“北斗”，導航地球和未來

劉進軍

眾所周知，珠穆朗瑪峰是世界最高峰。它到底有多高呢？是8847.6米，8846.50米，還是8850米？一百多年來，人們眾說紛紜。

1975年，中國國家測繪局組織了規(guī)模浩大的珠穆朗瑪峰科考測量行動，采用從位于青島的中國水平原點開始計算的方法。成千上萬的測繪人員身背肩扛沉重的測量工具，跋山涉水、風餐露宿，一點一點地丈量，千辛萬苦地奮戰(zhàn)了幾年，才測量到珠穆朗瑪峰下。經(jīng)過中國登山隊登頂測量，最終確定珠穆朗瑪峰的高度為8848.13米。

盡管測繪人員的工作已經(jīng)做得非常細致，但是人工測繪的誤差仍然很大。2005年，中國國家測繪局利用全球定位系統(tǒng)、激光測距儀、冰雪深度雷達等多種先進技術，結(jié)合珠穆朗瑪峰水準面基準、地球重力場等因素，再次測量珠峰高度。

這次，中國登山隊將“GPS”測量儀往峰頂上一放，便直接獲取了高度數(shù)據(jù)，冰雪深度雷達也立刻探測到了冰雪深度。經(jīng)過重力、大氣等多方面的計算后，測繪專家最終確定了珠穆朗瑪峰的高度為8844.43米，2005年10月9日，經(jīng)國務院新聞辦公室發(fā)布，1975年的數(shù)據(jù)8848.13米停止使用。

2005年距今又過去了11年，如今中國人有了裝載了定位儀、測高儀、激光測距儀等設備的 “北斗”導航衛(wèi)星。如果現(xiàn)在再想測量珠穆朗瑪峰的高度，測繪人員只要坐在電腦前，就可以立馬得到珠穆朗瑪峰的全部測繪數(shù)據(jù)。

“北斗”，穿越時空

中國的衛(wèi)星導航系統(tǒng)有一個好聽、形象的名字——北斗。它是中國的“北斗星”，是中國自主研發(fā)、獨立運行的導航衛(wèi)星系統(tǒng)，是開放兼容、技術先進、穩(wěn)定可靠、覆蓋全球的衛(wèi)星導航系統(tǒng)。

“北斗”導航系統(tǒng)是除美國的全球定位系統(tǒng)（GPS）、俄羅斯的GLONASS之后第三個成熟的衛(wèi)星導航系統(tǒng)?！氨倍贰睂Ш较到y(tǒng)相比GPS還具備發(fā)送短信的通訊功能。也就是說GPS解決了一個我在哪里的定位問題，比如在沙漠里，在海洋上。而北斗導航系統(tǒng)不僅僅解決了我在哪里，還解決了你在這里、他在哪里的問題。GPS雖然可以導航，但是不能通信，當用戶手機沒有信號時，便不能與外界保持聯(lián)系，而有了“北斗”導航系統(tǒng)就可以發(fā)送衛(wèi)星短信與外界溝通。

“北斗”導航衛(wèi)星的軌道

衛(wèi)星導航系統(tǒng)分為區(qū)域衛(wèi)星導航系統(tǒng)和全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)。區(qū)域?qū)Ш剑櫭剂x，就是衛(wèi)星信號只能覆蓋一部分地區(qū)。全球?qū)Ш剑瑒t是指衛(wèi)星信號能夠覆蓋全球。

“北斗”導航衛(wèi)星共研發(fā)了兩代，分別是“北斗一號”和“北斗二號”系列。其中，“北斗二號”全球衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)是建立在“北斗一號”區(qū)域衛(wèi)星導航系統(tǒng)基礎上的。中國先后在2000年10月31日、2000年12月21日和2003年5月25日，發(fā)射了3顆“北斗”靜止軌道試驗導航衛(wèi)星，組成了“北斗”區(qū)域衛(wèi)星導航系統(tǒng)，具備了在中國及其周邊地區(qū)范圍內(nèi)定位、授時、報文和導航的功能。

2007年4月14日，第一顆“北斗二號”衛(wèi)星發(fā)射。到2012年10月25日，中國共發(fā)射了16顆“北斗”導航衛(wèi)星，完成了亞太區(qū)域的衛(wèi)星導航系統(tǒng)，其定位精度為10米，測速精度為0.2米/秒，授時精度為50納秒，軍事定位精度可以精確到厘米級，精確度大大提高。

