柯譜

新聞背景

11月5日,，我國第三代導(dǎo)航衛(wèi)星——北斗三號的首批組網(wǎng)衛(wèi)星(2顆)以“一箭雙星”的發(fā)射方式順利升空,，它標(biāo)志著我國正式開始建造“北斗”全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),。那么,，北斗三號與前兩代“北斗”導(dǎo)航衛(wèi)星,，即北斗一號,、北斗二號有什么不同,？它都采用了哪些新技術(shù),？

11月5日,，我國第三代導(dǎo)航衛(wèi)星——北斗三號的首批組網(wǎng)衛(wèi)星(2顆)以“一箭雙星”的發(fā)射方式順利升空,，它標(biāo)志著我國正式開始建造“北斗”全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。那么,，北斗三號與前兩代“北斗”導(dǎo)航衛(wèi)星,，即北斗一號、北斗二號有什么不同,？它都采用了哪些新技術(shù),？

幾種衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

要搞清我國三代“北斗”導(dǎo)航衛(wèi)星的異同，首先應(yīng)了解以下幾種衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),，看看北斗一號,、二號和三號分別是屬于哪一種。

至今,，衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)已先后發(fā)展了兩大類：一類衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是采用多普勒測速原理,，即利用測量導(dǎo)航信號的多普勒頻移來求出距離變化率進(jìn)行導(dǎo)航定位，但由于這種方式存在不能連續(xù)實(shí)時導(dǎo)航等一些缺點(diǎn),，所以采用這種原理的衛(wèi)星導(dǎo)航現(xiàn)已基本沒有了,。另一類衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)采用時間測距原理，即利用測量導(dǎo)航信號傳播時間來求出距離進(jìn)行導(dǎo)航定位,，目前大多數(shù)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)都采用這種方式,，包括三代“北斗”導(dǎo)航衛(wèi)星，但即使這樣,，它們?nèi)愿鞑幌嗤?/p>

因?yàn)樾l(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)又可分有源(主動式)和無源(被動式)兩種,。我國北斗一號衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)采用有源方式，即用戶進(jìn)行導(dǎo)航定位時要主動向衛(wèi)星發(fā)送信號,，北斗二號和北斗三號衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)采用無源和有源相結(jié)合的方式,，進(jìn)行無源衛(wèi)星導(dǎo)航時，用戶只需接收導(dǎo)航衛(wèi)星信號,。美國的“全球定位系統(tǒng)”,、俄羅斯的“格洛納斯”、歐洲的“伽利略”等衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)都采用無源方式,。

根據(jù)導(dǎo)航衛(wèi)星的信號覆蓋范圍,，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)還可分為區(qū)域性衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和全球性衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),，我國的北斗一號、二號衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)以及日本,、印度的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)等屬于前者,，美國、俄羅斯,、歐洲和我國的北斗三號衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)屬于后者,。

另外，導(dǎo)航衛(wèi)星還可根據(jù)衛(wèi)星的軌道高度,，分成近地軌道,、地球中圓軌道、傾斜地球同步軌道和地球靜止軌道導(dǎo)航衛(wèi)星幾種,。我國北斗一號為地球靜止軌道導(dǎo)航衛(wèi)星,，而北斗二號和三號導(dǎo)航星座都由地球中圓軌道導(dǎo)航衛(wèi)星、傾斜地球同步軌道導(dǎo)航衛(wèi)星和地球靜止軌道導(dǎo)航衛(wèi)星組成,。目前,，美國、俄羅斯和歐洲的導(dǎo)航衛(wèi)星都運(yùn)行在地球中圓軌道,，印度和日本的導(dǎo)航衛(wèi)星星座均由傾斜地球同步軌道導(dǎo)航衛(wèi)星和地球靜止軌道導(dǎo)航衛(wèi)星組成,。

有其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)不具備的性能

目前，衛(wèi)星導(dǎo)航已成為當(dāng)今社會重要的空間信息基礎(chǔ)設(shè)施,，其應(yīng)用只受想象力的限制,，具有廣泛的社會、經(jīng)濟(jì),、科技和國防意義,。因此，我國很重視衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè),，并分三個階段實(shí)施發(fā)射，即先建造有源區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),，再建造無源與有源相結(jié)合的區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),，最終建造無源與有源相結(jié)合的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。

