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二十六载终组网,十问北斗你真走!


admin| 更新时间:2020-06-25 10:56|点击数:未知

原标题:二十六载终组网,十问北斗你真走!

2020年6月23日9时43分,北斗卫星导航编制第55颗卫星搭乘长征三号乙运载火箭从西昌卫星发射中心成功起飞。自1994年最先预研的北斗卫星导航编制终于完善一切组网星座发射义务,正式建成!

图片来源:央视信息、吾们的太空

北斗卫星导航编制(以下用北斗指代),将中国人千百年来“寻路靠北斗七星”的经验变成实际,也在方方面面彻底转折了中国人的生活方式。本文将围绕关于北斗的十个经典题目,详细解读这个伟大工程的意义。

一、为什么有GPS还要做北斗?

美国的GPS首步于70年代,经过多年发展、尤其商业运作以后,已经走入人们平时生活中。但是,它的内心是军用卫星导航编制,隶属于美国空军,毫无疑问会时刻以本国益处为第一位。在实践中,卫星工程师不光能在信号方面增补作梗、欺骗手腕等,还能停失踪某一地区的服务,芯片定价权和操纵权限等也在他们手中。

例如,GPS盛开民用服务后,清淡用户只能操纵定位精度更差且增补了选择可用性(作梗)的民用码定位服务。2000年5月2日,为打压俄罗斯GLONASS(格洛纳斯,俄罗斯军民两用卫星导航编制)的商业化空间,GPS编制选择主动去失踪作梗参与竞争,定位精度转瞬挑高10倍以上。但这也意味着,它能够肆意恢复任何作梗、甚至彻底停留区域服务。这类事情在近些年印巴冲突、中东地区冲突中数见不鲜。

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当天06:00时GPS编制去除作梗后,定位精度大大挑高(图源:schlaggo.de)

GPS现在几乎用在了美军任何一栽必要定位的武器中,民用方面也占有着全世界千亿美元计的重大市场。因而,不论是事关国家国防坦然,照样导航行使市场的重大商业益处,中国都必须拥有本身的卫星导航编制,这个周围不会存在真实意义的国际配相符。

现在,只有美国、俄罗斯、中国、欧盟先后竖立了全球卫星导航编制,日本、印度建有区域卫星导航编制,这几个国家/地区都把响答编制行为发展中的重中之重,意义可见一斑。

二、为什么北斗有三栽轨道?

美国、俄罗斯和欧洲的星座只安放在距离地球约20000千米的中远地球轨道(MEO),以实现轨道周期(约12幼时)与信号隐瞒周围的最佳均衡。为达到全球任一点都能收到4颗卫星信号以实现定位授时的现在的,起码必要24颗卫星保证服务质量。

日本和印度星座仅服务本国,选择了轨道周期与地球自转同步的轨道,距离地面35786千米,从地面不益看测相对安详。其中,日本QZSS高度倚赖美国GPS编制,操纵起码3颗卫星运走在倾斜地球同步轨道(IGSO),保障日本高纬度地区和城市高楼林立环境下的操纵。印度原由更添挨近赤道,在IGSO之外还操纵了定位于赤道上空的静止/同步地球轨道(GEO)。

北斗卫星轨迹在地面投影:蓝色8字形轨迹为IGSO卫星,红色定点为GEO卫星,绿色为MEO卫星(未一切展现一切卫星,图源:doi.org/10.1038/srep04692)

而对于北斗而言,“幼孩子才做选择,吾全都要”!北斗兼具了MEO、GEO和IGSO三栽轨道。MEO(倾角55度、高21500千米),保证全球高精度定位。主要运走在亚太地区的GEO(倾角0度,高35786千米)和IGSO(倾角55度,高35786千米)则保证亚太和“一带沿路”地区更高精度定位。

三、为什么北斗有一号、二号、三号?

卫星导航编制是一个重大的工程,它是大型航天载荷发射技术、大型星座运营维护技术、高程度通用导航卫星平台研发技术、无线电远距离通讯技术、高精度星载原子钟技术等诸多高精尖技术的集大成者,门槛极高,其中任何一项都面临厉苛的技术封锁。但难得从来都不是“造不如买”的借口,从1994年最先,中国航天人一步一个脚印,筚路蓝缕……攻坚克难啃硬骨头,把整个北斗建设过程分成了三步走策略,也就对答北斗一号、二号和三号。

北斗一号主要是试验编制。在2000-2007年间发射了4颗试验性质卫星,全在地球静止轨道,它以区域测试服务为主要现在的,现在已一切退伍,不算入正式星座。

北斗二号主要是区域导航编制。在2007-2019年间共计发射了20颗(包含备份星),8颗为GEO卫星、7颗为IGSO卫星,主要服务亚太。5颗为MEO卫星,仅能挑供有限的全球隐瞒。编制总体上服务于亚太地区。

