终于梦想成真

如今北斗已经广泛应用于

电力、金融、通信、交通

农业、测绘、减灾救灾等

中国将彻底摆脱

对美国全球定位系统（GPS）的依赖

而且借助北斗

中国导弹拥有了超高精度的制导能力

国防利器愈加锋利

如今

北斗系统（BDS）已经覆盖全球

与美国的全球定位系统（GPS）

俄罗斯的格洛纳斯系统（GLONASS）

欧盟的伽利略系统（Galileo）

并称全球四大卫星导航系统（GNSS）

20年磨一剑

中国是如何做到的？

1. 导航卫星的秘密

要想获取我们的位置

太空中需要布置

至少3颗导航卫星

它们不断地发射电磁波信号

我们利用导航设备接收信号

信号在一发一收之间产生的时间差

再乘以电磁波的传播速率（光速）

便可以计算出我们与卫星的距离

只有1颗导航卫星时

以卫星为中心

我们与卫星的距离为半径

便得到一个球面

球面上的任何一点

都可能是我们的位置

若有2颗导航卫星

两个球面相交得到一个圆周

圆周上任何一点

都可能是我们的位置

若有3颗导航卫星

三个球面相交得到A、B两个点

两点中任何一点

也都可能是我们的位置

而两点之中

仅有B点位于地表附近

于是便锁定了我们唯一的位置

这就是导航卫星的秘密

即三球交会定位原理

实际上

在测量时间的时候

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

同时为了保证我们随时随地

都能接收到4颗以上的导航卫星信号

环绕地球的卫星总数往往远远高于4颗

例如美国GPS和俄罗斯GLONASS系统

导航卫星的数量都在24颗以上

可是

在上世纪90年代

想要短期内发射同等数量的导航卫星

对于航天及导航技术相对落后的中国来讲

几乎是一个不可能实现的梦想

能否用最少的卫星

实现定位的目标？

2. 蹒跚起步

一个大胆的方案

横空出世

陈芳允

“两弹一星”功勋、著名电子学家

首次提出了由两颗卫星组成的

双星定位系统

其巧妙之处在于

在地面设置了一个“大脑”

