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北斗系統(tǒng)中“三”的奧秘

發(fā)布時(shí)間:2022-10-31

      道家鼻祖老子,騎牛有云,“道生一,一生二,二生三,三生萬物”。北斗系統(tǒng)的發(fā)展中也蘊(yùn)含了很多與“三”有關(guān)的奧秘,包括北斗系統(tǒng)發(fā)展戰(zhàn)略、系統(tǒng)架構(gòu)、星座配置、工作原理、信號(hào)體制、服務(wù)規(guī)劃、未來愿景等等諸多方面。具體是什么呢?下面就和大家一起了解北斗系統(tǒng)里與“三”有關(guān)的奧秘。

    

      一、北斗系統(tǒng)的“三步走”戰(zhàn)略

  中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)施“三步走”戰(zhàn)略。


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▲北斗系統(tǒng)“三步走”戰(zhàn)略

  第一步:北斗一號(hào),解決有無

  1994年,啟動(dòng)北斗一號(hào)系統(tǒng)建設(shè);2000年發(fā)射2顆地球靜止軌道(GEO)衛(wèi)星,建成系統(tǒng)并投入使用,采用有源定位體制,為中國用戶提供定位、授時(shí)、廣域差分和短報(bào)文通信服務(wù);2003年,發(fā)射第3顆地球靜止軌道衛(wèi)星,進(jìn)一步增強(qiáng)系統(tǒng)性能。

  北斗一號(hào),中國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)從無到有,使中國成為繼美、俄之后第三個(gè)擁有衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的國家。北斗一號(hào)是探索性的第一步,初步滿足中國及周邊區(qū)域的定位導(dǎo)航授時(shí)需求。北斗一號(hào)巧妙設(shè)計(jì)了雙向短報(bào)文通信功能,這種通導(dǎo)一體化的設(shè)計(jì),是北斗的獨(dú)創(chuàng)。

  第二步:北斗二號(hào),區(qū)域無源

  2004年,啟動(dòng)北斗二號(hào)系統(tǒng)建設(shè);2012年,完成14顆衛(wèi)星、即5顆地球靜止軌道衛(wèi)星、5顆傾斜地球軌道衛(wèi)星(IGSO)和4顆中圓地球軌道衛(wèi)星(MEO)的發(fā)射組網(wǎng)。北斗二號(hào)在兼容北斗一號(hào)技術(shù)體制基礎(chǔ)上,增加無源定位體制,為亞太地區(qū)提供定位、測速、授時(shí)和短報(bào)文通信服務(wù)。

  北斗二號(hào)創(chuàng)新性構(gòu)建了的5GEO+5IGSO+4MEO的中高軌混合星座架構(gòu),為全世界衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展提出了新的中國方案。

  第三步:北斗三號(hào),全球服務(wù)

  2009年,啟動(dòng)北斗三號(hào)系統(tǒng)建設(shè);2020年,全面建成北斗三號(hào)系統(tǒng)。北斗三號(hào)系統(tǒng)是由3GEO+3IGSO+24MEO構(gòu)成的混合導(dǎo)航星座,系統(tǒng)繼承有源服務(wù)和無源服務(wù)兩種技術(shù)體制,為全球用戶提供基本導(dǎo)航(定位、測速、授時(shí))、全球短報(bào)文通信和國際搜救服務(wù),同時(shí)可為中國及周邊地區(qū)用戶提供區(qū)域短報(bào)文通信、星基增強(qiáng)和精密單點(diǎn)定位等服務(wù)。

  北斗“三步走”發(fā)展戰(zhàn)略,是在結(jié)合我國國情和不同階段技術(shù)經(jīng)濟(jì)發(fā)展實(shí)際提出的發(fā)展路線,北斗系統(tǒng)的成功實(shí)踐,走出了在區(qū)域快速形成服務(wù)能力、不斷擴(kuò)展為全球服務(wù),具有中國特色的衛(wèi)星導(dǎo)航發(fā)展道路,豐富了世界衛(wèi)星導(dǎo)航的發(fā)展模式和發(fā)展路徑。

    

二、北斗系統(tǒng)的“三個(gè)組成部分”

  北斗系統(tǒng)由空間段、地面段和用戶段三部分組成。

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▲北斗系統(tǒng)構(gòu)成

  空間段。北斗三號(hào)系統(tǒng)空間段由3顆GEO衛(wèi)星、3顆IGSO和24顆MEO衛(wèi)星等組成。

  地面段。北斗三號(hào)系統(tǒng)地面段包括主控站、時(shí)間同步/注入站和監(jiān)測站等若干地面站,以及星間鏈路運(yùn)行管理設(shè)施。

  用戶段。北斗系統(tǒng)用戶段包括北斗及兼容其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的芯片、模塊、天線等基礎(chǔ)產(chǎn)品,以及終端設(shè)備、應(yīng)用系統(tǒng)與應(yīng)用服務(wù)等。

    

