您的位置:首页 > 探索头条 > 正文

收官之作!最后一颗组网卫星成功发射,北斗导航系统全面建成

2020/6/24 13:57:33 来源:原创 浏览:

点火,升空!第 55 号北斗卫星,也是最后一颗北斗三号卫星成功发射,为中国北斗全球系统补上最后一块拼图。卫星将在未来几天内进行轨道调整和在轨测试,最终投入应用。

从最早的北斗一号卫星系统提出到现在已有 30 余年时间,从北斗一号、二号到现在北斗三号完工,卫星导航系统实现了从无到有、从区域性到全球性的飞跃发展。除去已经退役的北斗一号试验卫星,从北斗二号算起,中国已经发射 55 颗北斗导航卫星,覆盖全球的导航卫星网络宣告完成。

今天发射的北斗导航卫星,是北斗三号系统中最后一颗地球静止轨道卫星,将要去到距离地面约 3.6 万公里的位置。不同于美、俄的 GPS、格洛纳斯等导航系统,这套卫星轨道是北斗独有的设计,在已经实现全球覆盖的基础之上,这颗卫星将在 3.6 万公里的高度上一直对准中国及周边区域,提升这个范围内的服务性能。

至此,北斗系统已经完全具备精准定位的能力,同时还将提供短报文通信功能、国际搜救服务能力等。在精度上,北斗系统的水平和定位精度能够达到小于 5 米的水平,在速度上,3 年不到的时间里,通过近 20 次发射部署超过 30 颗卫星,北斗也导航卫星领域创下了属于自己的奇迹。

当下物联网、车联网、5G 等产业爆发式增长,让北斗卫星系统在民用市场的发展提供了前所未有的时代机遇。


时间、空间:两大参照系

就像我们常说的宇宙,其实宇是空间,宙就是时间。

那么,几万公里高的卫星究竟是如何能帮你实现定位?所有人都找卫星帮你定位,卫星应付的过来吗?

其实这都是时间和空间的组合。对现阶段的导航卫星来说,它们的运行就像一群空间大喇叭,永远只对着地球的方向发两种信号:1、空间坐标(x,y,z),2、时间 t。

每个人的手机等接收机本身也有自己的空间和时间信息,收到了信号之后,接收机就开始埋头计算:接收机和卫星显示的时间差乘以光速即是两者的距离,同时这个距离也能根据空间坐标进行计算,一个方程就这么成立了。

在这个方程里,空间和时间共产生了 4 个未知数,因此任何一台设备能同时接收到 4 台或以上的卫星信号,就能通过解方程算出位置和时间信息。

所以卫星和接收机的关系,就是卫星不断出题,无差别告诉别人:我在哪,几点了。接收机则通过解题实现定位,无需卫星进行任何计算和交流,因而理论上可以支持无线设备的定位。

而在实际应用中,地面上的接收机常常可以同时接受到更多的卫星信号,而卫星信号越多,定位精度就越高。在北斗三号完工后,在中国或亚太地区的设备甚至可以同时被多达 12 颗北斗卫星覆盖。

即将完全建好的北斗三号共有 30 颗卫星构成,分布在 3 种不同的轨道上,同时也实现不同的分工。

其中有 24 颗卫星位于地球中圆轨道,距离地面 2 万多公里的高度,它们是“北斗三号”全球组网的主力卫星,他们以 12 小时为一个周期时刻不停地环绕地球运转,每颗卫星的聚焦点都在地面“画”着波浪线,实现全球范围的广覆盖,这批卫星也是北斗三号全球组网的核心。

“北斗三号”共有 3 颗地球静止轨道卫星,其定点于赤道上空约 3.6 万公里的圆形轨道上,主要服务于中国及周边区域。

除了与赤道平面重合的地球同步轨道卫星即地球静止轨道卫星之外,还有 3 颗保持一定倾斜角度的地球同步轨道卫星(IGSO)。与前者相对于地球上的某个点始终保持静止不同,由于其倾斜角度的存在,造成相对于地面上某个点,其每天在相同时刻保持在相同位置,但在连续的时间内,卫星位置是变化的,星下点运行的轨迹呈“8”字形的封闭曲线,就像卫星跳着“8”字形舞,以这种运行方式,这三颗卫星将提升北斗三号在整个亚太地区的服务水平。

