雷淼
2024年9月19日9時(shí)14分，第59顆、第60顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星在長(zhǎng)征三號(hào)乙運(yùn)載火箭與遠(yuǎn)征一號(hào)上面級(jí)的托舉下直沖云霄，順利進(jìn)入預(yù)定軌道。這是北斗三號(hào)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(gè)工程正式收官。
北斗三號(hào)實(shí)現(xiàn)全員到位意味著什么？從1994年北斗一號(hào)工程啟動(dòng)至今，“北斗”對(duì)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(huì)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(méi)記錯(cuò)，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(hào)系統(tǒng)的組網(wǎng)即已完成。后來(lái)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(shí)際上都是這一系統(tǒng)的備份星。它們雖名為備份星，但實(shí)為主力軍。這5顆衛(wèi)星各有重任，或負(fù)責(zé)提升硬件能力，或負(fù)責(zé)擴(kuò)展系統(tǒng)服務(wù)，或在支撐系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行和規(guī)模應(yīng)用的同時(shí)，為下一代北斗導(dǎo)航衛(wèi)星技術(shù)升級(jí)進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)。
北斗是我國(guó)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(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)：美國(guó)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(gè)詞的時(shí)候，甚至意識(shí)不到它其實(shí)是某個(gè)國(guó)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(guó)家安全、交通運(yùn)輸、搶險(xiǎn)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(guó)必須開(kāi)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(guó)外，埋下受制于人的隱患。
從20世紀(jì)后期起，我國(guó)開(kāi)始探索適合本國(guó)國(guó)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(hào)試驗(yàn)導(dǎo)航系統(tǒng)，向中國(guó)提供服務(wù)，同時(shí)進(jìn)行關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證；2012年年底，建成北斗二號(hào)系統(tǒng)，向亞太地區(qū)提供服務(wù)；2020年，建成北斗三號(hào)系統(tǒng)，服務(wù)范圍覆蓋全球。
衛(wèi)星如何實(shí)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(jiǎn)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(yuǎn)，然后各自去算自己的位置。這樣一來(lái)，計(jì)算工作分?jǐn)偟矫總€(gè)用戶頭上，就不會(huì)“累壞”衛(wèi)星了。
打個(gè)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(shuō)：你離A桿5米。你就在心里圍著A桿畫(huà)個(gè)半徑5米的圓，知道自己肯定在這個(gè)圓上，只是確定不了具體位置。
朋友接著說(shuō)：你離B桿12米。你又在心里圍著B(niǎo)桿畫(huà)個(gè)半徑12米的圓，這個(gè)圓和圍著A桿的圓有兩個(gè)交點(diǎn)，你必在其中之一。
朋友又說(shuō)：你離C桿9米。這下你立刻就能從前面的兩個(gè)交點(diǎn)里排除一個(gè)，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(shí)間是幾點(diǎn)幾分幾秒幾毫秒幾微秒幾納秒”的廣播，你的手機(jī)接到A星的信號(hào)是幾點(diǎn)幾分幾秒10毫秒，而自己的時(shí)鐘顯示為幾點(diǎn)幾分幾秒80毫秒。這就說(shuō)明A星發(fā)出的信號(hào)走了70毫秒才到達(dá)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(hào)，就能判斷出自己的位置。當(dāng)然，衛(wèi)星的信號(hào)是個(gè)球面，比起舉例的二維沙灘會(huì)更復(fù)雜，但原理大致如此。
如果衛(wèi)星播報(bào)的時(shí)間能夠精確到納秒，那么測(cè)距和定位就能精確到30厘米。不過(guò)，大家可能還有一個(gè)疑問(wèn)：衛(wèi)星是高精尖儀器，它們的時(shí)間準(zhǔn)確，可手機(jī)時(shí)間萬(wàn)一不準(zhǔn)，錯(cuò)過(guò)一秒(常有的事)，便失之千里，屆時(shí)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(shí)鐘偏差全都解出來(lái)。以前用過(guò)GPS手機(jī)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?yàn)?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(shí)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(hào)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(hào)首顆正式衛(wèi)星開(kāi)始排序的，也就是說(shuō)，把兩代北斗前后發(fā)射的60顆衛(wèi)星都算進(jìn)去了。
依照軌道來(lái)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(yùn)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(lái)，它們就像是懸停在天上一樣。GEO衛(wèi)星單星信號(hào)覆蓋范圍很廣，一般來(lái)說(shuō)，3顆GEO衛(wèi)星就可實(shí)現(xiàn)對(duì)全球除南北極之外絕大多數(shù)區(qū)域的信號(hào)覆蓋。在經(jīng)費(fèi)緊張、技術(shù)尚需驗(yàn)證、不向全球提供服務(wù)的試驗(yàn)開(kāi)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(gè)夾角。若從北半球地面來(lái)看，它們每天在空中畫(huà)一個(gè)巨大的“8”，南邊一圈部分沒(méi)入南方地平線以下。由于我國(guó)地處北半球，GEO衛(wèi)星在赤道平面上運(yùn)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(dòng)，可做有效彌補(bǔ)。
第三類是中高地球軌道(MEO)衛(wèi)星。衛(wèi)星的運(yùn)行軌道高度約2萬(wàn)公里，每天圍地球轉(zhuǎn)兩圈。分析計(jì)算表明，24顆傾角55°的這種衛(wèi)星，分布在3個(gè)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(hào)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(qiáng)系統(tǒng)確?！案呔取?/p>
