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北斗是个啥?七个问题看懂北斗全球导航系统

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新京报讯(记者 倪伟)6月23日9点43分,中国北斗三号系统最后一颗组网卫星发射成功,北斗全球导航系统星座部署完成。天上的北斗卫星时刻便利着我们的生活。打开手机,依靠电子地图导航目的地,或查看软件里外卖小哥到哪里了,这些日常生活中的应用都用上了北斗系统。目前新入网的手机,也有70%可以用北斗服务。2年半、30颗卫星,这个我国规模最大、覆盖范围最广、性能要求最高的卫星系统,到底是个啥?以下7个问题带你看懂。北斗三号系统30颗卫星分布在三个轨道面上。中国卫星导航系统管理办公室供图一问:北斗是什么?通俗来说,北斗三号系统可以看作中国版的GPS。北斗卫星导航系统是中国着眼于国家安全和经济社会发展需要自主建设运行的,可以为全球用户提供全天候、全天时、高精度的定位、导航和授时服务,属于国家重要时空基础设施。 北斗的发展经历三代,北斗一号系统2000年年底建成,是一个试验系统,向中国提供服务。2007年至2012年,北斗二号系统建成,向亚太地区提供服务。2017年到2020年,30颗星组成的北斗三号系统建成,也就是全球导航系统,可以服务全球。 二问:北斗组了一张什么样的网?北斗三号不是一颗卫星,而是一个系统,包含30颗卫星。这些卫星组成了一张网,将地球和临近空间笼罩在内。因此北斗三号建设过程也被形象地称为“组网”。这张网上的30颗卫星,分布在三个不同高度的轨道面,包括24颗MEO卫星(地球中圆轨道卫星)、3颗IGSO卫星(倾斜地球同步轨道卫星)和3颗GEO卫星(地球静止轨道卫星)。MEO卫星是北斗三号主力卫星,运行在距离地球约2万公里的轨道,主要提供导航定位授时服务,以及全球短报文通信、国际搜救等特色服务。IGSO卫星主要运行在距离地球3万6千公里轨道上,由于是高轨道卫星,可以有效增加亚太地区卫星可见数,为亚太地区提供更优质服务。GEO卫星主要运行在距离地球3万6千公里的地球静止轨道上,提供区域短报文、星基增强等特色服务。三个轨道面的星座设计,是北斗导航系统的独创,也具有显著的优势。与其他导航系统相比,最突出的特点是增加了高轨道卫星,卫星越高抗遮挡能力就越强,尤其在低纬度地区性能更有优势。同时,利用高轨道卫星,北斗还增添了通信功能,提供全球独家的短报文服务。三问:北斗有什么特色功能?短报文是北斗特有的功能,从北斗一号一直延续到北斗三号系统。导航卫星和通信卫星是两类卫星,但北斗导航卫星上却附加了通信功能。中国卫星导航定位协会副秘书长王博介绍,北斗用户利用终端,不仅可以知道自己的位置,还可以通过短报文将自己的情况告诉他人。在有移动网络覆盖的地区,这一功能似乎鸡肋,但在大量尚未有网络覆盖的地区,如沙漠、远洋、深山、森林等,就必须要依靠卫星通信。一般卫星通信比较昂贵,北斗短报文则成本低廉,且附加在导航终端里,更为便利,在应急救援、远洋渔业等领域得到有效应用。如今,北斗三号的短报文通信能力显著提升,从一次发送120个汉字提升到一次1000多汉字,还可发送图片等信息,应用场景更为丰富。除了短报文,北斗系统还有多种特殊应用,另一个例子是国际搜救。北斗三号系统的6颗MEO卫星上,装有搜救载荷,可以与其他全球卫星搜救系统一起,为全球用户提供搜救服务。“举个例子,渔船在作业过程中遇到恶劣天气遇险,搜救终端在触水之后会自动把搜救信号发到卫星上,卫星会把这些信息转发到地面系统,地面系统可以快速计算出遇险者的位置,告诉附近的救援力量快速开展搜救工作。”北斗卫星系统总师林宝军此前介绍。这项服务是按国际卫星标准,与其他国际卫星搜救系统联合开展的一项免费公益性服务,主要用于水上、陆地、空中遇险目标的定位和救援。西昌卫星发射中心,执行北斗三号最后一颗组网卫星发射的长征三号乙运载火箭转运至发射区。航天科技集团一院供图四问:为什么有了GPS还要建设北斗?全球共有四个全球导航系统建成或在建,除了北斗,还有美国GPS、俄罗斯格洛纳斯和欧盟伽利略。GPS上世纪就开始提供全球服务,在我国也有庞大应用规模,但我国依然努力建设了自己的北斗系统。北斗三号工程卫星总设计师谢军表示,卫星导航系统是一个国家重要的空间基础设施,甚至是基础设施中的支撑和基础。