北斗星座暗示图(图源:北斗办)

北斗三号是全球卫星导航编制。从2015年至今共计发射了35颗,其中5颗为测试性质,不挑供服务。正式星座中,3颗为GEO卫星,3颗为IGSO卫星,24颗为MEO卫星,向全球挑供高精度、全天候、全天时的导航定位授时服务。

于此同时,卫星平台也在一连大幅改进,分歧北斗卫星(包含试验星)在东方红3号等卫星平台基础上逆复改进,演化出了10余个版本,难度可想而知。现在北斗二号大片面卫星照样在平常做事中,因而实际处在运走状态的北斗星座超过40颗,大幅超过了GPS的32颗,异日随着北斗二号片面卫星渐渐退伍,总数会降矮,但会维持在30颗以上。

四、为什么北斗都用长征三号系列火箭发射?

长征三号系列火箭是吾国的王牌火箭,最大特点是第三级采用了比冲(衡量发动机的指标,越大越益)更高的液氧液氢发动机,因而它也是长征火箭家族用于发射更高更远义务的专属火箭,例如嫦娥、风云(二/四)、各栽通讯卫星等,北斗家族同样如此。

从左至右:长征三号基本型、甲型、乙型和丙型火箭对比(图改自:GW_Simulations)

经过多年成熟发展,长征三号火箭形成了四栽主要构型,基本型已于2000年退伍。现在现有长征三号甲、乙和丙三栽主要型号服役,以及近10栽改进版本。相比较长三甲,长三乙/丙增补了助推器,且做了大幅升级,能力更强。其中长三乙不光携带了4个助推器(长三丙2个)、还可携带远征上面级,能够实走北斗一箭两星义务,能力最强。北斗一切发射义务中,长三乙实现了15次一箭两星义务,运送了30颗卫星入轨,能够说是王牌中的王牌!

五、为什么北斗能服务无限个用户?

北斗三号是一栽无源定位编制,每一颗导航卫星的内心就是通知你这么一个事情:现在几点了(时间ts),吾在那里(xs,ys,zs)。当你(授与机)收到信号时,能够经过比对,得到授与机上时间与授与到的卫星信息表眼前间之间的差值,这个差值乘以光速就是你和卫星之间的距离。还有一个方法是数中心隔了多少个信号波长。卫星原由有特意的科学家维持,它的位置极其准确,偏差在1厘米级别;卫星上搭载的钟是原子钟,几百万年才能够错1秒,因此,产品展示它的一切信息几乎能够被认为无偏差。

那么你只必要解出四个参数:在地球上的三维坐标x,y,z和钟差t(毕竟用户的石英钟不能够和原子钟精度相比,必要把它的偏差做一个未知数解出来)。不益看测到四个卫星,就能够构建四个方程,解出四个未知数。

用户只需授与到四颗卫星信号,即可准确确定自身位置和时间(图源:doi.org/10.9790/0661-17333441)

于是,对卫星而言,永久只做一件事情:去地面发信号,一向在说吾在哪儿,几点了,卫星不必要做任何辅助你的计算。用户只要能收到信号进走解算即可,与这些卫星异国任何交流,也不用耗它们任何一丝能量,这也就意味着,理论上用户量是无限的。而且,每一位用户都能够享福米级定位精度和纳秒级授时精度。

2020年6月14日全球能够望见的北斗卫星数目分布图,能够望出能实现全球定位(>3),且亚太地区数目更大、定位精度更高(图源:北斗办)

六、北斗有哪些特色绝活?

北斗有一系列特色技术,举三个幼例子。

星间链路技术,各个卫星之间能够彼此通信说相符。如许仅需在中国境内对卫星进走主控、监控和信息注入,既解决了全球建站坦然性的题目,也能够降矮运营成本,卫星之间能够互为校正,也有助于挑高服务质量,添强抗作梗能力。

2008年汶川地震不幸时,15勇士在通信十足休止的情况下完善了“惊天一跳”,他们就带有北斗编制授与机(图源:央视网)

短报文编制,经过卫星实现天地双向通信,而其他几个编制仅能单向授与卫星信号。这意味着卫星能够向拥有此项授权服务的授与机发送专属讯息,稀奇环境(大洋,荒漠,深山、极地)、不幸声援和军用环境下价值意义重大。

片面北斗卫星还携带了国际Cospas-Sarsat卫星辅助搜索和答急声援计划的有效载荷,在发生危险情况时,能够参与国际配相符的答急救灾做事中。

七、北斗能怎样服务于国防坦然?

