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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(huo)許是因為巧合，北斗衛星導航系(xi)統(tong)與(yu)“三(san)(san)(san)”結下(xia)不(bu)解之緣，蘊含一系(xi)列與(yu)“三(san)(san)(san)”有關的(de)奧秘。在(zai)北斗三(san)(san)(san)號全(quan)球系(xi)統(tong)建設迎來“收官戰(zhan)”之際，讓我們一起探索“北斗”的(de)“三(san)(san)(san)”的(de)奧秘。

經過梳(shu)理，筆者(zhe)總結出“北(bei)斗”與“三”有關的(de)9個方面，涵(han)蓋其(qi)發展戰略(lve)、系統(tong)架構、星座配置、工作(zuo)原理、信號體制、服務規(gui)劃、未來愿景等(deng)。這些充分彰顯了北(bei)斗衛星導航系統(tong)作(zuo)為重要的(de)國際空間基礎設施的(de)建設歷程(cheng)、鮮明特點、獨特價值和杰出貢獻。

①“三步走”戰略

北(bei)(bei)(bei)(bei)斗(dou)(dou)(dou)衛(wei)(wei)星導航系(xi)統(tong)“三步(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)走(zou)”發展戰略(lve)為公眾所(suo)熟悉。實(shi)際(ji)上，即(ji)使不熟悉相關(guan)信息，對北(bei)(bei)(bei)(bei)斗(dou)(dou)(dou)衛(wei)(wei)星導航系(xi)統(tong)“三步(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)走(zou)”戰略(lve)具體內涵不甚了了，人(ren)們也能從“北(bei)(bei)(bei)(bei)斗(dou)(dou)(dou)一號”“北(bei)(bei)(bei)(bei)斗(dou)(dou)(dou)二(er)號”“北(bei)(bei)(bei)(bei)斗(dou)(dou)(dou)三號”的名稱(cheng)，解(jie)讀步(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)步(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)為營(ying)步(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)步(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)高(gao)的意味。

第一步(bu)，建(jian)成北斗一號(hao)，衛(wei)星導(dao)航系(xi)統(tong)(tong)從無(wu)到有(you)(you)，服(fu)務(wu)(wu)自身。1994年(nian)，北斗一號(hao)建(jian)設啟(qi)動；2000年(nian)，發(fa)射2顆(ke)地球靜止軌道(dao)（GEO）衛(wei)星，建(jian)成系(xi)統(tong)(tong)并(bing)投入(ru)使用，采(cai)用有(you)(you)源定位體(ti)制，為中國(guo)用戶提供定位、授時、廣域差分和短報文通信服(fu)務(wu)(wu)；2003年(nian)，發(fa)射第3顆(ke)地球靜止軌道(dao)衛(wei)星，進一步(bu)增強(qiang)系(xi)統(tong)(tong)性(xing)能。北斗一號(hao)的建(jian)成使中國(guo)成為繼美、俄之后(hou)第三個(ge)擁有(you)(you)衛(wei)星導(dao)航系(xi)統(tong)(tong)的國(guo)家。

第二(er)步(bu)，建成(cheng)北(bei)斗二(er)號，服務亞(ya)太。2004年(nian)，北(bei)斗二(er)號建設啟動；2012年(nian)，完成(cheng)14顆衛星(xing)發射組網。北(bei)斗二(er)號增(zeng)加無(wu)源定(ding)位(wei)體(ti)制(zhi)，創新性(xing)采用中高軌混合星(xing)座架構，服務覆蓋(gai)亞(ya)太地區。

第三步(bu)：旨在建成(cheng)北(bei)斗(dou)三號(hao)(hao)，提(ti)供全(quan)球服(fu)務(wu)(wu)。2009年(nian)，北(bei)斗(dou)三號(hao)(hao)建設啟動；計(ji)劃于2020年(nian)完成(cheng)30顆衛星發射(she)組網，全(quan)面建成(cheng)北(bei)斗(dou)三號(hao)(hao)系統。北(bei)斗(dou)三號(hao)(hao)繼承有(you)源服(fu)務(wu)(wu)和無源服(fu)務(wu)(wu)兩種(zhong)技(ji)術體制，為(wei)全(quan)球用戶(hu)提(ti)供基本導(dao)航(hang)、全(quan)球短報(bao)文(wen)(wen)通(tong)信和國際搜救服(fu)務(wu)(wu)，同時可為(wei)中國及周邊(bian)地區用戶(hu)提(ti)供區域短報(bao)文(wen)(wen)通(tong)信、星基增強和精(jing)密單點定位(wei)等(deng)服(fu)務(wu)(wu)。

