[科普中國]-聽說北斗上王者了？北斗三號：全靠這些技能

此時，第55顆北斗導航衛(wèi)星正在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心蓄勢待發(fā)。作為北斗三號最后一顆組網(wǎng)衛(wèi)星，它于4月4日運抵西昌，在這里開展測試、總裝等工作，并計劃于6月發(fā)射升空。屆時，北斗導航系統(tǒng)全球星座部署將全面完成。

現(xiàn)階段能配得上叫“全球系統(tǒng)”導航系統(tǒng)有4個：GPS、北斗、伽利略、格洛納斯。相比于國外的幾個系統(tǒng)，北斗一代系統(tǒng)只能算一個“青銅”，后來發(fā)展到北斗二代算“磚石”，在廣大科研人員的努力下，今天的北斗三號加持了諸多神技能把我國的衛(wèi)星導航系統(tǒng)送上“王者”。

北斗到底有多牛？都有哪些技能？今天筆者就來帶你見識一下。

從左到右依次為北斗一號、北斗二號、北斗三號（圖片來源：王者榮耀游戲）

北斗一號（2003年）北斗衛(wèi)星導航試驗系統(tǒng)已建成（作者制作）

北斗二號（2012年）多星區(qū)域無源導航系統(tǒng)已建設(shè)（作者制作）

北斗三號（2020年）北斗全球系統(tǒng)基本系統(tǒng)建成（作者制作）

技能一：星間鏈路

星間鏈路示意圖（作者制作）

美國的GPS霸占王者幾十年，很重要的一點是GPS全球布站，到處都有他的“防御塔”，一群小弟在前面“承受傷害”。但是“種花家”很難像“鷹醬”那樣在全球大范圍建立自己的地面站，所以境外衛(wèi)星的數(shù)據(jù)傳輸通道就成了問題。于是北斗三號啟動一技能：星間鏈路（即，在衛(wèi)星之間搭建通信測量鏈路）！

北斗采用Ka頻段中速星間鏈路，實現(xiàn)星間、星地傳輸，以及衛(wèi)星與衛(wèi)星、衛(wèi)星與地面站的鏈路互通。不僅如此，星間鏈路還能讓衛(wèi)星之間在太空中相互測距校準，自動保持隊型?！靶l(wèi)星之間手拉手，革命路上一起走。”這就好比北斗衛(wèi)星拉了一個微信群，大家可以愉快地“聊天”。即使和地面中斷聯(lián)系，它也能照常提供服務(wù)！

有了星間鏈路，我們就可以不依賴于全球建站，與星座中的任何衛(wèi)星相連，就可以依靠境內(nèi)的地面站管理全球的衛(wèi)星，使我們的導航系統(tǒng)能夠獨立自主的運行，且具有很強的抗干擾性。我們再也不用懼怕別人發(fā)動“冷藏技能”造成“傷害”，并且還能與其他類型衛(wèi)星相關(guān)聯(lián)，聯(lián)網(wǎng)的數(shù)量可達上百顆，實現(xiàn)我國衛(wèi)星之間聯(lián)網(wǎng)?！疤斓刂g萬物互聯(lián)”也為期不遠啦！

星間鏈路仿真圖（作者制作）

技能二：高精度原子鐘

時間精度是衛(wèi)星導航的“命門”，天地之間時間越同步，誤差越小，定位精度越高。導航系統(tǒng)幾乎都是依靠原子鐘來“掌握”時間的精度，它就像導航衛(wèi)星的“心臟”，北斗三號也不例外。

北斗三號第二項技能便是高精度星載原子鐘。其穩(wěn)定度達到E－14量級，這相當于300萬年只有1秒誤差。這一項技術(shù)的進步，直接推動了我國全球?qū)Ш较到y(tǒng)定位精度，讓導航系統(tǒng)的時頻精度提高了一個量級，使原子鐘能夠連續(xù)無縫、不間斷地工作。

