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近来,有一则新闻引起了览览的留意......

到本年六月,共有35颗斗极卫星投入运用,创下了全球卫星导航体系组网最快纪录。国际四大体系中,美国GPS体系最快纪录为一年6星,苏联/俄罗斯格洛纳斯(GLONASS)体系为一年9星,欧洲伽利略(Galileo)体系为一年6星。

2018年11月16日斗极卫星全球可见状况,亚太区域现已逐步点亮(图自:beidou.gov.cn)

Part.1

为什么建造斗极体系?

想必会有许多人问起这个问题:老练的GPS体系现已开展了30多年,商业规划化做得十分廉价、高效,为什么还要花巨额资金建造自己的斗极体系?

事实上,GPS实质是一个军用卫星导航体系,隶属于美国空军,终年坚持32颗在轨作业。这个体系首要包含军用码和民用码两种信号,清楚明了,军码和民码的精度等级不在一个量级,前者是毫米等级,后者是分米等级(仍是美国撤销信号搅扰后)。

依靠GPS导航的战斧式巡航导弹是“外科手术式冲击”的闻名兵器之一(图自:Wikipedia)

GPS的呈现,为人类战役史贡献了一个新词“外科手术式冲击”,该词起源于1990年的海湾战役,GPS精细制导兵器锋芒毕露。最典型的比如是本来需求数十架轰炸机、投弹数百吨才干完结的塘坝轰炸使命,变成仅需2枚导弹在数百公里外突袭发射即可,乃至第二枚可以通过榜首枚炸开的大坝缺口钻进去。后续战役中,各种精准冲击的比如举目皆是。现在,美军除了子弹以外简直一切会动的兵器、配备、战士都携带了GPS定位模块。

它关于民用的含义也极大。咱们日常日子中用到的定位服务,包含但不限于地图导航、同享单车/打车等,都依靠GPS。大型电网、金融交易、电信通讯等都需求星上原子钟精细授时。科学范畴,许多研讨地球重力场、磁场、板块运动、大气、海洋、冰川、自然灾害的卫星,都需求GPS体系协助卫星精细定轨。大型基建工程,例如高铁、大桥、机场建造,也需求GPS标定。新式技能中自动驾驶、精准农业亦是如此。

但GPS是不以你的利益为榜首位的,它是以美国利益为榜首位,无可厚非。前期,GPS体系在一切的民用信号上放了搅扰。后来为应对俄罗斯/苏联的格洛纳斯体系应战,撤销了这个搅扰(2000年5月2日),然后定位精度就得到极大前进。

去除自动搅扰后,GPS定位精度大大前进

(图自:schlaggo.de)

作为运营者,中止GPS服务、添加搅扰、乃至供给虚伪方位服务信息,都具有可履行性,这不只关于民用,关于军用更是丧命的。1999年印巴Kaigil战役期间,美国直接关停了印巴战区的一切GPS服务,导致两边依靠GPS的设备无法运用,给两边形成巨大损失。这件作业之后,印度彻底抛弃了本来依靠GPS增强印度区域服务的卫星导航体系建造,决计自己做一套独立的体系(现在仅有日本的QZSS/准天顶体系是依靠GPS)。

欧盟亦是如此主意,但是我国从前抛出橄榄枝后并没有所以然,中心技能对咱们仍然是封闭的。那么问题来了,我国不依靠GPS、改成依靠伽利略体系就是好作业了?印度都在搞自己家的体系,咱们要不要自己搞一套?

所以曩昔20多年内,我国航天人白手起家,以启山林,从试验阶段开端走,逐步完结区域有源定位(2004)、区域无源定位(2012)和全球无源定位(2020),这就是斗极一代、二代和三代,逐步把握独当一面的中心技能。现在是斗极三代建造的中心期,大约将在2020年完结悉数建造。

Part.2

斗极有哪几个特色?

