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“北斗”三部分示意圖。

北斗服務示意圖。

北斗導航系統“三球交會”定位原理示意圖。

或許是因為(wei)巧合(he)，北(bei)(bei)斗衛星(xing)導航系(xi)統(tong)與“三”結(jie)下(xia)不解之緣(yuan)，蘊(yun)含(han)一系(xi)列與“三”有關的奧秘(mi)。在北(bei)(bei)斗三號全球(qiu)系(xi)統(tong)建設迎來(lai)“收官戰”之際，讓我們一起(qi)探索“北(bei)(bei)斗”的“三”的奧秘(mi)。

經過梳(shu)理，筆者(zhe)總結出“北(bei)(bei)斗(dou)”與(yu)“三”有關的9個方面，涵蓋其發展戰略、系統(tong)架(jia)構、星(xing)座配置、工作原(yuan)理、信號體制、服(fu)務規(gui)劃、未(wei)來(lai)愿景等。這些充(chong)分彰顯了北(bei)(bei)斗(dou)衛星(xing)導航系統(tong)作為重要(yao)的國(guo)際空間基(ji)礎(chu)設施的建設歷程、鮮明特(te)點、獨(du)特(te)價值和杰出貢獻(xian)。

①“三步走”戰略

北斗(dou)衛星導(dao)航系(xi)統(tong)“三步(bu)(bu)(bu)走”發展戰(zhan)略為公眾所熟悉(xi)。實際上，即(ji)使不(bu)熟悉(xi)相關(guan)信息，對(dui)北斗(dou)衛星導(dao)航系(xi)統(tong)“三步(bu)(bu)(bu)走”戰(zhan)略具體(ti)內涵(han)不(bu)甚了了，人(ren)們也能從(cong)“北斗(dou)一號(hao)”“北斗(dou)二號(hao)”“北斗(dou)三號(hao)”的名(ming)稱，解讀步(bu)(bu)(bu)步(bu)(bu)(bu)為營(ying)步(bu)(bu)(bu)步(bu)(bu)(bu)高的意(yi)味(wei)。

第(di)一(yi)步，建(jian)成(cheng)北(bei)斗(dou)一(yi)號(hao)，衛(wei)(wei)星(xing)導航系統從無到有(you)，服務自(zi)身。1994年，北(bei)斗(dou)一(yi)號(hao)建(jian)設啟(qi)動(dong)；2000年，發射(she)2顆(ke)地球靜止軌道（GEO）衛(wei)(wei)星(xing)，建(jian)成(cheng)系統并投入使用(yong)，采(cai)用(yong)有(you)源定(ding)位(wei)體(ti)制(zhi)，為(wei)中國用(yong)戶(hu)提供(gong)定(ding)位(wei)、授時、廣(guang)域(yu)差分和短報(bao)文(wen)通(tong)信服務；2003年，發射(she)第(di)3顆(ke)地球靜止軌道衛(wei)(wei)星(xing)，進(jin)一(yi)步增強系統性能。北(bei)斗(dou)一(yi)號(hao)的(de)建(jian)成(cheng)使中國成(cheng)為(wei)繼美、俄(e)之(zhi)后(hou)第(di)三(san)個擁有(you)衛(wei)(wei)星(xing)導航系統的(de)國家。

第二(er)步(bu)，建成(cheng)北斗(dou)二(er)號(hao)，服務亞太(tai)。2004年，北斗(dou)二(er)號(hao)建設啟動；2012年，完(wan)成(cheng)14顆衛星(xing)發(fa)射組網。北斗(dou)二(er)號(hao)增加(jia)無(wu)源定位體制，創新性采(cai)用(yong)中高(gao)軌混合星(xing)座架構(gou)，服務覆蓋亞太(tai)地區。