②“三部分”構成

北斗衛(wei)星導航(hang)系統是復雜完(wan)備(bei)的軟(ruan)硬(ying)件體系，包括空間段(duan)、地(di)面(mian)段(duan)和用戶段(duan)“三(san)部(bu)分(fen)”。

空間(jian)段(duan)：“北(bei)(bei)斗”給人們留下印(yin)象最(zui)深刻的(de)無疑是運行在九天(tian)之上的(de)衛星，它們就(jiu)是“北(bei)(bei)斗”的(de)空間(jian)段(duan)。近年(nian)來(lai)，北(bei)(bei)斗衛星密(mi)集發射(she)升空，形成了中國(guo)航(hang)天(tian)壯觀的(de)景象。北(bei)(bei)斗三號的(de)空間(jian)段(duan)由(you)30顆衛星組成，截(jie)至目前，已經(jing)成功發射(she)組網29顆，即將迎來(lai)發射(she)收官戰。

地(di)面(mian)段：北(bei)斗(dou)衛(wei)星并不能單獨將(jiang)信號(hao)傳(chuan)輸到終端，而是(shi)經(jing)過地(di)面(mian)設施(shi)完成數據接(jie)收(shou)、整理、傳(chuan)輸等(deng)，這就(jiu)是(shi)“北(bei)斗(dou)”的(de)(de)地(di)面(mian)段。該部分包(bao)括基(ji)準站、主控站、時間(jian)同步/注入站和監測站等(deng)。此外，對導(dao)航衛(wei)星之間(jian)進行(xing)星間(jian)鏈(lian)路運行(xing)管理的(de)(de)設施(shi)也是(shi)地(di)面(mian)段的(de)(de)一部分。

用(yong)戶段(duan)：用(yong)戶段(duan)包括“北斗”及(ji)(ji)兼容(rong)其他衛星導(dao)航系統(tong)的芯片、模塊、天線等基(ji)礎產品(pin)，以及(ji)(ji)終(zhong)端設(she)備、應用(yong)系統(tong)與應用(yong)服務等。它們中(zhong)有很(hen)多是消費(fei)者直接購(gou)買使用(yong)的終(zhong)端產品(pin)，為人們所熟知。

③“三軌道”混合

北(bei)斗衛星(xing)(xing)導航系統(tong)是由地(di)球靜(jing)止軌道衛星(xing)(xing)、傾斜(xie)地(di)球同步軌道衛星(xing)(xing)和地(di)球中圓軌道衛星(xing)(xing)三種軌道衛星(xing)(xing)組成的混(hun)合(he)導航星(xing)(xing)座。

地球(qiu)靜止軌道(dao)(dao)(dao)衛星：顧(gu)名思義(yi)，這種衛星相對(dui)地球(qiu)靜止，運行軌道(dao)(dao)(dao)高度約3.6萬(wan)公里，其軌道(dao)(dao)(dao)面與地球(qiu)赤道(dao)(dao)(dao)面之間的夾角為0度，單星覆蓋(gai)區域較大，3顆衛星可覆蓋(gai)亞(ya)太大部分(fen)地區。

傾(qing)斜地球同(tong)步軌(gui)道衛星：軌(gui)道高度與(yu)地球靜止(zhi)軌(gui)道衛星相同(tong)，其(qi)軌(gui)道面與(yu)地球赤(chi)道面之間的夾角為(wei)55度，星下點軌(gui)跡為(wei)“8”字，始終(zhong)聚(ju)焦亞太地區。

