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为全球导航,中国如何做到的?

发布时间:2021-12-29作者来源:金航标浏览:224

2020年6月23日

中国西昌卫星发射中心

长征火箭搭载着颗北斗组网卫星

划破长空

(9时43分,北斗三号最后一颗全球组网卫星发射升空,摄影师@南勇


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

(北斗“完全体”,包括北斗二号卫星16颗,北斗三号卫星30颗,制图@郑伯容/星球研究所  
 


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

(20年间,长征火箭作为北斗卫星的唯一运载工具,发射次数多达44次,下图为装载第39和第40颗北斗卫星的长三乙火箭静待发射的场景,摄影师@史悦)



这更是一个必需的工程

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

生产和生活的方方面面

中国将彻底摆脱

对美国全球定位系统(GPS)的依赖

(以350公里时速行驶的京张高铁,可以实现从驾驶一次制动到停车的停准误差不到10厘米,下图为跨河而过的京张高铁,摄影师@赵斌)


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

(2019年10月1日,庆祝中华人民共和国成立70周年大会阅兵式中的巨浪-2导弹方队,图片来源@人民视觉)


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)

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?

 


 01 

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

光速约等于3×108m/s,一颗导航卫星确定的位置——球面,制图@郑伯容/星球研究所)

 


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

(两颗导航卫星确定的位置——圆周,制图@郑伯容/星球研究所)



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

(三颗导航卫星确定的位置——两个点,制图@郑伯容/星球研究所)



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

(与地表的交点有且只有一个,制图@郑伯容/星球研究所)



这就是导航卫星的秘密

三球交会定位原理


实际上

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

(GPS系统定位示意,同一点上空的卫星多在4颗以上,原图来源@维基百科,重制@郑伯容/星球研究所)



 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?



 02 

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

(地面控制中心可以提供用户的高程等已知数据,且拥有超强的解算能力。双星定位原理示意,制图@郑伯容/星球研究所


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

地球静止轨道示意,制图@郑伯容/星球研究所

 

从1994年案获得正式立项

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

基本可以覆盖中国全境

(北斗一号的覆盖范围为东经70°-145°,北纬5°-55°,制图@王朝阳&郑伯容/星球研究所

 

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

(“发短信”的优势在于,既能知道自身的位置,也可以告诉他人,这在地震、远洋等一些险境中意义重大,下图是2008年汶川地震中救援的场景,摄影师@贾君洋)


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

(北斗一号和GPS系统定位操作对比,制图@郑伯容/星球研究所


北斗一号

尽管性能有些简易

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?



 03 

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

(2007年和2009年各有一颗北斗二号实验星已经发射升空,下图是西昌卫星发射中心的两个发射塔架与火箭运输机车的同框,摄影师@余明)


 

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年底

新系统组网成功

这就是北斗二号

(北斗二号系统运行示意,制图@郑伯容/星球研究所


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

(北斗二号的覆盖范围为东经70°-150°,南纬55°-北纬55°,制图@王朝阳&郑伯容/星球研究所



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

(2015年4月25日尼泊尔发生8.1级地震,救援人员曾借助北斗实施搜救,下图为尼泊尔新图巴尓恰克地区的震后场景,图片来源@人民视觉)



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

(不同轨道类型及卫星示意,制图@陈思琦&陈随/星球研究所)



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


然而彼时

发射此类卫星的技术

在我国还尚未成熟

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

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

倾斜同步轨道卫星的运行周期和轨道高度与地球静止卫星相同。把倾斜同步轨道卫星用于定位,属于中国首创。下图是北斗二号系统三种轨道的示意,制图@郑伯容/星球研究所)




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

精度需要达到10-13

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

(下图为美国GPS卫星的艺术想象图,图片来源@NASA)



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

(北斗卫星导航系统的卫星与运载火箭,分别由中国航天科技集团有限公司所属的中国空间技术研究院和中国运载火箭技术研究院研制生产,下图为中国空间技术研究院的工作人员正在调试设备,摄影师@苟秉宸)



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则

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

(卫星与火箭对接后的整流罩,因广角拍摄,画面的边缘有拉伸变形,摄影师@南勇)

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

(卫星的发动机出现故障,专家们在仔细检查设备,其中从右边起第二个人是北斗一号和二号系统的总设计师孙家栋院士,摄影师@南勇)



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

仅仅只剩下4个小时



至此

历尽磨练、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



 04 

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年底

发射1箭2


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

(2020年6月23日,北斗三号最后一颗全球组网卫星发射升空,摄影师@史悦)



于是



太空之中

 


3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

(北斗三号系统运行示意,制图@郑伯容/星球研究所)

 

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

(星间链路示意,制图@郑伯容/星球研究所)



同时

中国境内的



地面之上



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

(北斗地基增强系统包括框架网和区域加强密度网两部分,其中框架网基准站共155个,区域加强密度网基准站超过2700个,下图为框架网站点分布示意,制图@王朝阳&郑伯容/星球研究所)



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

(湖北省襄阳市的一处共享单车临时存放点,图片来源@VCG)



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

(2019年9月23日,国庆阅兵预演时的飞行梯队,摄影师@拾城 田卫涛)



可以精确到

监测大坝、大桥等

工程的外观变形

(请横屏观看,画面右下方是中国第二大水电站溪洛渡水电站。目前已经有超过150个监测点安装于水电站两侧的边坡,并且不间断提供毫米级精度的数据,以便及时发现安全隐患,摄影师@柴峻峰)



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

(司机正在使用手机导航,摄影师@任炳旭



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

(重庆市牛角沱轻轨站外,一辆公交车行驶于高架桥上,摄影师@拾城 崔力



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



 05 

北斗20年


 2000-2020

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

(在电力线路中安装北斗线路故障指示仪,准确发现事故地点,及时排除故障,减少停电时间。下图为山谷中此起彼伏的输电塔,摄影师@邱会宁)



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”

(利用北斗系统可以获取大气污染物相关监测点的实时位置,并利用北斗的通讯功能将信息发送至监控中心。下图为正在排放的工厂烟囱,作示意,摄影师@邱会宁


 

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%

(下图为安装有北斗导航系统的播种机工作的场景,位于吉林省,摄影师@邱会宁



还有国境线上

山高、林密、谷深的恶劣环境

导致通讯设施无法全部覆盖

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

(在手机基站等无法覆盖的地区,北斗的定位和通信功能变得至关重要,下图为边防官兵在边境巡逻,摄影师@李含军


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


本文转载自“ 星球研究所”,支持保护知识产权,转载请注明原出处及作者。如有侵权请联系我们删除  


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