2000年10月至12月為第一階段,。我國先后發(fā)射了4顆北斗一號導(dǎo)航衛(wèi)星(后兩顆為備份),，它們運(yùn)行在經(jīng)度相距60°的地球靜止軌道，從而建成了世界首個有源區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),。該系統(tǒng)不僅可提供區(qū)域?qū)Ш蕉ㄎ?，還能進(jìn)行雙向數(shù)字報(bào)文通信和精密授時，特別適用于需要導(dǎo)航與移動數(shù)據(jù)通信相結(jié)合的用戶,。其服務(wù)范圍為國內(nèi),；定位精度為20米,；授時精度為100納秒；短信字?jǐn)?shù)每次為120個字,。

2007年至2012年為第二階段,。我國陸續(xù)發(fā)射了16顆北斗二號導(dǎo)航衛(wèi)星，最終建成了由14顆北斗二號(5顆靜止軌道導(dǎo)航衛(wèi)星＋5顆傾斜地球同步軌道導(dǎo)航衛(wèi)星＋4顆中圓地球軌道導(dǎo)航衛(wèi)星)組成的,、采用無源與有源衛(wèi)星導(dǎo)航方式相結(jié)合的區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),。如果說GPS只能告訴用戶什么時間、在什么地方,，“北斗”還可以將用戶的位置信息發(fā)送出去,，讓其他人可以知道用戶的情況，較好地解決了何人,、何事,、何地的問題。其服務(wù)范圍為亞太地區(qū),；定位精度為10米,；測速精度為0.2米/秒；授時精度為50納秒,；短信字?jǐn)?shù)每次為120個字,。

2017年至2020年為第三階段，我國將先后發(fā)射35顆北斗三號導(dǎo)航衛(wèi)星(5顆靜止軌道衛(wèi)星＋3顆傾斜地球同步軌道衛(wèi)星＋27顆中圓軌道衛(wèi)星),，建成采用無源與有源導(dǎo)航方式相結(jié)合的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),。其服務(wù)范圍為全球；定位精度為2.5至5米,；測速精度為0.2米/秒,；授時精度為20納秒；每次短信字?jǐn)?shù)也增加了,。它將為民用用戶免費(fèi)提供約10米精度的定位服務(wù),、0.2米/秒的測速服務(wù)，并且將為付費(fèi)用戶提供更高精度等級的服務(wù),。隨著“北斗”地基增強(qiáng)系統(tǒng)提供初始服務(wù),，它還可提供米級、亞米級,、分米級,，甚至厘米級的服務(wù)，屆時,，“北斗”的定位精度將與美國GPS相媲美,。

建成后的北斗全球?qū)Ш较到y(tǒng)將為民用用戶免費(fèi)提供約10米精度的定位服務(wù)。

具有高精度、高可靠,、高保險(xiǎn),、多功能的“北斗”全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)有一些美國、俄羅斯和歐洲全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)不具備的性能和特點(diǎn),，例如,，其空間段采用三種軌道衛(wèi)星組成的混合星座，且與其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)相比高軌衛(wèi)星更多,，因此抗遮擋能力強(qiáng),，尤其在低緯度地區(qū)性能特點(diǎn)更為明顯；北斗三號可提供多個頻點(diǎn)的導(dǎo)航信號,，能夠通過多頻信號組合使用等方式提高服務(wù)精度,；該衛(wèi)星系統(tǒng)創(chuàng)新融合了導(dǎo)航與通信能力，具有實(shí)時導(dǎo)航,、快速定位,、精確授時、位置報(bào)告和短報(bào)文通信服務(wù)五大功能,。

北斗三號亮點(diǎn)多多

由于北斗三號導(dǎo)航衛(wèi)星需采用許多新技術(shù),，為此，我國在2015年至2016年陸續(xù)發(fā)射了5顆北斗三號試驗(yàn)衛(wèi)星,，驗(yàn)證了以高精度星載原子鐘,、星座自主運(yùn)行等為代表的衛(wèi)星載荷關(guān)鍵技術(shù)，以輕量化,、長壽命,、高可靠為典型特征的衛(wèi)星平臺關(guān)鍵技術(shù)，基于星地鏈路,、星間鏈路,、全新導(dǎo)航信號體制的導(dǎo)航衛(wèi)星運(yùn)行控制關(guān)鍵技術(shù)，以及98%的國產(chǎn)化器件,，關(guān)鍵器件均為“中國造”,。