第(di)三(san)(san)(san)步：旨在建(jian)(jian)成(cheng)北斗(dou)(dou)三(san)(san)(san)號，提(ti)供(gong)全(quan)球服務(wu)。2009年，北斗(dou)(dou)三(san)(san)(san)號建(jian)(jian)設(she)啟動；計劃于2020年完成(cheng)30顆衛星發射組網，全(quan)面建(jian)(jian)成(cheng)北斗(dou)(dou)三(san)(san)(san)號系統(tong)。北斗(dou)(dou)三(san)(san)(san)號繼承(cheng)有源(yuan)服務(wu)和(he)無源(yuan)服務(wu)兩種技(ji)術體(ti)制(zhi)，為(wei)全(quan)球用戶(hu)提(ti)供(gong)基本導航、全(quan)球短報(bao)(bao)文通信(xin)和(he)國(guo)(guo)際(ji)搜救服務(wu)，同時可(ke)為(wei)中國(guo)(guo)及周(zhou)邊地區(qu)用戶(hu)提(ti)供(gong)區(qu)域(yu)短報(bao)(bao)文通信(xin)、星基增強和(he)精密(mi)單點(dian)定位等服務(wu)。

②“三部分”構成

北斗衛(wei)星導航系(xi)統(tong)是復(fu)雜完備(bei)的(de)軟(ruan)硬件體系(xi)，包括(kuo)空間段(duan)、地面(mian)段(duan)和(he)用戶段(duan)“三部分”。

空(kong)(kong)間段：“北斗(dou)(dou)”給人們(men)留(liu)下印象(xiang)最深刻的(de)(de)無疑是(shi)運行在(zai)九(jiu)天之上的(de)(de)衛星(xing)，它(ta)們(men)就是(shi)“北斗(dou)(dou)”的(de)(de)空(kong)(kong)間段。近年來(lai)，北斗(dou)(dou)衛星(xing)密集發(fa)(fa)射升空(kong)(kong)，形成(cheng)了中國航天壯觀(guan)的(de)(de)景(jing)象(xiang)。北斗(dou)(dou)三(san)號的(de)(de)空(kong)(kong)間段由30顆衛星(xing)組成(cheng)，截(jie)至(zhi)目前，已(yi)經成(cheng)功發(fa)(fa)射組網29顆，即(ji)將迎來(lai)發(fa)(fa)射收官戰。

地(di)面(mian)段：北(bei)斗衛(wei)星并不能單獨將信號傳輸到(dao)終端，而是經過(guo)地(di)面(mian)設施完成數據接收、整理(li)、傳輸等，這(zhe)就是“北(bei)斗”的(de)地(di)面(mian)段。該(gai)部分(fen)(fen)包括基準站、主控站、時間同步/注入站和監測站等。此外，對導航(hang)衛(wei)星之(zhi)間進行(xing)星間鏈路(lu)運行(xing)管理(li)的(de)設施也是地(di)面(mian)段的(de)一(yi)部分(fen)(fen)。

用(yong)(yong)戶段(duan)：用(yong)(yong)戶段(duan)包(bao)括“北斗(dou)”及兼容其(qi)他(ta)衛星導航系(xi)統的芯片、模塊、天線等(deng)基礎(chu)產(chan)品，以及終(zhong)(zhong)端(duan)(duan)設(she)備(bei)、應(ying)用(yong)(yong)系(xi)統與(yu)應(ying)用(yong)(yong)服(fu)務等(deng)。它們中有(you)很多是(shi)消費者直(zhi)接購買使用(yong)(yong)的終(zhong)(zhong)端(duan)(duan)產(chan)品，為人們所熟知。

③“三軌道”混合

北(bei)斗衛(wei)(wei)星(xing)導航(hang)系統是由地球靜(jing)止軌道(dao)衛(wei)(wei)星(xing)、傾(qing)斜地球同(tong)步軌道(dao)衛(wei)(wei)星(xing)和地球中圓軌道(dao)衛(wei)(wei)星(xing)三種軌道(dao)衛(wei)(wei)星(xing)組成的混合導航(hang)星(xing)座。

