北斗衛(wèi)星九十小時觀測紀實

王寶伊

摘 要 文章采用實證研究法和文獻研究法，對北斗衛(wèi)星進行90小時連續(xù)觀測，篩選合格衛(wèi)星觀測點，手繪單星星下點軌跡圖，總結(jié)北斗衛(wèi)星的特點。研究發(fā)現(xiàn)對于亞太地區(qū)來說北斗衛(wèi)星分布嚴密合理，能夠提供比GPS更好的信息服務(wù)，最后給出發(fā)展建議。

關(guān)鍵詞 北斗衛(wèi)星；衛(wèi)星導(dǎo)航；觀察

中圖分類號 P228 文獻標識碼 A 文章編號 1674-6708（2019）232-0150-03

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國自主研發(fā)的世界級的導(dǎo)航系統(tǒng)，是我國科技水平的重要體現(xiàn)。北斗衛(wèi)星系統(tǒng)日新月異地發(fā)展有目共睹，我國的航天科學(xué)家們整體科學(xué)布局、合理擴大觀測范圍，正從覆蓋亞太地區(qū)向覆蓋全球服務(wù)全球階段邁進。我們期望著中國人和亞洲人越來越多地應(yīng)用北斗系統(tǒng)，給生活增加便利和安全，期望北斗衛(wèi)星覆蓋的范圍越來越廣。

1 觀測準備階段

1.1 篩選觀測點

人造衛(wèi)星是由人類建造，以太空飛行載具如火箭、航天飛機等發(fā)射到太空中環(huán)繞地球在空間軌道上運行的無人航天器[ 1 ]。中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）是中國自主研制的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)[ 2 ]。是繼美國全球定位系統(tǒng)（GPS）、俄羅斯格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GLONASS）、歐洲伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Galileo）之后第四個成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。該系統(tǒng)可提供區(qū)域?qū)Ш健⒍ㄎ缓褪跁r能力，并具短報文通信能力。

進行衛(wèi)星觀測首先要選擇一個良好的可長時間連續(xù)進行觀測的地點。專業(yè)觀測者選擇合適的觀測地點需要滿足許多的條件，比如：晴天率高、視寧度高、光污染少、大氣質(zhì)量高、海拔高、氣溫適宜等。本文觀測點為東經(jīng)123.17°，北緯41.25°，海拔45.50m，由于霧霾天氣較多，樓房林立，對衛(wèi)星信號有遮擋，觀測條件不夠好。在前期實驗中，對比分析獲得的數(shù)據(jù)后，摸索出了在城市樓群中篩選觀測點的選擇規(guī)律：有計算方法和直觀測量法兩種。

第一種，計算分析法。測量擬觀測點高度、樓間距、鄰樓高度，來計算出擬觀測點的觀測角和遮蔽角，選擇觀測角>45度或者觀測角>遮蔽角的地點作為觀測點，如圖1所示。

第二種，直觀測量法。自行研制簡單易用的“觀測角量角器”，它是用鋼板尺、量角器和紅線手工制作的。使用時，一只手將鋼板尺的長端緊貼在樓房外墻，讓鋼板尺的另一端保持水平，閉上一只眼睛，另一只手伸直紅線，眼睛瞄準，紅線將“觀測角量角器”中心點與鄰樓房脊最高點連成一線。如圖2所示，紅線與90度線所夾角為本觀測點的觀測角，紅線與0度線所夾角為本觀測點的遮蔽角。

1.2 自制加長桿，擴大觀測范圍

本文的觀測數(shù)據(jù)還顯不足：遮蔽角大，觀測到的衛(wèi)星數(shù)量少，不利于后期數(shù)據(jù)匯總分析。為了擴大觀測范圍，筆者設(shè)計制作了加長桿。將北斗多模接收機伸出窗外約2m，觀測結(jié)果增加2顆以上衛(wèi)星。

2 數(shù)據(jù)的收集、整理和分析階段

2.1 收集

2.1.1 前期失敗的兩次實驗觀測

在12月的周末，完成兩次北斗衛(wèi)星連續(xù)觀測實驗。第一次實驗完成后，發(fā)現(xiàn)10小時的觀測數(shù)據(jù)量小，達不到實驗?zāi)康?。重新設(shè)計實驗記錄單、星下點軌跡圖和實驗計劃后，做實每一個實驗步驟，留下真實準確的北斗衛(wèi)星觀測記錄表，給后期的分析總結(jié)打下堅實的基礎(chǔ)。

第二次實驗進行到25小時，遇到霧霾被迫中斷了。最后選定正月初四到初六進行第三次北斗觀測實驗。

2.1.2 修改并最終確定觀測實驗的目標

1）記錄連續(xù)50～70個時點的北斗衛(wèi)星星下點位置、信號強度等。

2）繪制北斗衛(wèi)星單星軌跡圖，北斗衛(wèi)星的運行規(guī)律表。

3）最終推測出北斗衛(wèi)星的整體布局。

2.1.3 第三次觀測實驗

第三次實驗從2017年2月1日8：00到2017年2月5日1：00時，連續(xù)進行了90個小時，達到了預(yù)期的目標，實驗成功。

2.1.4 北斗衛(wèi)星觀測記錄

圖4是《北斗衛(wèi)星觀測記錄之一》，上面記錄著觀測時間、衛(wèi)星的相對位置、信號強度和信號是否被利用（對號即信號優(yōu)良，空格即信號弱，橫線即未收到信號）。2017年2月1日9時觀測接收到10顆北斗衛(wèi)星信號，其中5號衛(wèi)星調(diào)皮地位移。將2017年2月1日8時、9時和10時3個記錄對比，可以發(fā)現(xiàn)北斗5號衛(wèi)星在一個小時內(nèi)，相對位置從 S72°W68°，跑回S80°W74°，精準地復(fù)位了。

