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北鬥是個啥?七個問題看懂北鬥全球導航係統
2020-09-13           作者: 綜合

新京報訊(記者 倪偉)6月23日9點43分,中國北鬥三號係統最後一顆組網衛星發射成功,北鬥全球導航係統星座部署完成。

天上的北鬥衛星時刻便利著我們的生活。打開手機,依靠電子地圖導航目的地,或查看軟件裏外賣小哥到哪裏了,這些日常生活中的應用都用上了北鬥係統。目前新入網的手機,也有70%可以用北鬥服務。

2年半、30顆衛星,這個我國規模最大、覆蓋範圍最廣、性能要求最高的衛星係統,到底是個啥?以下7個問題帶你看懂。

北鬥三號係統30顆衛星分布在三個軌道麵上。中國衛星導航係統管理辦公室

供圖

一問:北鬥是什麽?

通俗來說,北鬥三號係統可以看作中國版的GPS。

北鬥衛星導航係統是中國著眼於國家安全和經濟社會發展需要自主建設運行的,可以為全球用戶提供全天候、全天時、高精度的定位、導航和授時服務,屬於國家重要時空基礎設施。

北鬥的發展經曆三代,北鬥一號係統2000年年底建成,是一個試驗係統,向中國提供服務。2007年至2012年,北鬥二號係統建成,向亞太地區提供服務。2017年到2020年,30顆星組成的北鬥三號係統建成,也就是全球導航係統,可以服務全球。

二問:北鬥組了一張什麽樣的網?

北鬥三號不是一顆衛星,而是一個係統,包含30顆衛星。這些衛星組成了一張網,將地球和臨近空間籠罩在內。因此北鬥三號建設過程也被形象地稱為“組網”。

這張網上的30顆衛星,分布在三個不同高度的軌道麵,包括24顆MEO衛星(地球中圓軌道衛星)、3顆IGSO衛星(傾斜地球同步軌道衛星)和3顆GEO衛星(地球靜止軌道衛星)。

MEO衛星是北鬥三號主力衛星,運行在距離地球約2萬公裏的軌道,主要提供導航定位授時服務,以及全球短報文通信、國際搜救等特色服務。IGSO衛星主要運行在距離地球3萬6千公裏軌道上,由於是高軌道衛星,可以有效增加亞太地區衛星可見數,為亞太地區提供更優質服務。GEO衛星主要運行在距離地球3萬6千公裏的地球靜止軌道上,提供區域短報文、星基增強等特色服務。

三個軌道麵的星座設計,是北鬥導航係統的獨創,也具有顯著的優勢。與其他導航係統相比,最突出的特點是增加了高軌道衛星,衛星越高抗遮擋能力就越強,尤其在低緯度地區性能更有優勢。同時,利用高軌道衛星,北鬥還增添了通信功能,提供全球獨家的短報文服務。

三問:北鬥有什麽特色功能?

短報文是北鬥特有的功能,從北鬥一號一直延續到北鬥三號係統。

導航衛星和通信衛星是兩類衛星,但北鬥導航衛星上卻附加了通信功能。中國衛星導航定位協會副秘書長王博介紹,北鬥用戶利用終端,不僅可以知道自己的位置,還可以通過短報文將自己的情況告訴他人。

在有移動網絡覆蓋的地區,這一功能似乎雞肋,但在大量尚未有網絡覆蓋的地區,如沙漠、遠洋、深山、森林等,就必須要依靠衛星通信。一般衛星通信比較昂貴,北鬥短報文則成本低廉,且附加在導航終端裏,更為便利,在應急救援、遠洋漁業等領域得到有效應用。

如今,北鬥三號的短報文通信能力顯著提升,從一次發送120個漢字提升到一次1000多漢字,還可發送圖片等信息,應用場景更為豐富。

除了短報文,北鬥係統還有多種特殊應用,另一個例子是國際搜救。

北鬥三號係統的6顆MEO衛星上,裝有搜救載荷,可以與其他全球衛星搜救係統一起,為全球用戶提供搜救服務。“舉個例子,漁船在作業過程中遇到惡劣天氣遇險,搜救終端在觸水之後會自動把搜救信號發到衛星上,衛星會把這些信息轉發到地麵係統,地麵係統可以快速計算出遇險者的位置,告訴附近的救援力量快速開展搜救工作。”北鬥衛星係統總師林寶軍此前介紹。

這項服務是按國際衛星標準,與其他國際衛星搜救係統聯合開展的一項免費公益性服務,主要用於水上、陸地、空中遇險目標的定位和救援。

西昌衛星發射中心,執行北鬥三號最後一顆組網衛星發射的長征三號乙運載火箭轉運至發射區。航天科技集團一院

供圖

四問:為什麽有了GPS還要建設北鬥?