三、北斗獨(dú)創(chuàng)的“三種軌道”混合星座

  北斗系統(tǒng)是由GEO衛(wèi)星、IGSO衛(wèi)星和MEO衛(wèi)星三種軌道衛(wèi)星組成的混合導(dǎo)航星座。

  GEO衛(wèi)星相對(duì)地球靜止,軌道高度35786km,軌道傾角為0度,單星覆蓋區(qū)域較大,3顆衛(wèi)星可覆蓋亞太大部分地區(qū)。

  IGSO衛(wèi)星軌道高度與GEO衛(wèi)星相同,軌道傾角為55度,星下點(diǎn)軌跡為“8”字。

  北斗MEO衛(wèi)星軌道高度約21500km,軌道傾角為55度,繞地球旋轉(zhuǎn)運(yùn)行,通過多顆衛(wèi)星組網(wǎng)可實(shí)現(xiàn)全球覆蓋,北斗MEO星座回歸特性為7天13圈。

北斗導(dǎo)航星座示意圖.jpg
▲北斗三號(hào)系統(tǒng)導(dǎo)航星座示意圖

  北斗獨(dú)創(chuàng)的混合星座設(shè)計(jì),既能實(shí)現(xiàn)全球覆蓋、全球服務(wù),又可為亞太大部分地區(qū)用戶提供更高性能的定位導(dǎo)航授時(shí)服務(wù)。亞太大部分地區(qū),每時(shí)可見約12至16顆衛(wèi)星,全球其他地區(qū)每時(shí)可見4至6顆衛(wèi)星,衛(wèi)星可見性和幾何構(gòu)型較好。

  

四、衛(wèi)星導(dǎo)航的“三球交匯”原理

  導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)射測距信號(hào)和導(dǎo)航電文,導(dǎo)航電文中含有衛(wèi)星的位置信息。用戶接收機(jī)在某一時(shí)刻同時(shí)接收三顆以上衛(wèi)星信號(hào),測量出用戶接收機(jī)至三顆衛(wèi)星的距離,通過星歷解算出的衛(wèi)星的空間坐標(biāo),利用距離交會(huì)法就解算出用戶接收機(jī)的位置。目前,國際上四大全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),美國GPS、我國北斗系統(tǒng)、俄羅斯GLONASS和歐洲Galileo的定位原理是相同的,均是采用這種三球交匯的幾何原理實(shí)現(xiàn)定位。

北斗衛(wèi)星定位原理.jpg
▲北斗衛(wèi)星定位原理示意圖

  簡單來說:

  (1)地球上的北斗用戶接收機(jī)同時(shí)測量自身到至少三顆衛(wèi)星的距離;

 ?。?)各衛(wèi)星的位置通過導(dǎo)航電文播發(fā)給用戶;

  (3)以衛(wèi)星為球心,距離為半徑畫球面;

 ?。?)三個(gè)球面相交得兩個(gè)點(diǎn),根據(jù)地理常識(shí)排除一個(gè)不合理點(diǎn)即得用戶位置。

    

五、北斗的“三頻服務(wù)”信號(hào)體制

  北斗系統(tǒng)是全球第一個(gè)提供三頻信號(hào)服務(wù)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),GPS使用的是雙頻信號(hào),這是北斗的后發(fā)優(yōu)勢。使用雙頻信號(hào)可以減弱電離層延遲的影響,而使用三頻信號(hào)可以構(gòu)建更復(fù)雜模型消除電離層延遲的高階誤差。同時(shí),使用三頻信號(hào)可提高載波相位模糊度的解算效率,理論上還可以提高載波收斂速度。正因如此,GPS系統(tǒng)也在擴(kuò)展成三頻信號(hào)系統(tǒng)。

  北斗二號(hào)在B1、B2和B3三個(gè)頻段提供B1I、B2I和B3I三個(gè)公開服務(wù)信號(hào)。其中,B1頻段的中心頻率為1561.098MHz,B2為1207.14MHz,B3為1268.52MHz。

  北斗三號(hào)在B1、B2和B3三個(gè)頻段提供B1I、B1C、B2a、B2b和B3I五個(gè)公開服務(wù)信號(hào)。其中B1頻段的中心頻率為1575.42MHz,B2為1176.45MHz,B3為1268.52MHz。

 

六、北斗定位測速授時(shí)服務(wù)的“PVT三要素”

  位置信息(Position)、速度信息(Velocity)和時(shí)間信息(Time)是構(gòu)成北斗信息服務(wù)的“三要素”。

  位置信息:北斗系統(tǒng)可向全球提供優(yōu)于10米的定位服務(wù),亞太地區(qū)定位精度達(dá)到5米。北斗系統(tǒng)提供的位置信息服務(wù),輸出結(jié)果為“經(jīng)度、緯度、高程”或者“x,y,z”,不管哪種輸出形式,恰好都是“三個(gè)參量”,一個(gè)不多,一個(gè)不少。同時(shí),通過精密單點(diǎn)定位、星基增強(qiáng)、地基增強(qiáng)等方式,可將定位精度提高到米級(jí)、分米級(jí)乃至厘米級(jí)。