從工作原理可知，精準(zhǔn)的時(shí)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(guò)將原子輻射電磁波作為節(jié)拍器計(jì)時(shí)，精度可以達(dá)到每天0.5納秒?？梢赃@么理解，若是運(yùn)行550萬(wàn)年，誤差只有1秒！當(dāng)然，對(duì)于定位功能為主的導(dǎo)航系統(tǒng)，不能這么簡(jiǎn)單地理解時(shí)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(wàn)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(shí)間系統(tǒng)也考慮到了相對(duì)論效應(yīng)的影響。根據(jù)狹義相對(duì)論，衛(wèi)星相對(duì)地面高速運(yùn)動(dòng)，每天會(huì)慢幾微秒；而根據(jù)廣義相對(duì)論(和狹義相對(duì)論不沖突)，衛(wèi)星所在之處重力較弱，每天會(huì)比地面快幾十微秒。要注意這里是微秒，量級(jí)比納秒大約千倍，每微秒對(duì)應(yīng)著300米的誤差。
怎么理解這個(gè)現(xiàn)象呢？簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是衛(wèi)星越低、速度越快、重力越強(qiáng)，狹義相對(duì)論效應(yīng)就越明顯，反之則廣義相對(duì)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(shí)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(shí)間系統(tǒng)要根據(jù)軌道高度修正誤差，還要與地面定期“對(duì)表”，才能確保導(dǎo)航系統(tǒng)的精確運(yùn)行。
衛(wèi)星和地面之間不完全是真空，信號(hào)到達(dá)地面的途中，會(huì)被地球大氣的電離層和對(duì)流層干擾，造成高達(dá)幾十米的測(cè)距誤差。還有多種誤差源需要通過(guò)觀測(cè)、建模，求得改正參數(shù)，進(jìn)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(qiáng)系統(tǒng)來(lái)負(fù)責(zé)。
北斗的增強(qiáng)系統(tǒng)分為星基與地基兩部分。星基增強(qiáng)系統(tǒng)通過(guò)地球靜止軌道衛(wèi)星搭載衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)信號(hào)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(shí)現(xiàn)對(duì)原有衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)定位精度的改進(jìn)。地基增強(qiáng)系統(tǒng)則通過(guò)地面基準(zhǔn)站網(wǎng)，利用衛(wèi)星、移動(dòng)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(jí)、分米級(jí)直至厘米級(jí)實(shí)時(shí)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(yàn)
在研發(fā)建設(shè)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的過(guò)程中，我國(guó)發(fā)明了不少獨(dú)門(mén)絕技。其中的典型代表就是北斗短報(bào)文，即可以通過(guò)北斗衛(wèi)星發(fā)送簡(jiǎn)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(kāi)創(chuàng)了通信導(dǎo)航一體化的獨(dú)特服務(wù)模式。
北斗短報(bào)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(jìn)入震中災(zāi)區(qū)的救援部隊(duì)正是利用北斗短報(bào)文，向外界傳遞了第一手災(zāi)情信息。另外，漁業(yè)部門(mén)也能通過(guò)北斗短報(bào)文，及時(shí)向特定區(qū)域的漁船定點(diǎn)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(xiǎn)時(shí)，同樣可以通過(guò)北斗短報(bào)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(guó)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(guó)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(jìn)展驗(yàn)證了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的全球服務(wù)能力，對(duì)于推動(dòng)民航高質(zhì)量發(fā)展和交通強(qiáng)國(guó)建設(shè)具有重要意義，更有利于推進(jìn)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在民航領(lǐng)域的市場(chǎng)化、產(chǎn)業(yè)化、國(guó)際化應(yīng)用。
在北斗服務(wù)區(qū)域走向覆蓋全球的過(guò)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(gè)“聊天群”，通過(guò)星間測(cè)距、星間通信和星上數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)航星歷的自主更新，其結(jié)果一是能彌補(bǔ)地面站分布稀疏的弱點(diǎn)，二是能降低對(duì)地面運(yùn)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(lái)，已在交通運(yùn)輸、農(nóng)林漁業(yè)、水文監(jiān)測(cè)、氣象測(cè)報(bào)、通信授時(shí)、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(jì)效益和社會(huì)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(dòng)智能終端制造、位置服務(wù)等廠商采用，廣泛進(jìn)入中國(guó)大眾消費(fèi)、共享經(jīng)濟(jì)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(jì)師、中國(guó)工程院院士楊長(zhǎng)風(fēng)日前透露，我國(guó)將加快推動(dòng)下一代北斗系統(tǒng)建設(shè)發(fā)展，加大對(duì)不依賴衛(wèi)星的多種定位導(dǎo)航授時(shí)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(shí)空體系?！?/p>
最近發(fā)射的第59顆、第60顆北斗三號(hào)衛(wèi)星已升級(jí)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(jìn)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(shí)、全球短報(bào)文通信等服務(wù)性能。同時(shí)，這兩顆衛(wèi)星將在確保導(dǎo)航系統(tǒng)精穩(wěn)運(yùn)行的基礎(chǔ)上，開(kāi)展下一代北斗系統(tǒng)新技術(shù)的試驗(yàn)試用。(作者為中國(guó)科普作家協(xié)會(huì)會(huì)員)
來(lái)源：北京日?qǐng)?bào)