在我国长时刻航天技能堆集和导航体系技能开展的后发优势下,我国采纳了一套与其他任一导航体系都天壤之别的思路。

1. 三种轨迹

现在别的三个全球卫星定位体系都选用间隔地上20000千米左右的中圆卫星轨迹,而斗极是仅有选用三种轨迹调配的星座:27颗卫星处在间隔地上21500千米的中圆轨迹,散布在三个轨迹面上,坚持55度倾角;5颗卫星采纳赤道上空35800千米高的地球停止轨迹;3颗卫星处在地球同步轨迹(也挨近35800千米高)、坚持约55度倾角。

GPS星座(左)和斗极星座(右)的比照(左图来历:Wikipedia)

这样带来必定优点:卫星定位需求接纳机收到至少4颗卫星信号。27颗中圆轨迹卫星为主力,环绕地球一圈的轨迹周期约为12小时,可以坚持对全球范围内任一点的安稳掩盖,在恣意时刻、恣意地址观测到6颗星以上,契合惯例卫星定位体系需求。55度倾角的规划,也添加了对人口稠密的地球中低纬度区域掩盖。

斗极的地球停止轨迹和歪斜同步轨迹则是为我国乃至亚太区域特别定制而来。日本具有四颗歪斜同步轨迹的准天顶体系,用以前进GPS在日本的运用精度,我国相当于在规划之初就有亚太专属服务。两种高轨卫星的轨迹周期与地球自转24小时周期彻底同步,因此相对而言5颗卫星停止在赤道上空,3颗卫星因为倾角设置相对地上做固定周期的运动,投影轨迹一向留在亚太及沿赤道对称区域,抗遮挡才能强。因此在亚太区域可以简直永久坚持至少12颗卫星可见,大幅前进该区域定位精度。在合作地上建造的增强基站状况下,完结分米乃至厘米级定位亦很实际。

可以从卫星轨迹在地上投影看出斗极的亚太服务专属:蓝色8字形轨迹为歪斜同步卫星,红点为地球停止卫星,绿色为服务全球的中圆轨迹卫星(未悉数展现)(图自:参考文献1)

其间,高轨卫星轨迹发射和入轨要求比较高,现在只能履行一箭一星使命。但关于中圆轨迹卫星而言,跟着我国远征系列火箭上面级的逐步老练,相当于有了卫星载荷送入太空后的可屡次焚烧发动“太空摆渡车”,可以完结一箭双星,大大前进了功率。因此,2018中8次使命成功安置了16颗中圆轨迹卫星,2次使命完结2颗高轨卫星,可以搭载远征一号的长三乙火箭也成为了“金牌火箭”。

斗极一箭双星的功臣:长征三号乙火箭(左)和远征一号上面级(右)(图源见水印)

2. 三种作业频率

电离层会影响电磁波传达,是卫星导航定位的最大差错源,有必要消除。电离层的搅扰与卫星信号频率相关,因此选用至少双频信号可以构建电离层推迟批改模型最大极限去除这部分搅扰要素,对定位精度的前进十分显着,三频则可以构建更杂乱模型消除高阶影响。

此外,在三个频段上发射也添加了不同信号(军用、民用)的调制选项,抗搅扰才能得到前进,也前进定位可靠性,关于厘米级乃至毫米级定位中最中心的载波相位含糊度解算也大有益处。正因如此,近些年来本来双频信号的GPS体系也在扩展成三频体系。可见,斗极的后发优势显而易见。

3. 短报文体系

斗极还有一个独门绝活:短报文体系,简而言之是通过卫星完结六合双向通讯。其他三大体系都不存在接纳机和卫星之间的双向通讯,仅仅单向接纳。斗极这功用意味着卫星可以向具有此项授权服务的接纳机发送专属消息,例如大洋之上、深山老林等特别状况并没有任何手机信号,发作紧急状况时高轨斗极卫星可以及时与地上互动。关于军事行动的含义更是无法形容。

此外,部分斗极卫星还携带了国际Cospas-Sarsat卫星辅佐查找和应急救援方案的有用载荷,在发作紧急状况时可以参加国际合作的应急救灾作业中。

4. 星间链路通讯

导航卫星体系需求长时刻坚持,这意味着需求地上监控站、主控站、注入站等系列部分。关于全球性导航定位体系而言,这些站点方位散布也有要求,但这会进一步添加体系运营本钱。例如GPS就具有5个监控站,1个主控站和3个注入站,简直均匀散布在全球的美国疆域/军事基地中,每年开支不菲。

关于斗极而言,不只有全球建站安全性的问题,还有运营本钱的问题,有必要最大极限开发本身优势:高中轨迹调配的卫星星座,使它们之间可以相互联络,互相不再孤立。这意味着斗极只需完结我国境内主控、监控和注入,而高轨卫星“登高望远”可以与体系内其他卫星进行星间链路链接。此外,星间链路本身也可以用来测距,关于前进星座轨迹精度大有裨益。体系内部的自我通讯也可以使得全体抗搅扰才能大大增强。

Part.3

斗极究竟能服务多少用户?