  速度信息:北斗系統(tǒng)提供的測速精度能力優(yōu)于0.2米/秒。

  時(shí)間信息:北斗系統(tǒng)可為用戶提供優(yōu)于20ns的授時(shí)服務(wù),在此基礎(chǔ)上利用差分授時(shí)、雙向比對(duì)等技術(shù)手段,可進(jìn)一步提升授時(shí)精度。

    

七、高可靠的“東三B”衛(wèi)星平臺(tái)

  “東三B”導(dǎo)航平臺(tái)為高可靠長壽命平臺(tái),是我國自主研制的新一代高軌導(dǎo)航衛(wèi)星平臺(tái),采用了綜合電子、高效能源和熱控、鋰離子蓄電池、FDIR等先進(jìn)技術(shù),為有效載荷提供了更大的空間?!皷|三B” 平臺(tái)導(dǎo)航衛(wèi)星重量為5400公斤,設(shè)計(jì)壽命12年,配置了多種載荷,提供包括RNSS、區(qū)域短報(bào)文通信、星基增強(qiáng)、精密單點(diǎn)定位等多種服務(wù),功能強(qiáng)大、集成度高。

    

八、北斗專列:“長征三號(hào)”系列運(yùn)載火箭

  長征三號(hào)系列火箭因其入軌精度高、軌道選擇多、適應(yīng)能力強(qiáng),成為發(fā)射北斗導(dǎo)航衛(wèi)星的“專屬列車”。12年間,長征三號(hào)系列火箭用38次成功發(fā)射的優(yōu)異表現(xiàn),將53顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星送入預(yù)定軌道。

    

九、北斗系統(tǒng)的“三大特色”

  一是空間段采用三種軌道衛(wèi)星組成混合星座,與其它衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)相比高軌衛(wèi)星更多,抗遮擋能力強(qiáng),尤其在低緯度地區(qū)性能優(yōu)勢更為明顯。

  二是提供多個(gè)頻點(diǎn)的導(dǎo)航信號(hào),能夠通過多頻信號(hào)組合使用等方式提高服務(wù)精度。

  三是創(chuàng)新融合了導(dǎo)航與通信功能,具備基本導(dǎo)航、短報(bào)文通信、國際搜救、星基增強(qiáng)和精密單點(diǎn)定位等多種服務(wù)能力,系統(tǒng)功能高度集成,實(shí)現(xiàn)了集約高效。

    

  秉承“中國的北斗,世界的北斗,一流的北斗”發(fā)展理念,堅(jiān)持“自主、開放、兼容、漸進(jìn)”的原則,我國穩(wěn)步推進(jìn)北斗系統(tǒng)建設(shè)發(fā)展。北斗系統(tǒng)為經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展提供世界一流水平的時(shí)空信息保障,同時(shí)也是中國貢獻(xiàn)給世界的全球公共服務(wù)產(chǎn)品。中國愿與世界各國共享北斗系統(tǒng)建設(shè)發(fā)展成果,促進(jìn)全球衛(wèi)星導(dǎo)航事業(yè)蓬勃發(fā)展,為服務(wù)全球、造福人類貢獻(xiàn)中國智慧和力量。

  “三個(gè)更加”指引北斗未來發(fā)展

  2018年底,聯(lián)合國全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)國際委員會(huì)第十三屆大會(huì)在我國舉行,習(xí)近平主席向大會(huì)致賀信:中國高度重視衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)發(fā)展,積極開展國際合作。北斗系統(tǒng)已成為中國實(shí)施改革開放40年來取得的重要成就之一,2035年前還將建設(shè)完善更加泛在、更加融合、更加智能的綜合時(shí)空體系。中國愿同各國共享北斗系統(tǒng)建設(shè)發(fā)展成果,共促全球衛(wèi)星導(dǎo)航事業(yè)蓬勃發(fā)展。希望與會(huì)代表深化交流、集思廣益,為全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)更好服務(wù)全球、造福人類貢獻(xiàn)智慧和力量。

  北斗系統(tǒng)一路走來,從北斗一號(hào)、北斗二號(hào)到北斗三號(hào),未來,我們還將建設(shè)完善的北斗綜合時(shí)空體系,這里面北斗“三”的奧秘還等待我們進(jìn)一步去挖掘、去探索、去創(chuàng)造!

  三生萬物,萬物互聯(lián)。在北斗系統(tǒng)的作用下,互聯(lián)互通會(huì)更加緊密、更加智能,萬物互聯(lián)時(shí)代將全面開啟。我們將以習(xí)主席提出的“三個(gè)更加”為指引,在星辰大海的征途上接續(xù)奮斗、砥礪前行,讓中國夢、北斗夢煥發(fā)更加絢爛的時(shí)代光彩和更多奧秘的光芒!(盧鋆)



( 文章轉(zhuǎn)載自 北斗網(wǎng) )

 
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