從2017年11月5日發(fā)射首批北斗三號(2顆)地球中圓軌道導(dǎo)航衛(wèi)星起，我國正式開始建造“北斗”全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),。與北斗二號相比,，除了服務(wù)區(qū)域由區(qū)域覆蓋擴(kuò)大到全球覆蓋外，北斗三號在精度和可靠性上都有很大的提高,。其單星設(shè)計(jì)壽命由以前的8年提高到10至12年，并首次提出“保證服務(wù)不間斷”指標(biāo),。

另外,，還有以下重大技術(shù)創(chuàng)新或改進(jìn)。北斗三號中圓地球軌道衛(wèi)星采用了新型的導(dǎo)航衛(wèi)星專用平臺，它具有功率密度大,、載荷承載比重高,、設(shè)備產(chǎn)品布局靈活、功能拓展適應(yīng)能力強(qiáng)等技術(shù)特點(diǎn),，可為系統(tǒng)后續(xù)功能和需求拓展提供更大的適應(yīng)能力,，將實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的定位、授時和導(dǎo)航的服務(wù)業(yè)務(wù),，兼容天基數(shù)據(jù)傳輸,、新業(yè)務(wù)載荷的在軌應(yīng)用，能作為天基數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)的廣播節(jié)點(diǎn),。作為世界上唯一的由3種軌道衛(wèi)星構(gòu)成的導(dǎo)航系統(tǒng),，北斗三號未來還將按照國際標(biāo)準(zhǔn)增加全球搜救、全球位置報(bào)告,、星基增強(qiáng)等拓展服務(wù),。

北斗三號地球靜止軌道衛(wèi)星與傾斜地球同步軌道衛(wèi)星采用大型衛(wèi)星平臺，它能集成多種載荷,，兼容實(shí)現(xiàn)天基增強(qiáng),、可動點(diǎn)波束功率增強(qiáng)、短報(bào)文通信與位置報(bào)告等系統(tǒng),；成為天基數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點(diǎn),。

北斗三號衛(wèi)星星座首次配備了相控陣星間鏈路(在衛(wèi)星之間搭建的通信測量鏈路)，解決了境外監(jiān)測衛(wèi)星的難題,，成為一大特色,。這樣能實(shí)現(xiàn)對運(yùn)行在境外的衛(wèi)星進(jìn)行監(jiān)測、注入功能,，并可實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星之間的雙向精密測距和通信,，從而能夠進(jìn)行多星測量，自主計(jì)算并修正衛(wèi)星的軌道位置和時鐘系統(tǒng),，大大減少對地面站的依賴,，提高整個系統(tǒng)的定位和服務(wù)精度。星間鏈路是“北斗”實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航的關(guān)鍵,，不僅實(shí)現(xiàn)了北斗衛(wèi)星相互間的通信和數(shù)據(jù)傳輸,，還能相互測距，自動“保持隊(duì)形”,，減輕地面管理維護(hù)壓力,。所謂自主導(dǎo)航，就是指即使地面站全部失效,，30多顆“北斗”導(dǎo)航衛(wèi)星也能通過星間鏈路提供精準(zhǔn)定位和授時,，地面用戶通過手機(jī)等終端接收導(dǎo)航衛(wèi)星的信號，仍舊能進(jìn)行定位及導(dǎo)航。

眾所周知,，導(dǎo)航衛(wèi)星上的原子鐘性能對整個衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的性能有重要影響,。北斗三號衛(wèi)星采用我國新型高精度銣原子鐘和氫原子鐘。與北斗二號衛(wèi)星采用的原子鐘相比,，北斗三號上的原子鐘在產(chǎn)品體積,、重量方面大幅降低，每天的頻率穩(wěn)定度提高了10倍,，綜合指標(biāo)達(dá)到國際領(lǐng)先水平,。其上的氫原子鐘精度將比北斗二號的星載銣原子鐘提高一個數(shù)量級。銣原子鐘天穩(wěn)定度為每1萬秒誤差10－14秒量級,，氫原子鐘天穩(wěn)定度為每1萬秒誤差10－15秒量級,。原子鐘技術(shù)的進(jìn)步，直接推動了“北斗”系統(tǒng)的定位精度由10米量級向米級跨越,，測速和授時精度同步提高一個量級,。