即地面控制中心

利用地面控制中心

人们可在地球周围“虚拟”出一个球体

并通过控制中心、卫星、用户三者之间的交互

计算得到用户的位置

与此同时

两颗卫星均位于地球静止轨道

其轨道高度在35786千米

运行周期与地球自转周期保持一致

可始终朝向地球的同一面

保证了全时段的信号覆盖

从1994年方案获得正式立项

到2000年两颗北斗卫星成功入轨

历时6年多的研发

北斗双星的设想

终于变成了现实

这便是北斗一号

它的信号

可以覆盖中国全境

用户不仅能接收位置信息

还能像“发短信”一样主动发送文字消息

这在求救和援助时尤为关键

而对于如同“收音机”般

单向接收数据的GPS等系统

这是无法做到的

这项功能属于国际首创

美国GPS之父帕金森教授

后来对此功能赞誉有加

既能够知道你在哪里，也能够知道我在哪里

这是多么美妙的体验

不过

北斗一号的缺陷

同样显而易见

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

而且仅支持150个用户同时在线

与全球覆盖的目标也相差甚远

还有

“发短信”式的交互模式

过程较为繁琐、信号易被拦截

不仅导致定位中存在1秒左右的时延

还容易暴露自身位置

而对于高速运动的飞机、导弹来说

每1秒都生死攸关

军事行动中保密性更是至关重要

北斗一号

尽管性能有些简单

但基本解决了我们导航系统从无到有的问题

北斗的梦想已经在蹒跚中起步

接下来会一帆风顺吗？

3. 攻坚克难

自2010年起

西昌卫星发射中心变得非常热闹

在不到3年的时间里

将有14颗导航卫星从这里陆续发射升空

2010年发射5颗

2011年发射3颗

2012年发射6颗

同时

运算和控制等地面配套系统也铺展开来

卫星与地面的调整测试也在同步进行

2012年年底

新系统组网成功

这就是北斗二号

与北斗一号相比

其覆盖范围明显扩大

扩大至亚太地区的大部分区域

定位精度也从20米提升至10米

时间精度达到10纳秒

北斗一号独特的通信功能

也被完整继承了下来

可在应急通讯中帮助更多的人

然而这样的升级

并非一帆风顺

挡在科学家面前的是

重重难关

难关之一在于

卫星如何布局

最适宜导航卫星的轨道

是高度约20000千米的

中圆轨道

是实现全球覆盖的最优选择

GPS等系统的卫星便分布于此

可是

中圆轨道卫星

飞越目标区域的时间较短

这意味着

想要实现此区域的稳定覆盖

必须发射足够多的卫星

然而此时

发射这类卫星的技术

在我国尚未成熟

倘若全部使用中圆轨道

无疑是充满风险

为了短期内实现目标

中国科学家另辟蹊径

首次开创了“混搭”的卫星布局方式

通过排兵布阵

14颗卫星分布于三种轨道

除了4颗中圆轨道卫星外

还有5颗倾斜同步轨道卫星

保证信号对亚太地区的长时间覆盖

5颗地球静止轨道卫星

实现此区域的全时段稳定覆盖

难关之二在于

精度如何提高

电磁波以光速传播

哪怕存在1纳秒的时间误差

产生的距离误差也会有0.3米

所以卫星导航定位的精确度

主要取决于卫星上的原子钟精度

以及卫星、地面站、用户之间的

时间同步

国际上通用的星载原子钟的精度

相当于每过10万年才会产生1秒的误差

而当时拥有此项技术的国家

仅有美国、俄罗斯和瑞士

北斗一号所用的原子钟

便是从瑞士进口

但到了北斗二号时

引进原子钟的合作却被迫中断

所以

北斗二号要想顺利完成

中国人必须争分夺秒地

实现原子钟的自主研制

时间的紧迫性远不止于此

难度之三

便是卫星

如何按时发射

根据国际电信联盟的规定

卫星运行的轨道和信号频率

在使用前必须提前申请

且必须在申请通过后的7年内

完成卫星发射入轨和信号接收

否则相关资源会被回收

2000年4月18日

中国的申请获得通过

这意味着在接下来的7年里

卫星以及火箭必须做到万无一失

科学家们夜以继日地

反复实验和测试

7年内掌握相关卫星技术

2年内攻克原子钟的难关

甚至仅用10多天

完成卫星取出、测试、再到装回等

一系列复杂操作

修复了临发射前的突发故障

2007年4月17日晚八点

当人们成功接收到信号时

距离轨道失效的截止时间

仅仅剩下4个小时

至此

历尽磨炼、突破技术封锁

一个覆盖亚太地区的卫星导航系统就此建成

而距离实现全球导航

只差最后一步

4. “天罗地网”

最后一步

将是一次全方位的升级

北斗三号卫星

使用寿命从8年增至10年以上

其组成部件

全部实现中国造

其中原子钟性能持续升级

精度已经达到1000万年差1秒

此时火箭技术

也已不再成为掣肘

一箭双星的发射已经“炉火纯青”

2017年年底

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

于是

太空之中

3颗地球静止轨道卫星

分布在赤道正上空

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

则昼夜不停地围绕地球奔跑

它们共同组成

一个庞大的卫星网络

悬挂于太空

堪称一张浩大的天网

从此

无论白天还是黑夜

无论身处地球的任何角落

人们抬头便可以看见5~6颗北斗卫星

全球覆盖的目标

终于实现

这样还不够

当卫星飞越中国境外时

在缺少地面控制指令的情况下

卫星无法保证在正常轨道运行

为此

人们在卫星之间搭建起桥梁

彼此间能进行通信和测距

互相监督、自动保持队形

组成错综复杂的

星间链路

这大大减少了

系统对地面站的依赖

即使地面站点全部失效

北斗系统依然可以通过星间链路

保持自主运行长达60天之久

同时

在中国境内的地面上

2700多个地面参考站点

和数个数据处理中心

也在中国大地上铺展开来

组成一张地面数据加工网络

即便卫星信号受到

各种地形、建筑物遮挡和反射

也能提供额外的地面信息补充

人称地基增强系统

经此修正和处理之后

整个系统的误差一再减小

精度持续增加

可以是米级、分米级

甚至是厘米级、毫米级

可以精确到

建立电子围栏

保证共享单车停在指定范围内

可以精确到

阅兵方阵中

各型装备方队等速行进

各个飞行梯队米秒不差

距离误差在正负10厘米以内

可以精确到

监测大坝、大桥等

工程的外观变形

此外

北斗芯片

可以植入手机

截至2019年第三季度

中国市场申请入网的400余款手机中

支持北斗导航的便有近300款

可以装备运输工具

截至2019年12月

超过650万辆营运车辆

4万辆邮政和快递车辆

3200多座内河导航设施

2900余座海上导航设施

均已装备北斗系统

成为全球最大的营运车辆动态监管系统

至此

天罗加地网组合而成

这便是北斗系统进化的终极形态

北斗三号

5. 北斗20年

从北斗一号的首星发射

到北斗三号的末星入轨

已是整整20年

20年间

面对重重困难

科学家们不曾退却

他们步步为营，循序渐进

第一步，为中国

第二步，为亚太

第三步，为世界

今天

中国终于有了

自己的卫星导航系统

未来

它将向全世界开放

也会成为70多亿人生活的一部分

空气中

行踪不定的污染物

被纳入环境监测信息系统

从此将逃不过北斗的“慧眼”

田地间

通过北斗系统与农业器械的配合

可实时掌握耕种深度、行距等信息

令作业效率提高50%

产量提高5%~8%

在国境线上

山高、林密、谷深的恶劣环境

导致通信设施无法全部覆盖

而边防官兵们凭借北斗系统

依然可以及时、稳定地传递信息

但是

这些还远远不够

正如中国卫星之父

北斗一号和二号系统的总设计师

孙家栋所说

我们建设北斗关键还是在用，只有用得更加普及，更加深入，这才是赢家。

是的

科学家们排星布阵20年

终于织就一张“天罗地网”

中国自己的卫星导航系统

也终于从设想变为现实

而这

仅仅只是故事的开端

未来的每一天

才是中国北斗卫星导航系统

责任和使命的真正所在

创作团队

撰文：艾蓝星

设计：郑伯容，陈随

地图：王朝阳，陈思琦

专家审核

中国科学院计算技术研究所罗海勇博士

【致谢】本文在创作中得到了清华大学经管学院校友刘运操的大力支持，特此感谢。

【参考文献】

[1]中国卫星导航系统管理办公室.北斗卫星导航系统发展报告（4.0版），2019.

[2]中国卫星导航系统管理办公室.北斗卫星导航系统应用案例，2018.

[3]谢军，王海红等.卫星导航技术[M].北京理工大学出版社，2018.

[4]田建波,陈刚. 北斗导航定位技术及其应用[M].中国地质大学出版社，2017.

[5]刘天雄.卫星导航系统概论[M].中国宇航出版社，2018.

[6]袁树友.下安物望-北斗应用100例[M].解放军出版社，2017.

[7]王金锋.空中指南-中国成功发射系列导航卫星[M].吉林出版集团，2009.

[8]《开讲啦：北斗系统总设计师杨长风》，2017.

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