地(di)球靜止軌道衛(wei)(wei)星：顧名(ming)思(si)義，這種(zhong)衛(wei)(wei)星相對地(di)球靜止，運行軌道高度約(yue)3.6萬公里，其軌道面(mian)與地(di)球赤道面(mian)之間的夾角為0度，單星覆蓋區(qu)(qu)域較大，3顆衛(wei)(wei)星可覆蓋亞太大部分地(di)區(qu)(qu)。

傾斜地(di)球(qiu)(qiu)同步軌(gui)(gui)道衛星(xing)：軌(gui)(gui)道高度與地(di)球(qiu)(qiu)靜(jing)止軌(gui)(gui)道衛星(xing)相同，其軌(gui)(gui)道面與地(di)球(qiu)(qiu)赤道面之間的夾角為55度，星(xing)下點軌(gui)(gui)跡(ji)為“8”字，始終聚焦亞太地(di)區。

地球(qiu)中圓軌(gui)道(dao)衛(wei)星：軌(gui)道(dao)高(gao)度(du)約2.15萬公里，其軌(gui)道(dao)面與地球(qiu)赤道(dao)面之間的夾角為55度(du)，繞地球(qiu)旋轉運行(xing)，通(tong)過多顆衛(wei)星組網可實現全(quan)球(qiu)覆(fu)蓋，“北斗”地球(qiu)中圓軌(gui)道(dao)衛(wei)星星座回歸特性為7天13圈。

“北斗”獨創的三軌混合星(xing)座設計，既(ji)能實現全(quan)球(qiu)覆蓋、全(quan)球(qiu)服務，又可(ke)為亞(ya)太(tai)大(da)(da)部分地(di)區用戶(hu)提(ti)供更(geng)高性能的定位導航授(shou)時服務。亞(ya)太(tai)大(da)(da)部分地(di)區，每時可(ke)見(jian)約12至(zhi)16顆(ke)衛(wei)星(xing)，全(quan)球(qiu)其他地(di)區每時可(ke)見(jian)4至(zhi)6顆(ke)衛(wei)星(xing)，衛(wei)星(xing)可(ke)見(jian)性和幾何構型較(jiao)好。

④“三球交匯”定位

提供位(wei)置(zhi)信息(xi)是(shi)導(dao)航衛星的主要服務內(nei)容之一，北(bei)斗(dou)是(shi)如何(he)實現(xian)精準定位(wei)的呢？

導(dao)航衛(wei)星(xing)發(fa)射測(ce)距(ju)信(xin)(xin)號(hao)和導(dao)航電(dian)文(wen)(wen)，導(dao)航電(dian)文(wen)(wen)中含有衛(wei)星(xing)的位(wei)置信(xin)(xin)息。用戶(hu)接(jie)收(shou)機(ji)在(zai)某(mou)一(yi)時(shi)刻(ke)同時(shi)接(jie)收(shou)三(san)顆以(yi)上衛(wei)星(xing)信(xin)(xin)號(hao)，測(ce)量出(chu)用戶(hu)接(jie)收(shou)機(ji)至三(san)顆衛(wei)星(xing)的距(ju)離，通過(guo)星(xing)歷(li)解算出(chu)的衛(wei)星(xing)的空間坐標，再利(li)用距(ju)離交(jiao)會法就(jiu)解算出(chu)用戶(hu)接(jie)收(shou)機(ji)的位(wei)置。整個過(guo)程就(jiu)是“三(san)球交(jiao)會”定(ding)位(wei)原理在(zai)衛(wei)星(xing)導(dao)航領域中的體現。