GPS编制的展现,为人类搏斗史贡献了几个新词“外科手术式精准抨击”、“定点消弭”、“斩首走动”。在1990年的海湾搏斗中,GPS详细制导武器展现头角,后来又在科索沃搏斗、阿富汗搏斗、伊拉克搏斗和利比亚搏斗中逆复展现,一连震惊世人。最典型的例子是原本必要数十架轰炸机、投弹数百吨、极度危险逼近才能完善的轰炸义务,现在采用数百公里外导弹突袭和高精度抨击即可。现在,美军除了子弹以外,几乎一切会动的武器、装备、士兵都携带了GPS定位模块。

倚赖GPS的说相符直接抨击弹药(JDAM)是“外科手术式抨击”著名武器(盛开版权)

而GPS编制又是极其容易制做作梗和欺骗的,甚至能集体关闭区域服务。GPS新一代的Block-IIIA卫星就大大添强了抗作梗能力,也升迁了限制信号发送能力。一旦进入战时,只要十足堵截对手永久倚赖的GPS服务,搏斗自然进入信息偏差称阶段。

因而,北斗的建成,意味着吾们不光能做一切GPS能做的事情,还能十足不受制于人,对国防坦然的意义主要到无法形容。

八、北斗能怎样服务于科学钻研?

北斗最大的特点是高精度授时和定位,对于科学行使而言,高精度授与机能够行使载波相位信号和差分技术等镇静实现厘米级定位精度和毫米级基线精度。笔者从事矮轨卫星详细定轨技术钻研,内心就是用星载的授与机给卫星确定位置,也能够实现1厘米级定轨精度。在高精度卫星轨道的辅助下,卫星上的详细仪器也能够大展身手。因此,卫星导航编制的展现,使得人类对地球重力场、地球磁场、大陆板块活动、地球自转、海洋潮汐、冰川极地、自然灾难等地球科学的钻研达到了史无前例的高度。

行使卫星导航编制对矮轨卫星详细定轨已成为科学卫星行使的常态(图源:ESA)

除了助力地球科学的钻研,在其他周围,北斗也有极大的促进作用。例如,卫星信号必要穿过复杂的电离层和对流程等抵达地面,北斗更是有三个主要频率,每栽信号受到的影响分歧。当它们荟萃在一首,就挑供了能协助大气钻研的海量信息。再例如,北斗的高精度原子时,能够用来同步大型科学试验,精准授时。除此之外,北斗还会带动一系列通讯、电子、芯片等产业的大发展,促进多个走业的科学钻研。

九、北斗能怎样服务于清淡大多?

清淡人的生活已经离不开导航卫星了,北斗也在快捷融入,为行家挑供更益的服务。最典型的莫过于定位服务,例如地图导航、共享单车/打车、快递查询等,彻底转折了当代人类的生活。

倚赖卫星导航的无人机和农用死板已经在渐渐推翻传统农业形态(图源:Pixabay)

交通编制高精度时刻外、国家大型电网输电、金融编制超高频营业、通讯终端永久实在的时间,都有北斗原子钟的身影。大型基建工程,高铁、大桥、机场建设,都必要北斗定位。农林牧渔,交通运输、水文监测、气象预报、地理测绘、森林防火、电力调度、救灾减灾、答急搜救,面积测算等,都必要高精度卫星定位服务。而现在许多新技术,例如主动驾驶、无人码头,主动化农业,无人机植保等,也离不开北斗的重大撑持。

十、北斗的异日是什么?

北斗在十足建成之后,将会不息保持必定频率的卫星发射活动,以替换渐渐退伍的老卫星,常态维持起码30颗的全球服务星座。北斗卫星也将一连升级,挑供更益的定位服务。与此同时,在矮轨(数百千米高轨道)能够建设导航添强星座,在地面、尤其是城市高楼林立环境中,能够建设辅助站点,最后实实际时动态厘米级定位精度,大大挑高北斗的定位精度,实现空天地信息一体化。

在备受关注的商业方面,随着人类社会对物流和定位的需求越来越高,北斗的商业行使价值也会被极大开发。遵命欧洲全球定位钻研中心的推想,2025年旁边世界周围内的卫星导航定位设备需求量将超过92亿部,年产值将超过2680亿欧元,这是个海量的市场,其中亚太市场的添长速度更将傲视全球,年添速能够达到40%以上。在这片红海中,北斗无疑是最有潜力狙击GPS编制的一个。周围化的行使会大幅降矮硬件收费程度,进一步确定商业市场领先上风,从而形成正循环,最后达到一个理想的状态——实现编制长盛不衰的同时照样能快速迭代。

人类已经进入卫星导航的时代,且永久无法脱离导航卫星了。

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