[科普中國]-聽說北斗上王者了？全靠這些技能

不久前，**中國宣布了一個喜大普奔的好消息，北斗系統(tǒng)開始提供全球服務(wù)了。**自1994年北斗工程正式立項(xiàng)以來，已經(jīng)走過了20多個年頭。今天，北斗系統(tǒng)終于建成基本系統(tǒng)，并在10萬參試人員的努力下全部實(shí)現(xiàn)了“自主可控”的要求，這實(shí)在是太不容易了！

現(xiàn)階段能配得上叫“全球系統(tǒng)”導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)已建成（作者制作）

北斗二號（2012年）多星區(qū)域無源導(dǎo)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(diǎn)是GPS全球布站，每一個地面站如同“防御塔”一般遍布全球，讓其GPS衛(wèi)星在任意位置都處在“防御塔”的輻射范圍內(nèi)，可以“隨意輸出”。但是北斗系統(tǒng)很難像GPS系統(tǒng)那樣在全球大范圍建立自己的“防御塔”——地面站，所以境外衛(wèi)星的數(shù)據(jù)傳輸通道就成了問題。此時，北斗三號啟動一技能：星間鏈路！

通過在衛(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(shí)現(xiàn)星間、星地傳輸，實(shí)現(xiàn)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(zhǔn)，自動保持隊(duì)型。“衛(wèi)星之間手拉手，革命路上一起走?！边@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(dǎo)航系統(tǒng)能夠獨(dú)立自主的運(yùn)行，且具有很強(qiáng)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(dá)上百顆，實(shí)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(yuǎn)啦！

星間鏈路仿真圖（作者制作）

技能二：高精度原子鐘

成為高手關(guān)鍵就在于技能之間的完美銜接配合，只有把握好每個技能釋放的“時間點(diǎn)”，才能完成一波精妙的技能combo。導(dǎo)航系統(tǒng)幾乎都是依靠原子鐘來“掌握”時間的精度，時間精度就是衛(wèi)星導(dǎo)航的“命門”，天地間時間越同步、誤差越小，定位精度越高。

北斗三號“二技能”：高精度星載原子鐘！

其穩(wěn)定度達(dá)到E－14量級，這相當(dāng)于300萬年只有1秒誤差。這一技術(shù)進(jìn)步，直接推動了我國全球?qū)Ш较到y(tǒng)定位精度，讓導(dǎo)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，讓北斗系統(tǒng)能夠更加精準(zhǔn)的“釋放每個技能”，更加完美的完成各項(xiàng)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)測與衛(wèi)星鐘自主平穩(wěn)切換等功能，多個原子鐘保持同步，當(dāng)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(dǎo)航信號與服務(wù)的可靠性和完好性。它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

中、美、歐、俄的導(dǎo)航系統(tǒng)，之前是各玩各的彼此獨(dú)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(shí)現(xiàn)信號兼容，兩系統(tǒng)在國際電聯(lián)（ITU）框架下實(shí)現(xiàn)射頻兼容，實(shí)現(xiàn)了民用信號互操作。啥是兼容互操作？從用戶層面來講，一般來說，接收機(jī)需要同時收到至少4顆導(dǎo)航衛(wèi)星信號，才能實(shí)現(xiàn)定位。如果使用單一導(dǎo)航系統(tǒng)，可能在某一區(qū)域上空衛(wèi)星數(shù)量有限，冗余不足，一旦接收機(jī)與某顆衛(wèi)星斷開聯(lián)系，會影響定位服務(wù)的持續(xù)性。北斗與GPS實(shí)現(xiàn)互操作以后，用戶用一臺接收機(jī)能同時接收兩個系統(tǒng)的衛(wèi)星信號，如GPS衛(wèi)星數(shù)量不夠的話，還有北斗衛(wèi)星，定位的穩(wěn)定性和精度會更高。

北斗三號新增了B1C公開信號，并對B2信號進(jìn)行了升級，采用新設(shè)計的B2a信號替代原B2I信號，實(shí)現(xiàn)了信號性能的提升，更好地滿足兼容互操作。

導(dǎo)航系統(tǒng)兼容和互操作，在用戶層面能夠獲得比單獨(dú)使用一種系統(tǒng)更好的服務(wù)，進(jìn)一步提升導(dǎo)航定位精度，將為用戶帶來更優(yōu)質(zhì)、便捷的服務(wù)，更好地服務(wù)全世界的用戶。

作者制作

技能連發(fā)：天羅地網(wǎng)實(shí)現(xiàn)高精度

北斗系統(tǒng)是由“天羅地網(wǎng)”組成，“天羅”由導(dǎo)航衛(wèi)星組成，“地網(wǎng)”由超過1800個地基增強(qiáng)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(dǎo)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(dǎo)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(qiáng)站，以定位算法獲得定位數(shù)據(jù)差分信息，再進(jìn)行大范圍播發(fā)，幫助各類終端實(shí)現(xiàn)高精準(zhǔn)定位。

北斗三號系統(tǒng)的定位精度與當(dāng)前相比提升了1至2倍，達(dá)到2.5米至5米水平。系統(tǒng)完全建成后，將為用戶免費(fèi)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(qiáng)系統(tǒng)“地面網(wǎng)”的“加盟”，服務(wù)精度達(dá)到厘米級，成為當(dāng)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(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)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！祝愿北斗系統(tǒng)再創(chuàng)輝煌！

參考文獻(xiàn)：

1.中國科學(xué)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(xiàng)技術(shù)難題》

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

4.中國新聞網(wǎng)：《“精度＋穩(wěn)度” 北斗衛(wèi)星為什么這么?！?/p>

5.中國青年報：《星間鏈路，離“萬物互聯(lián)”不遠(yuǎn)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(jì)日報：《天地“一張網(wǎng)” 北斗顯“高精”》

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