北(bei)斗(dou)衛(wei)星導(dao)航系統像美國的(de)(de)GPS，俄羅(luo)斯的(de)(de)格洛納斯、歐洲伽(jia)利略一(yi)(yi)樣，也是(shi)(shi)應用“三球交(jiao)會”定位(wei)原理(li)進行(xing)定位(wei)的(de)(de)。其具體流(liu)程是(shi)(shi)，北(bei)斗(dou)用戶接收機同時測量自身到至少三顆衛(wei)星的(de)(de)距(ju)離；各衛(wei)星的(de)(de)位(wei)置(zhi)通過導(dao)航電文播發(fa)給(gei)用戶；以衛(wei)星為(wei)球心，距(ju)離為(wei)半徑(jing)畫球面；三個球面相(xiang)交(jiao)得(de)兩個點(dian)，根據地理(li)常(chang)識排除一(yi)(yi)個不合理(li)點(dian)即得(de)用戶位(wei)置(zhi)。

⑤“三要素”服務

定位(wei)或者提(ti)供位(wei)置(zhi)信息(xi)是北斗衛(wei)星導航系統主要服務(wu)之(zhi)一，除此(ci)之(zhi)外，它還有兩(liang)大服務(wu)即提(ti)供速度信息(xi)和時間信息(xi)，以上構成了(le)“北斗”信息(xi)服務(wu)的“三要素(su)”。

位置(zhi)(zhi)信息(xi)：北斗衛(wei)星導航(hang)系統提(ti)供的(de)(de)位置(zhi)(zhi)信息(xi)服務輸出結果為“經(jing)度、緯度、高程”或者“x，y，z”，不管(guan)哪種輸出形式(shi)，恰(qia)好都是“三個(ge)參(can)量”。關于(yu)“北斗”提(ti)供的(de)(de)位置(zhi)(zhi)信息(xi)的(de)(de)精(jing)確度，總體而言，“北斗”可向全(quan)球提(ti)供優(you)于(yu)10米(mi)的(de)(de)定(ding)位服務，某些區域比如(ru)亞太地區定(ding)位精(jing)度更高，達到5米(mi)。同時，通過精(jing)密單點(dian)定(ding)位、星基(ji)(ji)增強、地基(ji)(ji)增強等方式(shi)，“北斗”定(ding)位精(jing)度可提(ti)高到米(mi)級、分(fen)米(mi)級乃至(zhi)厘(li)米(mi)級。

速(su)度信息：北斗衛星導航(hang)系統提(ti)供的測(ce)速(su)精度能(neng)力優于0.2米(mi)/秒。

時間信息：北斗衛星導航系統可為用(yong)戶(hu)提(ti)供優(you)于20納(na)秒(miao)的授時服務，在此(ci)基礎(chu)上利用(yong)差分(fen)授時、雙向比對等技術(shu)手段，可進一(yi)步提(ti)升授時精度。

⑥“東三B”平臺

北(bei)斗衛星(xing)導航系統的優異性能在很大程度(du)上源于(yu)衛星(xing)的研制(zhi)平(ping)臺(tai)(tai)(tai)(tai)，東方(fang)紅三(san)號B平(ping)臺(tai)(tai)(tai)(tai)，簡稱“東三(san)B”平(ping)臺(tai)(tai)(tai)(tai)。北(bei)斗三(san)號導航衛星(xing)的地球(qiu)靜止軌道衛星(xing)和(he)(he)傾(qing)斜地球(qiu)同步(bu)軌道衛星(xing)就(jiu)是(shi)基于(yu)“東三(san)B”平(ping)臺(tai)(tai)(tai)(tai)研制(zhi)而成(cheng)。這是(shi)中國自主研制(zhi)的新一代高(gao)軌導航衛星(xing)平(ping)臺(tai)(tai)(tai)(tai)，采用了(le)綜合電子(zi)、高(gao)效能源和(he)(he)熱控(kong)、鋰離(li)子(zi)蓄電池、FDIR（故(gu)障檢測、隔離(li)和(he)(he)系統重構）等先進技術，為(wei)有效載荷提供了(le)更(geng)大空間(jian)。“東三(san)B” 平(ping)臺(tai)(tai)(tai)(tai)助力衛星(xing)減重增(zeng)壽，使導航衛星(xing)重量進一步(bu)降(jiang)低，設計壽命可達12年，為(wei)其配(pei)置(zhi)了(le)多種(zhong)載荷，提供包括衛星(xing)無線(xian)電導航系統、區域短報(bao)文通(tong)信(xin)、星(xing)基增(zeng)強、精密(mi)單(dan)點定(ding)位(wei)等多種(zhong)服務(wu)，功能更(geng)強大、集成(cheng)度(du)更(geng)高(gao)。