导航卫星的多国混战

在过去很长时间里,GPS 在应用市场处于一种垄断地位,应用甚广,GPS 也成为了卫星导航的代名词。GPS 卫星研制最早开始于 1970 年,在经过 20 多年的建设后全面投入应用,除了军事用途,GPS 也允许民用。



在 GPS 项目开动之后,当时世界两极争霸的另一端——苏联也紧随其后,开发了自己的卫星导航系统 GLONASS 项目,但后来因为资金支持问题、苏联解体等原因,卫星建设一波三折,后来在俄罗斯接手下才继续完善。

和很多其他的尖端技术一样,卫星导航系统的威力展现最早都是在战场上的成绩,背后则是大国之间的技术角力。说到卫星导航系统,1991 年的海湾战争是绕不开的一个节点。

1991 年海湾战争期间,GPS 在波斯湾的战场上一战成名。

这还只是美国空军首次战争中用上 GPS 卫星导航系统,尽管当时就是最领先的 GPS 也尚未部署完全,但已经在战场上表现出惊人实力。美军甚至能引导两枚导弹先后攻击同一个目标,第一枚导弹炸开洞口后,紧接着第二枚钻进内部引爆。

这种后来被称为“外科手术式打击”让不少国家第一次看到了现代化战争的实力。同时这也让各国开始担忧,美国的 GPS 全球随便飞,给所有地方送去了导航服务,但一直用美国的卫星总归还是不够保险,一旦产生冲突,美国可以随时叫停卫星导航系统在任意区域的服务,那就真的成了“迷失了方向。”

于是从战场回来后,欧盟开始酝酿伽利略卫星计划,俄罗斯重拾格洛纳斯,中国也开始了北斗卫星的研制。可以说,一发导弹推动了全球卫星导航系统的发展。

3 年后的 1994 年,中国正式开始了北斗卫星导航试验系统(北斗一号)的研制工作,并在 2000 年发射了两颗静止轨道卫星。

在当时,北斗卫星技术参数上并不先进,覆盖范围也非常有限,更像是一个试验星座,这也导致了民用的价值并不高,因此系统主要为是为军方服务。

而在民用方面,中国将目光投向了欧洲的朋友。

21 世纪初,欧盟开始牵头准备组建一个卫星网络,主要用在民用领域,开始时,欧盟拉上了私营公司入场,还积极拉拢中国等国家的参与,对欧盟来说,这个来自东方的伙伴不仅能提供资金,还是一个天然的巨大市场。

建设卫星星座所需资金巨大,且当时中国在诸多核心技术上还远未能摆脱对国外的依赖,因此在欧盟抛出橄榄枝后,中国欣然接受。

最终中欧连线达成,2004 年 9 月,中国正式签署协议入场,在那之后共送去了 2.3 亿欧元。

但在短短不到两年的时间里,这个由多个国家、企业合作的庞大共同体瓦解,欧盟委员会最终决定将伽利略系统国有化。随之而来的就是欧盟以政策、安全性为由,将中国边缘化。当时的中国无法进入伽利略的决策结构,在技术合作上也面临阻碍。

一个故事广为流传,当时同样是非欧盟国家的印度也加入到了伽利略计划当中,区别在于中国是带钱入场,而印度则分文未花,但在待遇上甚至比中国更好。

到最后钱也花了,东西也没捞着,中国与欧盟的蜜月期结束。中国退出了伽利略计划,兜兜转转,最终还是回到了自己的北斗的道路上。

北斗和伽利略的爱恨情仇

曾经的盟友反面,中国和欧盟在卫星导航系统上的拉锯仍然激烈。

卫星在轨道上工作是需要用到卫星频率的,而轨道有限意味着卫星所用的频率也是有限的,因此各国在发射卫星前都需要在国际电信联盟(ITU)申请和注册频段。早在北斗一号动工之前,美国 GPS、俄罗斯的格洛纳斯早已组建了相对完善的卫星网络,这两个抢跑的选手早已稳稳地将最适合卫星导航的频段拿下。

有人戏称,美国和俄罗斯已经占下了卫星导航的卫星频率中的高速公路和国道,等到中国和欧盟动身的时候,只剩下了美、俄挑完之后的边角料,被称为的卫星频率里的省道。

2000 年,中国的北斗和欧盟的伽利略在相近的时间点向国际电联申请了导航频段。中国已经向该组织通报了准备使用的卫星频率,然而这一频率正好是伽利略系统的部分频率撞车了。

