雷淼
2024年9月19日9時14分,第59顆、第60顆北斗導航衛(wèi)星在長征三號乙運載火箭與遠征一號上面級的托舉下直沖云霄,順利進入預定軌道。這是北斗三號全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)的最后兩顆衛(wèi)星,標志著整個工程正式收官。
北斗三號實現(xiàn)全員到位意味著什么?從1994年北斗一號工程啟動至今,“北斗”對于全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)的布局起到了什么作用?
最后兩顆是備份星也是主力軍
看到第59顆、第60顆北斗導航衛(wèi)星發(fā)射的新聞,可能很多人會感到奇怪:印象中北斗系統(tǒng)早就建好了,怎么又收一次官?
大家沒記錯,早在2020年6月23日,隨著北斗第55顆衛(wèi)星發(fā)射,北斗三號系統(tǒng)的組網即已完成。后來發(fā)射的第56顆到第58顆,以及最新發(fā)射的第59顆、第60顆衛(wèi)星,實際上都是這一系統(tǒng)的備份星。它們雖名為備份星,但實為主力軍。這5顆衛(wèi)星各有重任,或負責提升硬件能力,或負責擴展系統(tǒng)服務,或在支撐系統(tǒng)穩(wěn)定運行和規(guī)模應用的同時,為下一代北斗導航衛(wèi)星技術升級進行相關試驗。
北斗是我國自主建設的衛(wèi)星導航系統(tǒng),以古人用于判斷方向的著名星官“北斗”命名。在北斗建成之前,世界上已經存在3個衛(wèi)星導航系統(tǒng):美國的全球定位系統(tǒng)(GPS)、俄羅斯的格洛納斯系統(tǒng)(GLONASS)和歐盟的伽利略系統(tǒng)(Galileo)。其中以GPS最為知名,許多人使用這個詞的時候,甚至意識不到它其實是某個國家搭建的導航系統(tǒng),而是直接把它當作衛(wèi)星定位導航通用技術的代稱。
衛(wèi)星導航在國家安全、交通運輸、搶險救災、信息化建設、搶占軌道資源、提高航天技術等諸多方面具有重大意義,因此,我國必須開發(fā)建設自己的衛(wèi)星導航系統(tǒng),而不能在此領域依賴國外,埋下受制于人的隱患。
從20世紀后期起,我國開始探索適合本國國情的衛(wèi)星導航系統(tǒng)發(fā)展道路,逐步形成了三步走的發(fā)展戰(zhàn)略:2000年年底,建成北斗一號試驗導航系統(tǒng),向中國提供服務,同時進行關鍵技術驗證;2012年年底,建成北斗二號系統(tǒng),向亞太地區(qū)提供服務;2020年,建成北斗三號系統(tǒng),服務范圍覆蓋全球。
衛(wèi)星如何實現(xiàn)精準定位
導航系統(tǒng)的核心功能是定位,那么衛(wèi)星是怎樣知道人和物的位置的呢?
簡單概括衛(wèi)星定位的方法就是:你看衛(wèi)星在哪兒、離你有多遠,然后各自去算自己的位置。這樣一來,計算工作分攤到每個用戶頭上,就不會“累壞”衛(wèi)星了。
打個比方,在沙灘上插3根標桿,記牢它們的位置,然后蒙上眼睛隨意走到一處,再讓身邊的朋友告訴你離每根標桿的距離。
朋友說:你離A桿5米。你就在心里圍著A桿畫個半徑5米的圓,知道自己肯定在這個圓上,只是確定不了具體位置。
朋友接著說:你離B桿12米。你又在心里圍著B桿畫個半徑12米的圓,這個圓和圍著A桿的圓有兩個交點,你必在其中之一。
朋友又說:你離C桿9米。這下你立刻就能從前面的兩個交點里排除一個,從而斷定自己的位置。
導航衛(wèi)星也是這樣定位的,它們不停地發(fā)出“本星經緯度和高度若干,現(xiàn)在時間是幾點幾分幾秒幾毫秒幾微秒幾納秒”的廣播,你的手機接到A星的信號是幾點幾分幾秒10毫秒,而自己的時鐘顯示為幾點幾分幾秒80毫秒。這就說明A星發(fā)出的信號走了70毫秒才到達你所在之處,那么用70毫秒乘以光速(299792458米/秒),就能得知“經緯度和高度若干的A星”距你約有20985472米。
以此類推,再接收兩顆衛(wèi)星的信號,就能判斷出自己的位置。當然,衛(wèi)星的信號是個球面,比起舉例的二維沙灘會更復雜,但原理大致如此。
如果衛(wèi)星播報的時間能夠精確到納秒,那么測距和定位就能精確到30厘米。不過,大家可能還有一個疑問:衛(wèi)星是高精尖儀器,它們的時間準確,可手機時間萬一不準,錯過一秒(常有的事),便失之千里,屆時又該怎么辦?