关于需求六合通讯的短报文服务而言,数量取决于卫星容量,这个数字现在尚不确认,但肯定会逐步前进满意用户需求。实际上需求此功用的用户极端有限,关于绝大部分仅需知道本身方位信息的用户而言,斗极卫星定位的理论运用数量上限就是:没有数量上限,无数个。

因为斗极三代基本功用是一种无源定位体系,每一颗导航卫星的实质就是告知你这么一个作业:现在几点了(时刻t0),我在哪里(x0,y0,z0)。

用户只需接纳到四颗卫星信号,即可准确确认本身方位和时刻(图自:参考文献2)

当你(接纳机)收到信号时,可以比对得到接纳机上时刻与接纳到的卫星信息显现时刻之间间隔,这个间隔乘以光速就是你和卫星之间的间隔(还有一个办法是数中心隔了多少个信号波长)。卫星因为有专门的科学家坚持,它的方位极端准确,在1厘米等级;它的钟是原子钟,几千万年才或许错1秒,它的一切信息可以以为无差错。

那么你只需求解出四个参数:在地球上的三维坐标x,y,z和钟差(究竟用户的石英钟不或许和原子钟精度比较,需求把它的差错做一个未知数解出来)。观测到四个卫星,就可以构建四个方程,解出四个未知数。斗极建成后在亚太区域则彻底可以确保到12颗以上,数量越多,精度越高。

所以,对卫星而言,永久只做一件作业:往地上发信号,一向在说我在哪儿,几点了,卫星不需求做任何辅佐你的核算。用户只要能收到信号进行解算即可,与这些卫星没有任何沟通,也不耗费它们任何一丝能量,因此理论上无限用户量。

Part.4

什么时候能建好?

现在,在最前期的4颗试验性质卫星之外,自2007年起斗极体系现已布网了43颗卫星,其间有一些现已失效退役,坚持运转状况的有约20颗。

通过一年的快速建造,斗极三代的中圆轨迹卫星现已安置多半,今日发射的两颗是斗极三代中圆轨迹第18、19星,地球停止轨迹卫星现已安置一颗。在下一年之前,我国还将发射3颗停止轨迹卫星、3颗歪斜同步轨迹卫星和6颗中圆轨迹卫星,到时完好的斗极将会建造结束。关于全球民用定位而言,可以完结不亚于GPS的定位精度,而在亚太区域因为高轨卫星的存在定位精度将会更高。

Part.5

面临的应战是什么?

脚踏实地讲,斗极尽管具有后发优势,但并不意味着可以短期完结后发制人。卫星导航体系一经建成便需求长时刻坚持、继续出资,最有用的方法就是军民交融、从民用商场盈余。通过几十年的布局和规划化运用,GPS在民用商场抢先优势显着,仍然处在肯定抢先定位。越大规划服务价格就会越低,总收入却因为规划效应添加,进一步促进建一个更好的体系,进一步独占。这也是本来军用的GPS体系之所以长盛不衰、乃至仍然在快速迭代前进的底子要素。

卫星导航设备和附加设备产量估量(图自:参考文献3)

依照欧洲全球定位研讨中心的估量,2025年左右国际范围内的卫星导航定位设备需求量将超越92亿部,而年产量乃至超越2680亿欧元,这是个海量的商场,其间亚太商场的增长速度傲世全球,年增速可以到达40%以上,远超欧美的10-20%左右。

对斗极而言,现在是一个最黄金的开展时期,但它最大的竞争对手仍然是GPS体系。与此同时,面临俄罗斯格洛纳斯体系的从头复苏和也在快速组网的欧洲伽利略体系,斗极只能做到更快。我国和亚太有海量的商场,快速占有这个民用商场才是导致体系可以长时刻健康开展的最中心应战。

问题已然现已很明亮,我国航天人应该怎么答复?

参考文献:

1. Lou, Yidong & Liu, Yang & Shi, Chuang & Yao, Xiuguang & Zheng, Fu. (2014). Precise orbit determination of BeiDou constellation based on BETS and MGEX network. Scientific reports. 4. 4692. 10.1038/srep04692.

2. Adeyemi, Sijuade & Omidiora, Elijah & Olabiyisi, Stephen & Okediran, Oladotun & Olufikayo, Adedapo. (2015). Development of a Global Positioning System-Enabled Electronic Voting System. 17. 2278-661. 10.9790/0661-17333441.

3. GNSS Market Report, Issue 5, copyright © European GNSS Agency, 2017.

出品:科普我国

制造:太空精酿

监制:我国科学院核算机网络信息中心

来历:我国科普饱览