按国际电联规定,如果一个卫星系统想要使用某个频率,除了申请,需要在申请当天起的 7 年内成功将卫星发送上去并实现信号回传,否则申请到期失效。

在这 7 年的倒计时开始后,虽然号称是自己研制卫星,但至少在前期,中国在技术实力上的短板在竞争当中被凸显出来。比如原子钟是导航卫星当中的核心零件。

2004 年,北斗二号正式启动,本来准备用来自欧洲的原子钟,但在一切谈妥,准备落笔签字之时,对方忽然变卦了。

采购告吹的北斗团队回来只能自己干,单单在原子钟这个问题上,就组建了 3 支独立团队,像养狼计划一样互相竞争,最终在两年多的时间里开发出了自己的原子钟。

这一教训也敲打着北斗团队,未来一定要实现全部国产化!

好在卫星终究是做出来了,但时间也来到了 2007 年,留给中国队的时间着实不多了。

时间到了 4 月 14 号,一枚长征三号火箭搭载着第一颗北斗二号卫星竖在位于西昌的火箭发射场,在理论意义上的最后时间窗口,火箭点火升空,将卫星送入预定的中地球轨道。

经过 3 天的在轨测试,2007 年 4 月 17 日晚上,跟北斗卫星相关十余个厂商将信号接收设备一字排开放在操场上,坐等卫星信号。直到晚上八点多,北斗二号首发星向地面传回了第一批信号,欢呼声响起。意味着北斗最终获得了该频率的合法使用权。

而这个时候,距离 7 年“大限”过期,仅有不到 4 个小时。

故事还没完全结束,和伽利略卫星所用频率撞车后,欧盟开始指责中国未遵守规则占用频率,要求北斗卫星让出频段。

而中国一转头,北斗卫星在之后接年连续升空,在 2010 年正式启用了该频率。从 2008 年到 2016 年,中欧开始就使用频率问题进行多轮谈判,最终以频率共享告终,伽利略与北斗的爱恨情仇最终在双方的握手中结束这场马拉松式的较量。

而在谈判桌下,中国在 2009 年起以最快的速度修建这个全球大网。2012 年,亚太地区已经能够使用到北斗的导航服务,卫星系统完成了对亚太地区的覆盖,正式提供导航服务。

把北斗用起来

在部署完成后,北斗卫星导航系统在覆盖范围和定位精度上已经能够和 GPS 相比,在亚太地区,北斗卫星系统的服务能力则能超过 GPS。

不过在市场方面,GPS 民用市场布局几十年,处于绝对领先位置。

直到现在,不少人对手机的定位功能仍习惯称为 GPS,而事实上,在去年开始,中国超过 70% 的智能手机已经支持使用北斗系统,如今亦有不少设备已经兼容 GPS、北斗、伽利略等多个导航系统。

中国卫星导航定位协会首席科学家曹冲曾表示,北斗二号到北斗三号的升级是非常明显的进步,精度大大提高,全球服务的北斗三号卫星系统将能达到 GPS 三代的水平,同时北斗四号作为下一代卫星系统也已经开始论证工作。

他还曾不止一次表示,根据中国计划,到 2020 年整个北斗卫星导航产业的产值将达到 4000 亿元,甚至还能超过这个数字,如以此来北斗系统带来的税收就能达到 1 千亿。相比之下,北斗系统在过去的总投入约为 700 亿元。

“意味着十几年的投入,在一年内就能收回。实际上美国 GPS 赚钱也就是最近几年的事情,我们赶上了一个好时代。”曹冲表示。

文章来源网络,版权归属原作者,未注明作者均因传阅太多无从查证。本站为公益性非盈利网站,在本网转载其他媒体稿件是为传播更多的信息,此类稿件不代表本网观点。如果本网转载的稿件涉及您的版权、名益权等问题,请尽快与我们联系,我们将第一时间处理!
  • 北斗系统最后一颗全球组网卫星:大块头有大智慧的北斗家族“智多星”

    航天科技集团五院北斗三号卫星副总设计师刘天雄(受访者供图)国际在线报道(记者朱宛玲):即将发射的北斗三号全球卫星导航系统最后一颗全球组网卫星是一颗地球同步静止轨道卫星,又被称为GEO卫星。作为北斗三号导航系统的“收官之星”,它具有怎样的功能和特点?记者就此采访了航天科技集团五院北斗三号卫星副总设计师