全球共有四個全球導航係統建成或在建,除了北鬥,還有美國GPS、俄羅斯格洛納斯和歐盟伽利略。GPS上世紀就開始提供全球服務,在我國也有龐大應用規模,但我國依然努力建設了自己的北鬥係統。

北鬥三號工程衛星總設計師謝軍表示,衛星導航係統是一個國家重要的空間基礎設施,甚至是基礎設施中的支撐和基礎。如果用國外關鍵技術,采購國外核心產品,一旦被斷貨,係統就無法長期穩定運行下去。

王博說,在國計民生很多重要行業裏麵,導航係統提供的時空基準不可或缺。精確的時空基準,可以說是一個國家的戰略資源,通信、電網、金融等行業,都需要導航衛星的精準的定位和授時功能。

對於國防安全來說,導航衛星也尤為重要,在保衛國家安全的時候,很多武器裝備的製導、導航都離不開衛星。所以,有了GPS等其他導航係統以後,我們仍然堅持建設自己的北鬥係統,這是北鬥的戰略意義。

五問:如何用上北鬥的服務?

對於普通個人用戶,並不需要通過特別的途徑選擇使用北鬥服務,北鬥服務已經通過芯片內置到我們的手機、汽車等設備中。我們使用導航定位服務的時候,就已經用上了北鬥衛星。

北鬥衛星導航係統工程總設計師楊長風此前介紹,中國新入網的智能手機,70%已經內置北鬥芯片,或北鬥、GPS雙模芯片。雙模芯片可以同時使用GPS和北鬥係統,這種使用不是非此即彼,而是同時使用北鬥和GPS衛星,芯片會自動挑選目前可以接收到的導航衛星信號,可能是來自北鬥衛星和GPS衛星的組合,通過4顆以上衛星,就能計算出當前的位置。

在交通運輸、農林漁業、減災救災等各行各業裏,北鬥也實現了廣泛的應用,通過一些內置北鬥芯片的終端設備就可以實現。

六問:北鬥係統為什麽能“神速”建成?

北鬥三號建設堪稱“神速”,從2017年11月5日發射首星,到2020年6月23日收官,僅2年7個月就完成30顆星組網,其間還發射了2顆北鬥二號衛星,完善了北鬥二號星座。

這是我國航天曆史上規模最大的星座,也是最密集的同型號衛星發射。“高風險的航天領域,質量和進度、質量和數量一直是一對矛盾。”謝軍曾說。這樣的速度下百分之百成功率,簡單來說,依靠的是快速的火箭和衛星製造能力,以及成熟的發射技術。

中國衛星導航係統管理辦公室主任冉承其說,北鬥係統充分借鑒、繼承、發揚了中國航天獨到的管理模式,同時創新了很多組織管理模式。例如建立了全球連續監測評估係統,對所有衛星導航係統運行情況進行監測,讓北鬥係統學習改進提升。

北鬥衛星發射使用的火箭為長三甲係列火箭,分為長三甲、長三乙、長三丙三種構型。長三甲係列也是我國發射次數最多、適應性最強的運載火箭係列,目前發射次數達112次。從北鬥一號係統開始,長三甲係列44次發射59顆北鬥衛星,成功率100%。

近幾年,長三甲係列火箭一直處於高強密度發射狀態,連續5年摘得全國發射次數排名第一的火箭型號桂冠。為了實現兩年半發射30顆北鬥衛星,長三甲係列火箭還進行了適應性改進,滿足三種軌道發射需求。

長三甲研製方中國運載火箭技術研究院介紹,長三甲係列火箭還具備大型衛星的雙星發射能力、末級長時間滑行能力、窄窗口/多窗口甚至零窗口發射能力、低溫推進劑加注後推遲24小時不泄出再次發射的能力,保證了長三甲係列能滿足絕大多數有效載荷的需求。

七問:北鬥建設中有什麽困難?

楊長風曾在一段采訪中講述過北鬥二號爭分奪秒“保軌道頻率”的故事。

導航衛星發射上天的前提是要有合法的軌道位置和頻率資源,這是世界各國必爭的寶貴資源。2000年4月17日,我國在國際電信聯盟組織爭取到了軌道位置和頻率資源,按規定,必須要在7年有效期內發射衛星並成功收到信號。

實際北鬥二號立項是2004年,隻有3年時間,必須要研製和成功發射第一顆衛星,這一過程一般來說需要5年。這顆星不僅是北鬥二號係統的首顆衛星,更肩負著啟動北鬥空間軌道位置和無線電頻率的重任。

北鬥團隊夜以繼日,趕在2007年4月初進入發射階段。當時這顆衛星已經與火箭合體,豎立在發射塔架上等待發射,卻突然發現應答機出現了異常,研製人員重新打開了火箭整流罩,檢查衛星。

研製人員72小時沒有合眼,及時排除了隱患。終於,2007年4月14日淩晨4時11分,衛星成功發射。4月17日晚上8時許,衛星傳回信號,此時距離國際電聯的“七年之限”隻剩不到4個小時。我國衛星導航係統的軌道頻率資源,為北鬥區域導航係統建設起到了重要作用。

楊長風說,國外的技術封鎖,成為製約北鬥衛星導航係統工程建設的最大瓶頸。例如北鬥二號研製初期,本打算從國外引進核心器部件——原子鍾,但由於外方原因最終沒能合作。但中國科研人員僅用兩年,就攻克了原子鍾這個最大技術瓶頸。如今,北鬥係統原子鍾精度,已經提升到每300萬年差一秒。

新京報記者 倪偉

編輯 張暢 校對 張彥君

責任編輯: 蔚 藍 文章來源:
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