如果用国外关键技术,采购国外核心产品,一旦被断货,系统就无法长期稳定运行下去。王博说,在国计民生很多重要行业里面,导航系统提供的时空基准不可或缺。精确的时空基准,可以说是一个国家的战略资源,通信、电网、金融等行业,都需要导航卫星的精准的定位和授时功能。对于国防安全来说,导航卫星也尤为重要,在保卫国家安全的时候,很多武器装备的制导、导航都离不开卫星。所以,有了GPS等其他导航系统以后,我们仍然坚持建设自己的北斗系统,这是北斗的战略意义。五问:如何用上北斗的服务?对于普通个人用户,并不需要通过特别的途径选择使用北斗服务,北斗服务已经通过芯片内置到我们的手机、汽车等设备中。我们使用导航定位服务的时候,就已经用上了北斗卫星。北斗卫星导航系统工程总设计师杨长风此前介绍,中国新入网的智能手机,70%已经内置北斗芯片,或北斗、GPS双模芯片。双模芯片可以同时使用GPS和北斗系统,这种使用不是非此即彼,而是同时使用北斗和GPS卫星,芯片会自动挑选目前可以接收到的导航卫星信号,可能是来自北斗卫星和GPS卫星的组合,通过4颗以上卫星,就能计算出当前的位置。在交通运输、农林渔业、减灾救灾等各行各业里,北斗也实现了广泛的应用,通过一些内置北斗芯片的终端设备就可以实现。六问:北斗系统为什么能“神速”建成?北斗三号建设堪称“神速”,从2017年11月5日发射首星,到2020年6月23日收官,仅2年7个月就完成30颗星组网,其间还发射了2颗北斗二号卫星,完善了北斗二号星座。这是我国航天历史上规模最大的星座,也是最密集的同型号卫星发射。“高风险的航天领域,质量和进度、质量和数量一直是一对矛盾。”谢军曾说。这样的速度下百分之百成功率,简单来说,依靠的是快速的火箭和卫星制造能力,以及成熟的发射技术。中国卫星导航系统管理办公室主任冉承其说,北斗系统充分借鉴、继承、发扬了中国航天独到的管理模式,同时创新了很多组织管理模式。例如建立了全球连续监测评估系统,对所有卫星导航系统运行情况进行监测,让北斗系统学习改进提升。北斗卫星发射使用的火箭为长三甲系列火箭,分为长三甲、长三乙、长三丙三种构型。长三甲系列也是我国发射次数最多、适应性最强的运载火箭系列,目前发射次数达112次。从北斗一号系统开始,长三甲系列44次发射59颗北斗卫星,成功率100%。近几年,长三甲系列火箭一直处于高强密度发射状态,连续5年摘得全国发射次数排名第一的火箭型号桂冠。为了实现两年半发射30颗北斗卫星,长三甲系列火箭还进行了适应性改进,满足三种轨道发射需求。长三甲研制方中国运载火箭技术研究院介绍,长三甲系列火箭还具备大型卫星的双星发射能力、末级长时间滑行能力、窄窗口/多窗口甚至零窗口发射能力、低温推进剂加注后推迟24小时不泄出再次发射的能力,保证了长三甲系列能满足绝大多数有效载荷的需求。七问:北斗建设中有什么困难?杨长风曾在一段采访中讲述过北斗二号争分夺秒“保轨道频率”的故事。导航卫星发射上天的前提是要有合法的轨道位置和频率资源,这是世界各国必争的宝贵资源。2000年4月17日,我国在国际电信联盟组织争取到了轨道位置和频率资源,按规定,必须要在7年有效期内发射卫星并成功收到信号。实际北斗二号立项是2004年,只有3年时间,必须要研制和成功发射第一颗卫星,这一过程一般来说需要5年。这颗星不仅是北斗二号系统的首颗卫星,更肩负着启动北斗空间轨道位置和无线电频率的重任。北斗团队夜以继日,赶在2007年4月初进入发射阶段。当时这颗卫星已经与火箭合体,竖立在发射塔架上等待发射,却突然发现应答机出现了异常,研制人员重新打开了火箭整流罩,检查卫星。研制人员72小时没有合眼,及时排除了隐患。终于,2007年4月14日凌晨4时11分,卫星成功发射。4月17日晚上8时许,卫星传回信号,此时距离国际电联的“七年之限”只剩不到4个小时。我国卫星导航系统的轨道频率资源,为北斗区域导航系统建设起到了重要作用。杨长风说,国外的技术封锁,成为制约北斗卫星导航系统工程建设的最大瓶颈。例如北斗二号研制初期,本打算从国外引进核心器部件——原子钟,但由于外方原因最终没能合作。但中国科研人员仅用两年,就攻克了原子钟这个最大技术瓶颈。如今,北斗系统原子钟精度,已经提升到每300万年差一秒。新京报记者 倪伟编辑 张畅 校对 张彦君

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