“東(dong)三B”平(ping)臺由中(zhong)國航(hang)天科(ke)技(ji)集團公司五(wu)院通(tong)信(xin)(xin)衛星(xing)事業部抓(zhua)總研(yan)制(zhi)。2013年(nian)3月，該平(ping)臺電(dian)推進分系統真(zhen)實(shi)點火試驗(yan)圓滿完(wan)成，標志著其(qi)研(yan)制(zhi)工作取得突破性(xing)進展(zhan)。2017年(nian)4月，“東(dong)三B”平(ping)臺全配置首(shou)發(fa)星(xing)實(shi)踐十三號發(fa)射(she)升空(kong)，突破了(le)電(dian)推進、Ka通(tong)信(xin)(xin)載荷、高軌激光通(tong)信(xin)(xin)等制(zhi)約中(zhong)國航(hang)天技(ji)術跨越(yue)發(fa)展(zhan)的(de)一系列(lie)關鍵技(ji)術，在軌實(shi)現對(dui)“東(dong)三B”平(ping)臺功能和性(xing)能指(zhi)標考核。

⑦“長征三號”專列

人們注意到，在中國長征火箭家族中，每次(ci)出動完成北斗衛星發射任務的都是長征三號(hao)系(xi)列(lie)火箭，這也使其贏得了北斗衛星飛天“專(zhuan)屬列(lie)車”的雅號(hao)。

長(chang)征三號是在長(chang)征二號的基礎上(shang)發展(zhan)起來的三級火(huo)箭，具有入(ru)(ru)軌(gui)精度(du)高、軌(gui)道(dao)選擇多、適(shi)應(ying)能(neng)力強等(deng)特點(dian)。12年間(jian)，長(chang)征三號系列火(huo)箭承(cheng)擔了近40次北(bei)斗衛星(xing)(xing)發射任務，成功將50多顆(ke)北(bei)斗導航衛星(xing)(xing)精確送入(ru)(ru)預定軌(gui)道(dao)。

第55顆北(bei)(bei)(bei)斗(dou)(dou)衛(wei)星(xing)即北(bei)(bei)(bei)斗(dou)(dou)三(san)號最后(hou)一顆組(zu)網(wang)衛(wei)星(xing)的(de)(de)發射(she)任務仍(reng)然由長征三(san)號系列(lie)中乙型火(huo)箭擔綱完成。近日(ri)，該火(huo)箭在(zai)迫近點(dian)火(huo)發射(she)前的(de)(de)測試階段時(shi)發現了技(ji)術(shu)問(wen)題(ti)，使(shi)得原發射(she)計劃未(wei)能如期進行，而下(xia)一次(ci)的(de)(de)具(ju)體發射(she)時(shi)間等待(dai)檢測研(yan)究后(hou)確定。這次(ci)意外讓人頗感遺(yi)憾，但(dan)只(zhi)是使(shi)北(bei)(bei)(bei)斗(dou)(dou)三(san)號收官星(xing)升空推(tui)遲一下(xia)。我們相(xiang)信，保(bao)持超高發射(she)成功率的(de)(de)長征三(san)號一定能經受住考驗，很快解決技(ji)術(shu)問(wen)題(ti)，搭載(zai)北(bei)(bei)(bei)斗(dou)(dou)三(san)號收官星(xing)一飛沖天。