北斗三號星載時頻系統(tǒng)增加了衛(wèi)星鐘完好性監(jiān)測與自主平穩(wěn)切換等功能。多個原子鐘保持同步，當主工作原子鐘在軌出現(xiàn)故障后，衛(wèi)星能夠自主診斷并平穩(wěn)切換，保證衛(wèi)星時頻信號的連續(xù)性，極大提高了導航信號與服務(wù)的可靠性和完好性，直接推動北斗三號系統(tǒng)定位精度從原來的10米跨越到“米級”。測速和授時精度也將同步提高一個量級，由之前“青銅”的區(qū)域系統(tǒng)10米精度，跨越到“王者”——全球系統(tǒng)米級分辨率，測速和授時精度同步提高一個量級。

技能三：新信號體制

2017年之前，中美歐俄的導航系統(tǒng)是各玩各的，彼此獨立。2017年，中美雙方簽署了《北斗與GPS信號兼容與互操作聯(lián)合聲明》，中國北斗與美國GPS將實現(xiàn)信號兼容，兩系統(tǒng)在國際電聯(lián)（ITU）框架下實現(xiàn)射頻兼容，實現(xiàn)了民用信號互操作。通俗一點來說，民用信號互操作就是“你中有我，我中有你”，為全球用戶提供更好的導航定位服務(wù)。這就得說到北斗三號的第三項技能：新信號體制。

北斗三號新增了B1C公開信號，并對B2信號進行了升級，采用新設(shè)計的B2a信號替代原B2I信號，實現(xiàn)了信號性能的提升，更好地滿足兼容互操作。在很多情況下，由于用戶得不到衛(wèi)星信號，無法進行導航定位。而導航系統(tǒng)信號兼容和互操作，可以解決這個問題，幾股微弱信號并在一起，能達到“基本能用”的效果。從而大大提高了衛(wèi)星導航系統(tǒng)的廣泛引用性。

作者制作

技能連發(fā)：天羅地網(wǎng)實現(xiàn)高精度

北斗系統(tǒng)是由“天羅地網(wǎng)”組成，“天羅”由導航衛(wèi)星組成，“地網(wǎng)”由超過1800個地基增強站組成。北斗在天上“衛(wèi)星網(wǎng)”和地上“一張網(wǎng)”的支持下，定位精度可至“厘米級”。

你或許會困惑，北斗衛(wèi)星已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)導航定位功能，為什么還要有地面網(wǎng)的支持？由于受到衛(wèi)星軌道誤差、衛(wèi)星鐘差等系統(tǒng)性因素影響，衛(wèi)星導航系統(tǒng)的誤差難以消除。這個時候可以通過在地面建立地基增強站，以定位算法獲得定位數(shù)據(jù)差分信息，再進行大范圍播發(fā)，幫助各類終端實現(xiàn)高精準定位。

北斗三號系統(tǒng)的定位精度與當前相比提升了1至2倍，達到2.5米至5米水平。系統(tǒng)完全建成后，將為用戶免費提供約10米精度的定位服務(wù)和每秒0.2米的測速服務(wù)。而隨著北斗地基增強系統(tǒng)“地面網(wǎng)”的“加盟”，服務(wù)精度達到厘米級，成為當之無愧的國之重器

北斗系統(tǒng)從弱小的“青銅”一路“打怪”，攻克了100多項關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)了國產(chǎn)化自主可控，成為今天的“王者”。輝煌的成就背后是默默付出了幾十年光陰的10萬北斗人。

在此讓我們向這些辛勞的科研人員致敬！

參考文獻：

1.中國科學報：《楊元喜院士解讀北斗三號比二號“高”在何處》

2.總設(shè)計師林寶軍：《北斗三號衛(wèi)星攻克了100多項技術(shù)難題》

3.中國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)官網(wǎng)：《北斗三號衛(wèi)星的創(chuàng)新和技術(shù)特點》

4.中國新聞網(wǎng)：《“精度＋穩(wěn)度” 北斗衛(wèi)星為什么這么牛》

5.中國青年報：《星間鏈路，離“萬物互聯(lián)”不遠了》

6.中國青年報：《北斗“心臟”：一只“300萬年1秒誤差”的鐘》

7.經(jīng)濟日報：《天地“一張網(wǎng)” 北斗顯“高精”》

（本文中標明來源的圖片均已獲得授權(quán)）