目前，“北斗二號”還處在建設過程中，僅能覆蓋中國和亞太地區(qū)，下一步是到2020年，建成由5顆靜止軌道和30顆非靜止軌道衛(wèi)星組網(wǎng)而成的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)。

“北斗”衛(wèi)星導航系統(tǒng)由地球靜止軌道衛(wèi)星、地球同步軌道衛(wèi)星和中軌道衛(wèi)星組成的。

地球靜止軌道衛(wèi)星的優(yōu)點是站得高、看得遠。它位于赤道上空35786千米的空間，軌道周期為24小時，軌道傾角為0°，也就是沿著赤道飛行。每顆衛(wèi)星可以覆蓋地球上40%的區(qū)域，3顆靜止軌道衛(wèi)星就可以覆蓋除南北極以外的全球。在赤道上空的這個高度，地球的離心力和引力恰好相等。衛(wèi)星飛行時就能相對定點，也最省力。目前，有5顆“北斗”靜止軌道衛(wèi)星運行在東經(jīng)58.75°～160°的地球靜止軌道上。

地球同步軌道衛(wèi)星，位于地球上空35786千米的空間，周期為24小時，傾角在1°～90°或91°～180°之間。地球同步軌道衛(wèi)星與地球靜止軌道衛(wèi)星的高度一樣，但軌道傾角不同。它們沿著地球從西南朝東北或從東南朝西北的方向飛行，所以又被稱為“傾斜軌道衛(wèi)星”。雖然地球同步軌道衛(wèi)星與地球保持同步，每24小時完成一次環(huán)繞地球的軌道，但它們不是靜止地對準地球的某一個地區(qū)。2015年9月30日，我國成功發(fā)射的第20顆“北斗”導航衛(wèi)星就是一顆地球同步軌道導航衛(wèi)星，運行在近地點為35652千米、遠地點為35959千米和傾角為55°的軌道上。

“北斗”全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)模擬圖

中軌道衛(wèi)星位于地球上空2000～35786千米之間的空間，傾角在0°～90°之間，周期為12小時。中軌道衛(wèi)星的軌道高度比較低，可以減少高軌道衛(wèi)星的通信弱點。例如，2016年2月1日成功發(fā)射的第21顆“北斗”導航衛(wèi)星，工作軌道即為地球中軌道。

這三種衛(wèi)星在平臺、有效載荷上互有區(qū)別，在功能上各司其職。如此縱橫交錯地部署在太空的 “北斗”衛(wèi)星，確保了“北斗”衛(wèi)星的全球覆蓋、全時空導航。

“北斗”，太空弩弓

2015年，中國成功發(fā)射了4顆新一代的“北斗”導航衛(wèi)星，標志著中國“北斗”導航系統(tǒng)已由區(qū)域?qū)Ш较蛉驅(qū)Ш讲渴?。而且這些新一代的“北斗”導航衛(wèi)星在專用衛(wèi)星平臺、直接發(fā)射入軌、星間鏈路和氫原子鐘等技術方面都取得了重大突破。

衛(wèi)星主要由衛(wèi)星平臺和有效載荷兩大部分組成。

打個比方，衛(wèi)星平臺相當于汽車，有效載荷相當于駝載的人或貨物。之前，“北斗”導航衛(wèi)星的衛(wèi)星平臺主要采用“東方紅-3”衛(wèi)星平臺，既龐大又笨重。針對此弊端，科研人員專門研制了“北斗”專用衛(wèi)星平臺。現(xiàn)在，“北斗”導航系統(tǒng)的中軌道衛(wèi)星重量為1014千克，裝載“北斗-2M”衛(wèi)星平臺，安裝了相控陣天線和激光反射器。而靜止軌道衛(wèi)星和同步軌道衛(wèi)星重約4600千克，裝載“北斗-2M”衛(wèi)星平臺，安裝了相控陣天線、激光反射器，以及S、L和C頻段天線。新一代的“北斗”衛(wèi)星平臺，在減輕重量、延長壽命等方面都做了諸多改進，適合多星發(fā)射。

