北斗：世界上最亮的指路明星

朱國順

6月23日上午9時43分，第五十五顆北斗衛(wèi)星在長征三號乙火箭推動下奔向太空，定位于地球同步軌道，至此，中國北斗三號衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)星座部署全部完成，將全功能投入使用。

北斗三號，這是世界上最亮的指路明星。

衛(wèi)星導(dǎo)航，是地球上覆蓋面最廣、性價比最高的定位指路方式。在幾經(jīng)磨礪之后，1994年中國下決心，決定建設(shè)自己的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)——北斗。

建設(shè)自己的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，首先要確立符合中國實際、適應(yīng)中國需求的技術(shù)路徑。

通過衛(wèi)星獲取某一個地點的位置，一般在太空中需要布置至少3顆導(dǎo)航衛(wèi)星，即三球交會定位原理。實際上在測量時會產(chǎn)生各種誤差，為了消除誤差，往往還需要第4顆衛(wèi)星的輔助。同時，為了隨時隨地接收到4顆以上導(dǎo)航衛(wèi)星信號，非靜止環(huán)繞地球的衛(wèi)星總數(shù)往往遠(yuǎn)高于4顆。美國GPS和俄羅斯GLONASS系統(tǒng)導(dǎo)航衛(wèi)星的數(shù)量，都在24顆以上，就是這個原因。

在上世紀(jì)90年代，短期內(nèi)發(fā)射這些數(shù)量衛(wèi)星對中國來講，是勉為其難的。聰明的中國人想出來一個絕妙辦法，提出由兩顆衛(wèi)星組成雙星定位系統(tǒng)，同時在地面設(shè)置一個地面控制中心，通過控制中心、衛(wèi)星、用戶三者之間的交互計算得到用戶的位置。這時需要兩顆衛(wèi)星均位于地球靜止軌道保持相對位置不動，其軌道高度在35786千米。

2000年，首批兩顆北斗衛(wèi)星成功入軌，這就是北斗一號的開端。它覆蓋中國全境，還能像“發(fā)短信”一樣主動發(fā)送文字消息，比單向接收數(shù)據(jù)的GPS等系統(tǒng)好。

北斗一號的缺陷在于，它的定位精度為20-100米，時間精度為20-100納秒，與同期GPS的10米和20納秒差距明顯。

2010年起，中國又發(fā)射了14顆導(dǎo)航衛(wèi)星，組網(wǎng)成北斗二號系統(tǒng)，覆蓋范圍擴(kuò)大至亞太地區(qū)大部分區(qū)域，定位精度從20米提升至10米，時間精度達(dá)到10納秒。

最適宜導(dǎo)航衛(wèi)星的軌道，是高度約20000千米的中圓軌道。但這個軌道飛越目標(biāo)區(qū)域的時間較短，要實現(xiàn)穩(wěn)定覆蓋必須發(fā)射足夠多的衛(wèi)星，而此時中國相關(guān)技術(shù)能力尚不具備，中國另辟蹊徑開創(chuàng)了“混搭”的衛(wèi)星布局方式，將14顆衛(wèi)星分布于三種軌道，4顆中圓軌道，5顆傾斜同步軌道衛(wèi)星保證對亞太地區(qū)長時間覆蓋，5顆地球靜止軌道衛(wèi)星實現(xiàn)此區(qū)域的全時段穩(wěn)定覆蓋。

導(dǎo)航衛(wèi)星的授時對精度影響極大，1納秒的時間誤差會產(chǎn)生距離誤差0.3米，國際先進(jìn)的星載原子鐘精度需要達(dá)到每10萬年才會產(chǎn)生1秒的誤差。

2017年底開始發(fā)射的北斗三號衛(wèi)星，能力與水平都提升到了一個嶄新高度。使用壽命從8年增至10年以上，所有部件全部實現(xiàn)中國造，原子鐘精度達(dá)到1000萬年差1秒。

2017年底發(fā)射1箭2星，2018年發(fā)射9箭17星，2019年發(fā)射6箭8星，2020年發(fā)射3箭3星，不到3年時間30顆衛(wèi)星以前所未有的速率發(fā)射升空，完成組網(wǎng)星座部署。3顆地球靜止軌道衛(wèi)星分布在赤道上空，3顆傾斜同步軌道衛(wèi)星穩(wěn)定覆蓋亞太地區(qū)，24顆中圓軌道衛(wèi)星晝夜不停圍繞地球奔跑，共同組成一個先進(jìn)的北斗三號衛(wèi)星導(dǎo)航網(wǎng)絡(luò)。從此，每時每刻無論身處地球任何角落，總有5-6顆北斗衛(wèi)星在關(guān)心你。

特別是中國北斗特有的星間鏈路，大大減少了系統(tǒng)對地面站的依賴，提高了穩(wěn)定性。整個系統(tǒng)的精度持續(xù)增加，可達(dá)到米級、分米級甚至是厘米級、毫米級。

從北斗一號首星到北斗三號末星入軌，20年間，55顆北斗為中國、為亞太、為世界搭建起了獨樹一幟、功能全面、技術(shù)先進(jìn)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，它將向全世界開放，成為地球上70多億人生活的一部分。

這是世界上最亮的指路明星。