2.2 整理

根據(jù)90小時的北斗衛(wèi)星觀測記錄，逐個描繪出每顆衛(wèi)星運行軌跡圖。

圖5中描繪的北斗1號到5號是地球靜止軌道衛(wèi)星（GEO），它們能為區(qū)域用戶提供24小時連續(xù)的信息服務(wù)，還可以提供衛(wèi)星無線電導(dǎo)航、位置報告、短報文等功能。

如圖6所示，第6、7、8、9、10、13號北斗衛(wèi)星是傾斜地球同步軌道衛(wèi)星（IGSO），傾斜地球同步軌道衛(wèi)星的周期與地球同步，他的軌道傾角約55°，與地面有相對移動星下點軌跡類似“8”。

如圖7所示，11、12、14號衛(wèi)星屬于中圓地球軌道衛(wèi)星（MEO），劃過南北緯55度之間的大片區(qū)域，中地球軌道的衛(wèi)星運轉(zhuǎn)周期在2至12小時之間，相對速度大，信息獲取能力強，定位精度高。

2.3 分析

2.3.1 北斗衛(wèi)星的運行規(guī)律

北斗衛(wèi)星的運行規(guī)律如表1所示。

2.3.2 北斗衛(wèi)星分布規(guī)律

結(jié)合觀測實驗數(shù)據(jù)，研究北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的特點如下：

1）北斗6、7、8號衛(wèi)星出現(xiàn)在亞太地區(qū)東部上空，北斗9、10、13號衛(wèi)星守護在亞洲中西部空中。因為我國領(lǐng)土大部分位于北半球且經(jīng)度跨度大，將兩組IGSO與5顆GEO衛(wèi)星配合組隊，保證我國和亞太地區(qū)任何時候都能觀測到至少2顆IGSO、5顆GEO衛(wèi)星，完美實現(xiàn)了三維定位，可以提供更好的定位、導(dǎo)航、授時服務(wù)。

2）信息傳遞能力強，比GPS提供的信息更豐富。IGSO衛(wèi)星軌道到達南北緯55°，對我國高緯度地區(qū)進行有效的信號增強[ 3 ]。在觀測中我們發(fā)現(xiàn)：傾斜地球同步軌道衛(wèi)星比靜止軌道衛(wèi)星信號傳遞能力優(yōu)越。北斗系統(tǒng)將6顆IGSO和5顆GEO動靜結(jié)合，對高中低緯進行精度增強。

3 分析實驗報告，給出北斗衛(wèi)星發(fā)展建議

3.1 分析

我國MEO衛(wèi)星位于21 500千米空中，美國GPS（20 200千米），俄羅斯格洛納斯[ 4 ]（19 100千米）以及歐洲伽利略（23 222千米）。在此高度各國的人造衛(wèi)星很多?！侗倍沸l(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)》提到，北斗系統(tǒng)計劃在3個軌道傾角為55°的軌道面上布排27顆MEO衛(wèi)星，即我國需要再建造發(fā)射24顆MEO衛(wèi)星。

3.2 發(fā)展建議： 科技創(chuàng)新升級、戰(zhàn)略創(chuàng)新儲備

在國際衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域里，科技創(chuàng)新和戰(zhàn)略創(chuàng)新很快，客觀環(huán)境要求我們加強技術(shù)創(chuàng)新升級和戰(zhàn)略創(chuàng)新儲備，不斷地提升北斗衛(wèi)星的單星防御，所以結(jié)合現(xiàn)狀，給出以下幾條建議：

1）衛(wèi)星外部包裹輕薄嚴密的防激光護甲。護甲的材料以新型陶瓷材料為主，這種無機非金屬材料，在空氣中可以耐受1 980℃的高溫，具有在高溫下強度高、硬度大、抗氧化、耐腐蝕、耐磨損、耐燒蝕等優(yōu)點[ 5 ]。

2）衛(wèi)星前方設(shè)智能靈盾，雷達探路、遇障礙變軌，選取最佳路徑，雷達還可以發(fā)現(xiàn)外來撞擊物，通知主星變軌避開[ 6 ]；如果攻擊避不開，將盾牌移到相應(yīng)位置，減少主星傷害。

3）衛(wèi)星采用防激光裝備。設(shè)置熱感應(yīng)二氧化硫氣囊，非線性光電傳感器和抗激光材料，以及防激光的新型聚合物基復(fù)合材料、碳-碳復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料、抗激光涂層等[7]。

總之，最終目的就是提高北斗衛(wèi)星的自保能力、應(yīng)變能力和抗打擊能力。

4 結(jié)論

北斗衛(wèi)星系統(tǒng)日新月異地發(fā)展，正從覆蓋亞太地區(qū)向覆蓋全球服務(wù)全球階段邁進。我們期望著中國和世界越來越多地應(yīng)用北斗系統(tǒng)，給生活增加便利和安全。

參考文獻

[1]焦維新.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)[M].北京：知識產(chǎn)權(quán)出版社，2017.

[2]曹沖.衛(wèi)星導(dǎo)航常用知識問答[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010.

[3]呂偉，朱建軍.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展綜述[J].地礦測繪，2007，23（3）：29-32.

[4]王峰，張海明.復(fù)興中的俄羅斯“格洛納斯”全球?qū)Ш较到y(tǒng)[J].現(xiàn)代軍事，2008（4）：42-45.

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