所以,想要精準定位還需再添一顆衛(wèi)星,用4顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)聯(lián)立方程組,就能把經度、緯度、海拔和地面時鐘偏差全都解出來。以前用過GPS手機應用的人應該還有“當前能看到4顆衛(wèi)星”“當前能看到6顆衛(wèi)星”的印象,因為4顆衛(wèi)星就是定位的基礎配置。
3類軌道衛(wèi)星拱衛(wèi)北斗
要想保證人們時刻得到至少4顆衛(wèi)星的服務,需要發(fā)射不少衛(wèi)星。目前,服務全球的北斗三號導航系統(tǒng)包括備份衛(wèi)星在內,共有35顆衛(wèi)星。此次發(fā)射的北斗第59顆、第60顆星,是從2007年4月升空的北斗二號首顆正式衛(wèi)星開始排序的,也就是說,把兩代北斗前后發(fā)射的60顆衛(wèi)星都算進去了。
依照軌道來劃分,北斗導航衛(wèi)星共分為3類。
第一類是靜止軌道(GEO)衛(wèi)星。它們運行在赤道上方35786公里的高處,隨著地球的自轉周期同步公轉,從地面的角度看來,它們就像是懸停在天上一樣。GEO衛(wèi)星單星信號覆蓋范圍很廣,一般來說,3顆GEO衛(wèi)星就可實現(xiàn)對全球除南北極之外絕大多數(shù)區(qū)域的信號覆蓋。在經費緊張、技術尚需驗證、不向全球提供服務的試驗開發(fā)早期(2000年至2007年),北斗系統(tǒng)就是從這類衛(wèi)星起步的。
第二類是傾斜地球同步軌道(IGSO)衛(wèi)星。它們的公轉周期也和地球自轉周期一樣,但與赤道有個夾角。若從北半球地面來看,它們每天在空中畫一個巨大的“8”,南邊一圈部分沒入南方地平線以下。由于我國地處北半球,GEO衛(wèi)星在赤道平面上運行,高山或建筑物北側的用戶很難看到,而IGSO衛(wèi)星在空中南北擺動,可做有效彌補。
第三類是中高地球軌道(MEO)衛(wèi)星。衛(wèi)星的運行軌道高度約2萬公里,每天圍地球轉兩圈。分析計算表明,24顆傾角55°的這種衛(wèi)星,分布在3個軌道面內,就可以覆蓋全球,滿足全球導航的精度要求。
北斗三號系統(tǒng)目前共有4顆靜止軌道衛(wèi)星、3顆傾斜地球同步軌道衛(wèi)星和28顆中高地球軌道衛(wèi)星。其中,1顆靜止軌道衛(wèi)星(第56顆)和4顆中高地球軌道衛(wèi)星(第57-60顆)是備份星。
原子鐘和增強系統(tǒng)確!案呔取
從工作原理可知,精準的時間是導航衛(wèi)星的靈魂。北斗衛(wèi)星使用星載銣原子鐘和星載氫原子鐘,通過將原子輻射電磁波作為節(jié)拍器計時,精度可以達到每天0.5納秒?梢赃@么理解,若是運行550萬年,誤差只有1秒!當然,對于定位功能為主的導航系統(tǒng),不能這么簡單地理解時間精度,而是要把它乘以光速,再換算成距離精度,答案是每天誤差15厘米。雖然不像“550萬年僅差1秒”那么震撼,但只要和地面站定期校正,執(zhí)行導航任務綽綽有余。
精準的時間系統(tǒng)也考慮到了相對論效應的影響。根據(jù)狹義相對論,衛(wèi)星相對地面高速運動,每天會慢幾微秒;而根據(jù)廣義相對論(和狹義相對論不沖突),衛(wèi)星所在之處重力較弱,每天會比地面快幾十微秒。要注意這里是微秒,量級比納秒大約千倍,每微秒對應著300米的誤差。
怎么理解這個現(xiàn)象呢?簡單來說,就是衛(wèi)星越低、速度越快、重力越強,狹義相對論效應就越明顯,反之則廣義相對論效應越明顯。因此,最終該快該慢或快慢多少,均由衛(wèi)星的高度決定。在中高地球軌道上,衛(wèi)星的星載時鐘每天快37微秒,而在靜止軌道或傾斜地球同步軌道上,每天快47微秒。所以,衛(wèi)星的時間系統(tǒng)要根據(jù)軌道高度修正誤差,還要與地面定期“對表”,才能確保導航系統(tǒng)的精確運行。
衛(wèi)星和地面之間不完全是真空,信號到達地面的途中,會被地球大氣的電離層和對流層干擾,造成高達幾十米的測距誤差。還有多種誤差源需要通過觀測、建模,求得改正參數(shù),進行位置修正。在北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)中,這一修正任務由增強系統(tǒng)來負責。