2015年3月30日，搭載首顆新一代“北斗”導航衛(wèi)星的“長征三號丙”運載火箭在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心點火發(fā)射，首次使用太空擺渡車“遠征一號”部署衛(wèi)星，成功地將“北斗”衛(wèi)星導航系統(tǒng)第17顆衛(wèi)星直接發(fā)射入軌。

通常發(fā)射衛(wèi)星一般都是由多級火箭將衛(wèi)星送至200多千米的轉(zhuǎn)移軌道。之后，衛(wèi)星利用自身攜帶的動力慢慢變軌，軌道越變越大，從橢圓形軌道變軌為圓形軌道，直到進入正軌。但這種發(fā)射方法的缺點是不僅浪費時間，而且還容易出錯，最主要是消耗了衛(wèi)星上攜帶的寶貴燃料，降低了衛(wèi)星的使用壽命。若將衛(wèi)星直接發(fā)射入軌，不僅可以縮短衛(wèi)星的入軌時間，還可以提高衛(wèi)星的使用壽命。這種衛(wèi)星入軌方式通常只能采用以下兩種方法：一是使用大火箭，但成本高昂;二是在多級火箭上再附加一級小火箭，直接發(fā)射多顆衛(wèi)星進入軌道，省錢但費事。“太空擺渡車”就屬后者的這種類型。

第15顆“北斗”中軌道導航衛(wèi)星星下點的地面軌跡

2015年7月25日，第18、19顆“北斗”導航衛(wèi)星發(fā)射升空。該次發(fā)射采用了一箭雙星的發(fā)射方式，這種衛(wèi)星使用了新一代高精度銣鐘，定位、測距和授時等功能更加精確。

2015年9月30日，第20顆“北斗”導航衛(wèi)星發(fā)射升空。這顆衛(wèi)星首次搭載氫原子鐘，隨后開展星間鏈路、新型導航信號體制等試驗驗證工作，并將適時入網(wǎng)。

氫原子鐘是一種極精密的計時器，每100萬年才誤差1秒，比銫原子鐘精確100～1000倍。中國的氫原子鐘已實現(xiàn)了核心部件國產(chǎn)化、輕型化和自主可控。

何謂星間鏈路呢？在衛(wèi)星通信技術中，通常有三種通信鏈路方式，即衛(wèi)星與地球的星地鏈路，衛(wèi)星與衛(wèi)星的星間鏈路，以及衛(wèi)星與行星際的星際鏈路。星間鏈路，就是讓衛(wèi)星與衛(wèi)星之間互通信號，實現(xiàn)高精準、大容量、極快速的數(shù)據(jù)傳輸，大大減少地面飛行控制技術的難度和設備成本。

在“北斗”全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)中，由于一部分衛(wèi)星運行在南半球和西半球上空的軌道上，因此有70%以上的衛(wèi)星是在地面的中國飛行控制中心根本無法監(jiān)測到的。在這種情況下，怎樣指揮與控制衛(wèi)星呢？除了在世界各地建設飛行測控地面站外，依靠星間鏈路也是一種解決方案。中國飛行控制中心只要找到一顆衛(wèi)星，就能實現(xiàn)全球的衛(wèi)星與衛(wèi)星之間的通信。相控陣天線技術，讓衛(wèi)星的星間鏈路、自主運行成為可能。星間鏈路對建設“北斗”全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)具有劃時代的重大意義！

“北斗”，正在快速成長！建成后的“北斗”衛(wèi)星導航系統(tǒng)不僅服務于國家的現(xiàn)代化建設，而且可以大幅度地提升我國的國防能力和軍事高科技水平。中國軍隊將擁有自己的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)，戰(zhàn)機、軍艦、坦克可以精確運動，導彈也能精準命中目標，甚至每個士兵都可以裝備一套導航系統(tǒng)。如果那樣的話，許多“獵物”還未反應過來，就會變成“盤中餐”。

十字弩弓是中國戰(zhàn)國時代偉大的發(fā)明。中國古代的將士使用十字弩弓可以做到百步穿楊。歐洲人曾盛贊中國弩弓為“十字弓”，稱一介農(nóng)夫有了十字弓，就可以殺死一個身經(jīng)百戰(zhàn)的騎士，可見其威力巨大。而“北斗”衛(wèi)星導航系統(tǒng)就像一把十字弩弓，讓導彈具有了指哪打哪的本領！