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听说北斗上王者了?全靠这些技能
发布时间:2019-01-08
出品:科普中国
制作:陈威屹
监制:中国科学院计算机网络信息中心

  不久前,中国宣布了一个喜大普奔的好消息,北斗系统开始提供全球服务了。1994北斗工程正式立项以来,已经走过了20多个年头。今天,北斗系统终于建成基本系统,并在10万参试人员的努力下全部实现了“自主可控”的要求,这实在是太不容易了! 

  现阶段能配得上叫“全球系统”导航系统有4个:GPS、北斗、伽利略、格洛纳斯。相比于国外的几个系统,北斗一代系统只能算一个“青铜”,后来发展到北斗二代算“砖石”,在广大科研人员的努力下,今天的北斗三号加持了诸多神技能把我国的卫星导航系统送上“王者”。 

  北斗到底有多牛?都有哪些技能?今天笔者就来带你见识一下。 

 

从左到右依次为北斗一号、北斗二号、北斗三号(图片来源:王者荣耀游戏 

北斗一号(2003年)北斗卫星导航试验系统已建成(作者制作) 

北斗二号(2012年)多星区域无源导航系统已建设(作者制作) 

 

北斗三号(2020年)北斗全球系统基本系统建成(作者制作) 

    

  技能一:星间链路 

  星间链路示意图(作者制作) 

  美国的GPS霸占王者几十年,很重要的一点是GPS全球布站,每一个地面站如同“防御塔”一般遍布全球,让其GPS卫星在任意位置都处在“防御塔”的辐射范围内,可以“随意输出”。但是北斗系统很难像GPS系统那样在全球大范围建立自己的“防御塔”——地面站,所以境外卫星的数据传输通道就成了问题。此时,北斗三号启动一技能:星间链路! 

  通过在卫星之间搭建通信测量链路,北斗采用ka频段中速星间链路实现星间、星地传输,实现卫星与卫星、卫星与地面站的链路互通。 

  不仅如此,星间链路还能让卫星之间在太空中相互测距校准,自动保持队型。“卫星之间手拉手,革命路上一起走。”这就好比北斗卫星拉了一个微信群,大家可以愉快地“聊天”。即使和地面中断联系,它也能照常提供服务! 

  有了星间链路,我们就可以不依赖于全球建站,与星座中的任何卫星相连,就可以依靠境内的地面站管理全球的卫星,使我们的导航系统能够独立自主的运行,且具有很强的抗干扰性。我们再也不用惧怕别人发动“冷藏技能”造成“伤害”,并且还能与其他类型卫星相关联,联网的数量可达上百颗,实现我国卫星之间联网。“天地之间万物互联”也为期不远啦! 

星间链路仿真图(作者制作) 

    

  技能二:高精度原子钟 

  成为高手关键就在于技能之间的完美衔接配合,只有把握好每个技能释放的“时间点”,才能完成一波精妙的技能combo。导航系统几乎都是依靠原子钟来“掌握”时间的精度,时间精度就是卫星导航的“命门”,天地间时间越同步、误差越小,定位精度越高。 

  北斗三号“二技能”:高精度星载原子钟! 

  其稳定度达到E14量级,这相当于300万年只有1秒误差。这一技术进步,直接推动了我国全球导航系统定位精度,让导航系统的时频精度提高了一个量级,使原子钟能够连续无缝、不间断地工作,让北斗系统能够更加精准的“释放每个技能”,更加完美的完成各项工作。北斗三号星载时频系统增加了卫星钟完好性监测与卫星钟自主平稳切换等功能,多个原子钟保持同步,当主工作原子钟在轨出现故障后,卫星能够自主诊断并平稳切换,保证卫星时频信号的连续性,极大提高了导航信号与服务的可靠性和完好性。它直接推动北斗三号系统定位精度从原来的10米跨越到“米级”,测速和授时精度也将同步提高一个量级。由之前“青铜”的区域系统10米精度,跨越到“王者”全球系统米级分辨率,测速和授时精度同步提高一个量级。 

    

    

  技能三:新信号体制  

  中、美、欧、俄的导航系统,之前是各玩各的彼此独立,2017年,中美双方签署了《北斗与GPS信号兼容与互操作联合声明》,中国北斗与美国GPS将实现信号兼容,两系统在国际电联(ITU)框架下实现射频兼容,实现了民用信号互操作。啥是兼容互操作?从用户层面来讲,一般来说,接收机需要同时收到至少4颗导航卫星信号,才能实现定位。如果使用单一导航系统,可能在某一区域上空卫星数量有限,冗余不足,一旦接收机与某颗卫星断开联系,会影响定位服务的持续性。北斗与GPS实现互操作以后,用户用一台接收机能同时接收两个系统的卫星信号,如GPS卫星数量不够的话,还有北斗卫星,定位的稳定性和精度会更高。 

    

  北斗三号新增了B1C公开信号,并对B2信号进行了升级,采用新设计的B2a信号替代原B2I信号,实现了信号性能的提升,更好地满足兼容互操作。 

  导航系统兼容和互操作,在用户层面能够获得比单独使用一种系统更好的服务,进一步提升导航定位精度,将为用户带来更优质、便捷的服务,更好地服务全世界的用户。 

作者制作 

  技能连发:天罗地网实现高精度 

  北斗系统是由“天罗地网”组成,“天罗”由导航卫星组成,“地网”由超过1800个地基增强站组成。北斗在天上“卫星网”和地上“一张网”的支持下,定位精度可至“厘米级”。 

  你或许会困惑,北斗卫星已经能够实现导航定位功能,为什么还要有地面网的支持?由于受到卫星轨道误差、卫星钟差等系统性因素影响,卫星导航系统的误差难以消除。这个时候可以通过在地面建立地基增强站,以定位算法获得定位数据差分信息,再进行大范围播发,帮助各类终端实现高精准定位。 

  北斗三号系统的定位精度与当前相比提升了12倍,达到2.5米至5米水平。系统完全建成后,将为用户免费提供约10米精度的定位服务和每秒0.2米的测速服务。而随着北斗地基增强系统“地面网”的“加盟”,服务精度达到厘米级,成为当之无愧的国之重器 

  北斗系统从弱小的“青铜”一路“打怪”,攻克了100多项关键技术,实现了国产化自主可控,成为今天的“王者”。辉煌的成就背后是默默付出了几十年光阴的10万北斗人。在此让我们向这些辛劳的科研人员致敬!祝愿北斗系统再创辉煌! 

    

  参考文献: 

  1.中国科学报:《杨元喜院士解读北斗三号比二号“高”在何处》

  2.总设计师林宝军:《北斗三号卫星攻克了100多项技术难题》

  3.中国北斗卫星导航系统官网:《北斗三号卫星的创新和技术特点》

  4.中国新闻网:《“精度+稳度” 北斗卫星为什么这么牛》

  5.中国青年报:《星间链路,离“万物互联”不远了》

  6.中国青年报:《北斗“心脏”:一只“300万年1秒误差”的钟》

  7.经济日报:《天地“一张网” 北斗显“高精”》

 

  (本文中标明来源的图片均已获得授权)

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