北斗的增強系統(tǒng)分為星基與地基兩部分。星基增強系統(tǒng)通過地球靜止軌道衛(wèi)星搭載衛(wèi)星導航增強信號轉發(fā)器,向用戶播發(fā)星歷誤差、衛(wèi)星鐘差、電離層延遲等多種修正信息,實現(xiàn)對原有衛(wèi)星導航系統(tǒng)定位精度的改進。地基增強系統(tǒng)則通過地面基準站網,利用衛(wèi)星、移動通信、數(shù)字廣播等播發(fā)手段,在服務區(qū)域內提供米級、分米級直至厘米級實時高精度導航定位服務。
下一代北斗系統(tǒng)新技術即將試驗
在研發(fā)建設北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的過程中,我國發(fā)明了不少獨門絕技。其中的典型代表就是北斗短報文,即可以通過北斗衛(wèi)星發(fā)送簡短的文字信息。其他衛(wèi)星導航系統(tǒng)用戶只能知道“我在哪”,北斗用戶不但知道“我在哪”,還能告訴別人“我在哪”“在干什么”,開創(chuàng)了通信導航一體化的獨特服務模式。
北斗短報文把衛(wèi)星導航系統(tǒng)用出了通信系統(tǒng)的功能。在2008年汶川大地震中,常規(guī)的地面通信設備全毀,首批進入震中災區(qū)的救援部隊正是利用北斗短報文,向外界傳遞了第一手災情信息。另外,漁業(yè)部門也能通過北斗短報文,及時向特定區(qū)域的漁船定點推送船只位置和防撞安全信息,當漁民在茫茫大海上遇險時,同樣可以通過北斗短報文呼救。
2023年11月,包含北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)標準和建議措施的《國際民用航空公約》附件10最新修訂版正式生效。這標志著北斗系統(tǒng)正式加入國際民航組織(ICAO)標準,成為全球民航通用的衛(wèi)星導航系統(tǒng)。這一進展驗證了北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的全球服務能力,對于推動民航高質量發(fā)展和交通強國建設具有重要意義,更有利于推進北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)在民航領域的市場化、產業(yè)化、國際化應用。
在北斗服務區(qū)域走向覆蓋全球的過程中,星間鏈路技術起到了關鍵作用。星間鏈路在衛(wèi)星和衛(wèi)星之間建起一個“聊天群”,通過星間測距、星間通信和星上數(shù)據(jù)處理,實現(xiàn)了導航星歷的自主更新,其結果一是能彌補地面站分布稀疏的弱點,二是能降低對地面運控系統(tǒng)的依賴,從而提高導航系統(tǒng)的可靠性。
自北斗系統(tǒng)提供服務以來,已在交通運輸、農林漁業(yè)、水文監(jiān)測、氣象測報、通信授時、電力調度、救災減災、公共安全等領域得到廣泛應用,產生了顯著的經濟效益和社會效益。如今,基于北斗系統(tǒng)的導航服務被電子商務、移動智能終端制造、位置服務等廠商采用,廣泛進入中國大眾消費、共享經濟和民生領域,深刻改變了人們的生產生活方式。北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)工程總設計師、中國工程院院士楊長風日前透露,我國將加快推動下一代北斗系統(tǒng)建設發(fā)展,加大對不依賴衛(wèi)星的多種定位導航授時手段的技術攻關,“在2035年前,建設完善更加泛在、更加融合、更加智能的綜合時空體系。”
最近發(fā)射的第59顆、第60顆北斗三號衛(wèi)星已升級星載原子鐘配置,并搭載了能建“聊天群”的新型星間鏈路終端,科學家將利用這些新設備進一步提升北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的可靠性及定位導航授時、全球短報文通信等服務性能。同時,這兩顆衛(wèi)星將在確保導航系統(tǒng)精穩(wěn)運行的基礎上,開展下一代北斗系統(tǒng)新技術的試驗試用。(作者為中國科普作家協(xié)會會員)
來源:北京日報