  • 撒哈拉大规模沙尘暴羽流穿越大西洋,或使美国东南部出现雾霾

    据外媒CNET报道,非洲北部撒哈拉沙漠产生的巨大尘埃羽流已经越过海洋,在前往美国的途中影响到波多黎各。美国宇航局(NASA)宇航员DougHurley在推特上发布了周日从国际空间站看到的令人惊叹的羽流景象。他写道:“令人惊讶的是,它覆盖的面积如此之大!”撒哈拉的尘埃羽流并不罕见,但这种特殊羽流的大小

  • 天文学家用“奶牛”和“考拉”描述一类全新的太空信号

    来源:cnBeta.COM宇宙中充满了来自不同来源的强大爆炸,现在,天文学家描述了一类全新的太空信号。这些事件被命名为快速蓝色光学瞬态(FBOTs),这些事件非常明亮,并在短时间内抛出惊人的能量。FBOTs是如此之热,以至于它们在光学波长上发出蓝色的光芒,但也可以在X射线和无线电波中被获取。它们来的

  • 古人在中国是如何迁徙的?产生了哪些文化?又是如何融合的?

    人类是自然界的一部分,随着自然界的变化也会潮起潮落。纵观历史,现在自然界中所发生的一切变化,相对几万年前还算平和,人类即使遇到一些自然灾害,凭人类的智慧和能力还能应对。然而,几万年乃至十多万年前,人类就没有这么幸运了。始于十多万年前的地球第四纪冰期,给远古人类带来了巨大灾难,在中国大地上曾经活跃一时

  • 中欧美在24小时内三次发射,共同创造航天发射史上的奇观

    今天晚上看新闻联播,得到最新消息,明天也就是6月23日,北斗三号最后一颗卫星将进行发射。如果按照UTC时间来算,6月23日世界范围内将有3次发射,这也是历史上罕见的。首先说明的是,UTC时间也就是协调世界时,是一个世界标准时间,因为世界各地的火箭发射基本上都会用当地时间来发布,因此用UTC时间可以衡

  • 极度深寒下的原子操纵: 中国科学家取得量子计算与模拟的突破

    最近,中国科学技术大学潘建伟、苑震生等通过对10000数量级原子的深度冷却,获得了光晶格每个格点上有且仅有一个原子的完美人工晶体,晶格缺陷降低至之前的百分之一,并利用新开发的高速纠缠门实现了高保真度纠缠对的大量制备——获得了1250个保真度达99.3%的原子纠缠对。这为下一步实现大量量子比特的纠缠态

  • 地球和太阳的“镜像”写照,发现3千光年外的类太阳和类地行星

    在已知的4000多颗系外行星中,KOI-456.04是一颗特别的行星:大小不到地球的两倍,它围绕着一颗类似太阳的恒星运行,其恒星和行星的距离,可能允许有利于生命存在的行星表面温度。该行星是由马克斯·普朗克太阳系研究所领导的一个团队发现,宿主恒星名为开普勒-160,发出可见光;另一方面,几乎所有其他系

  • 一颗行星能比它的恒星大吗?看看科学家怎么说

    一般来说,一颗巨大的恒星被较小的行星围绕,这是宇宙中恒星系统的标准。然而,宇宙之中有许多的恒星系统,会不会有一些行星比它们所围绕的恒星还要大呢?那么,行星能有多大?我们知道的最大的一个行星是什么?首先,让我们定义一个点。当我们谈到大时,我们实际上指的是一个物体的体积,而不是质量。一颗行星要成为一颗恒

  • 近代的伽利略和牛顿眼中的“时间”与“空间”的关系

    时间和空间是物质固有的一种存在形式,即时间是物质运动的延续性、间断性与顺序性,其主要的特征就是具有一维性,即不可逆性;而空间则是一个物质的广延性与伸张性状态,是一切物质的系统内各个要素之间相互共同存在和相互作用的唯一标志。时间、空间与运动之中的物质相互作用且不可分离。时间、空间在我们现代理论物理的科

  • 人内有人,天外有天?

    古人云:“人外有人,天外有天。”今天我们来细品一下这句话,并加以类比,看看人内有人,天内有天成不成立。众所周知,太阳系八大行星包括很多小行星都围绕着太阳转,而银河系里包括太阳在内的很多恒星都围绕着几个大恒星转,这是我们用望远镜看到的大的转动规律;而小的方面,我们再看原子,原子的结构是中间一个体积较小