⑧“三特色”鮮明

中國(guo)“北斗”是國(guo)際衛星導航系統大家庭的成(cheng)員之一，與美國(guo)的GPS，俄羅斯(si)的格洛(luo)納斯(si)、歐洲伽利略導航系統相比，有鮮明(ming)的“三特色(se)”。

一是空間段采用三種軌(gui)道衛(wei)(wei)星(xing)組成混(hun)合星(xing)座，與其(qi)(qi)它衛(wei)(wei)星(xing)導航系統相比(bi)高軌(gui)衛(wei)(wei)星(xing)更多(duo)，抗遮擋能(neng)力(li)強(qiang)，尤(you)其(qi)(qi)在低(di)緯度(du)地區性能(neng)優勢更為明顯。

二是提(ti)供多(duo)個頻(pin)點的導航信(xin)號，能(neng)夠通過多(duo)頻(pin)信(xin)號組合(he)使用等方式(shi)提(ti)高服務(wu)精度。

三是創(chuang)新融(rong)合了(le)導(dao)航與通信功能，具備基本導(dao)航、短(duan)報(bao)文通信、國際搜救、星基增強和精密(mi)單點(dian)定位等多種服(fu)務能力，系統功能高度集(ji)成，實現(xian)了(le)集(ji)約高效。

“北斗”特(te)色彰顯其服務優(you)勢，表明其是具有世(shi)界(jie)一流水平的(de)(de)太(tai)空基礎(chu)設施(shi)，能夠為國際社會提供優(you)質的(de)(de)全球公共服務產(chan)品。“北斗”因此受到了世(shi)界(jie)各國民(min)眾的(de)(de)熱烈歡(huan)迎和青睞，各類裝備(bei)北斗服務的(de)(de)終端在全球銷售火(huo)爆，“北斗”這一特(te)色鮮明的(de)(de)中文(wen)詞匯逐漸成(cheng)為世(shi)界(jie)流行(xing)語(yu)。

⑨“三更加”愿景

人類認識(shi)不斷(duan)進步(bu)，科(ke)技發展(zhan)永無止境。北(bei)斗(dou)三號全球系統建(jian)設收官(guan)在(zai)即，但是對于中國“北(bei)斗(dou)”而言(yan)，只是進入新的(de)、更高(gao)的(de)發展(zhan)階段，邁向新的(de)征程(cheng)。

邁向新征程的“北(bei)斗(dou)”有(you)什么(me)發(fa)展(zhan)愿(yuan)景？對此，在2018年底召開的聯(lian)合(he)國全球衛(wei)星導航(hang)系統國際委員會(hui)第十三(san)屆大(da)會(hui)上，習近平主席在致大(da)會(hui)的賀信中進行了(le)闡釋和(he)回答。他表(biao)示，2035年前(qian)，中國將建設完(wan)善(shan)“更加泛(fan)在、更加融合(he)、更加智能”的北(bei)斗(dou)綜合(he)時空體(ti)系，并表(biao)達了(le)同各國共享“北(bei)斗(dou)”系統建設發(fa)展(zhan)成果，共促全球衛(wei)星導航(hang)事業蓬勃發(fa)展(zhan)的美好(hao)愿(yuan)望。

2000年(nian)，北(bei)斗一號系統(tong)首(shou)顆衛星成(cheng)(cheng)功飛天。20年(nian)彈指一揮間，“北(bei)斗”完成(cheng)(cheng)了從“北(bei)斗一號雙星定位、聚(ju)焦中國(guo)”到(dao)“北(bei)斗三號三軌合(he)(he)璧、服(fu)務全(quan)球”的歷史性跨越(yue)。未來，我(wo)們將奮力向著建設完善(shan)以“三更(geng)加”為特征的北(bei)斗綜合(he)(he)時空體系挺進。

加油，“北斗”。

【責任編輯：趙藝涵】