北斗三號進(jìn)一步提升了連續(xù)性、穩(wěn)定性和可用性的指標(biāo),，采用多項(xiàng)新技術(shù)提高了衛(wèi)星的抗干擾能力,，非計(jì)劃中斷指標(biāo)為每年0.4次，達(dá)到國際先進(jìn)水平,。它采用了多重可靠性“加固”措施,，可最大限度增強(qiáng)系統(tǒng)的保險(xiǎn)系數(shù)。比如,，系統(tǒng)建成后運(yùn)行衛(wèi)星數(shù)量大于服務(wù)必需衛(wèi)星數(shù),，即衛(wèi)星有備份；配備了多臺銣原子鐘,，形成“雙保險(xiǎn)”一起提供服務(wù),；還采用了軟件冗余、故障自我診斷和故障自我修復(fù)等多項(xiàng)措施,，可保證系統(tǒng)可靠性,。

該衛(wèi)星還在世界上首次實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星的在軌自主完好性監(jiān)測功能，這一功能對民航,、自動駕駛等生命安全領(lǐng)域用戶來說,，具有極強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。它將增加性能更優(yōu)的互操作信號,，即與世界其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)兼容性更好的信號B1C和B2a信號,。其全新的導(dǎo)航信號體制和強(qiáng)大的在軌重構(gòu)功能，也將極大地提升用戶體驗(yàn),，因?yàn)橥ㄟ^兼容互操作技術(shù),，可為用戶能在終端上接收多個信號奠定基礎(chǔ),，給用戶提供多種選擇方案。

根據(jù)計(jì)劃,，2018年前后完成18顆北斗三號衛(wèi)星發(fā)射，屆時將面向“一帶一路”國家和地區(qū)提供基本服務(wù),。到2020年前后,，北斗三號系統(tǒng)面向全球提供全天候、全天時為各類用戶提供高精度,、高可靠的定位,、導(dǎo)航、授時服務(wù),?！氨倍贰卑l(fā)展藍(lán)圖是構(gòu)建國家綜合定位、導(dǎo)航和授時體系建設(shè),，以“北斗”系統(tǒng)為核心,，建成天地一體(包括太空、地面,、水下,、室內(nèi))、覆蓋無縫,、安全可信,、高效便捷的國家綜合定位、導(dǎo)航和授時體系,。

延伸閱讀

北斗衛(wèi)星是怎么導(dǎo)航定位的

我國第一代導(dǎo)航衛(wèi)星北斗一號與第二代導(dǎo)航衛(wèi)星北斗二號以及第三代導(dǎo)航衛(wèi)星北斗三號在工作原理上有明顯不同之處,。

北斗一號衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是通過采用衛(wèi)星無線電測定業(yè)務(wù)方式來確定用戶的位置。在平時,，地面中心站經(jīng)2顆北斗一號地球靜止軌道衛(wèi)星不斷向用戶詢問是否需要定位的信號,，而用戶終端一般只處于光收聽不發(fā)信息的狀態(tài)。當(dāng)需要定位時,，用戶終端分別經(jīng)2顆北斗一號地球靜止軌道衛(wèi)星向中心站發(fā)送需要定位的申請信號,。這時，地面中心站通過測量信號的往返時間來算出用戶終端分別到每顆衛(wèi)星的距離,。由于衛(wèi)星的位置是已知的,，所以可以用這2個距離測量數(shù)據(jù)進(jìn)一步推算出用戶位置。最后,，地面中心站將該定位信號經(jīng)1顆衛(wèi)星傳給用戶終端,。

采用這種方式的優(yōu)點(diǎn)所需衛(wèi)星少，只要2顆衛(wèi)星就行,；具有導(dǎo)航定位,、發(fā)短報(bào)文和精密授時等多種功能,。但其定位精度不高，系統(tǒng)用戶容量有限,。

北斗二號和北斗三號衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在國際首次實(shí)現(xiàn)了采用衛(wèi)星無線電測定業(yè)務(wù)和衛(wèi)星無線電導(dǎo)航業(yè)務(wù)相結(jié)合的集成體制方式來為用戶導(dǎo)航定位,。所謂衛(wèi)星無線電導(dǎo)航業(yè)務(wù)，就是用戶被動測量來自至少4顆在衛(wèi)星時鐘控制下的導(dǎo)航衛(wèi)星連續(xù)發(fā)送的無線電導(dǎo)航信號,，并根據(jù)這些衛(wèi)星信號的不同傳輸時間,，來測定用戶到這些衛(wèi)星的不同距離，然后通過用戶終端的數(shù)學(xué)運(yùn)算得到用戶的三維坐標(biāo)與速度,。