地球(qiu)中圓軌道(dao)(dao)衛星(xing)(xing)：軌道(dao)(dao)高度約2.15萬公里，其軌道(dao)(dao)面與地球(qiu)赤道(dao)(dao)面之間(jian)的夾角為(wei)55度，繞地球(qiu)旋轉運行，通過多顆衛星(xing)(xing)組網可(ke)實現全球(qiu)覆(fu)蓋(gai)，“北斗(dou)”地球(qiu)中圓軌道(dao)(dao)衛星(xing)(xing)星(xing)(xing)座(zuo)回歸特性(xing)為(wei)7天13圈。

“北斗(dou)”獨創的三軌(gui)混(hun)合星(xing)(xing)座設計(ji)，既(ji)能實現全球覆蓋、全球服務，又可(ke)(ke)為亞(ya)太大部分地區用戶(hu)提供(gong)更高(gao)性(xing)能的定位導航授時服務。亞(ya)太大部分地區，每時可(ke)(ke)見(jian)約12至16顆(ke)衛(wei)星(xing)(xing)，全球其他地區每時可(ke)(ke)見(jian)4至6顆(ke)衛(wei)星(xing)(xing)，衛(wei)星(xing)(xing)可(ke)(ke)見(jian)性(xing)和幾何(he)構型較好。

④“三球交匯”定位

提供位置信息是導航衛(wei)星的(de)主要服務(wu)內容之(zhi)一(yi)，北斗是如何實現精準定位的(de)呢？

導(dao)航衛星(xing)(xing)發射測距信(xin)號和導(dao)航電(dian)文(wen)，導(dao)航電(dian)文(wen)中(zhong)含有(you)衛星(xing)(xing)的(de)位(wei)置(zhi)信(xin)息。用(yong)(yong)戶(hu)(hu)接收(shou)機(ji)在某一時(shi)(shi)刻同時(shi)(shi)接收(shou)三(san)顆(ke)(ke)以(yi)上(shang)衛星(xing)(xing)信(xin)號，測量出用(yong)(yong)戶(hu)(hu)接收(shou)機(ji)至三(san)顆(ke)(ke)衛星(xing)(xing)的(de)距離，通過星(xing)(xing)歷解(jie)算(suan)出的(de)衛星(xing)(xing)的(de)空間坐標，再利用(yong)(yong)距離交會法就(jiu)(jiu)解(jie)算(suan)出用(yong)(yong)戶(hu)(hu)接收(shou)機(ji)的(de)位(wei)置(zhi)。整個過程(cheng)就(jiu)(jiu)是“三(san)球交會”定(ding)位(wei)原理在衛星(xing)(xing)導(dao)航領域(yu)中(zhong)的(de)體現(xian)。

北(bei)斗(dou)衛(wei)星(xing)導(dao)航(hang)系統像美國的(de)GPS，俄羅(luo)斯的(de)格洛納斯、歐(ou)洲伽利略(lve)一(yi)樣，也是(shi)應(ying)用(yong)“三球交(jiao)(jiao)會”定位原理(li)進(jin)行定位的(de)。其具(ju)體流程是(shi)，北(bei)斗(dou)用(yong)戶接(jie)收機同時測量自(zi)身到至少三顆衛(wei)星(xing)的(de)距(ju)離；各衛(wei)星(xing)的(de)位置通過導(dao)航(hang)電(dian)文播發給(gei)用(yong)戶；以衛(wei)星(xing)為球心，距(ju)離為半徑畫球面；三個球面相交(jiao)(jiao)得兩個點，根據地理(li)常(chang)識排除(chu)一(yi)個不(bu)合理(li)點即(ji)得用(yong)戶位置。

⑤“三要素”服務

定位或(huo)者提供(gong)位置(zhi)信息是北斗(dou)衛(wei)星導航(hang)系統(tong)主要服(fu)務(wu)(wu)之一，除此之外，它還有(you)兩(liang)大服(fu)務(wu)(wu)即提供(gong)速度信息和時間(jian)信息，以(yi)上(shang)構成了“北斗(dou)”信息服(fu)務(wu)(wu)的“三(san)要素”。

位(wei)置信(xin)息：北斗(dou)衛星(xing)導航系統(tong)提(ti)(ti)(ti)供的(de)位(wei)置信(xin)息服務(wu)輸(shu)出結果為“經度(du)(du)(du)、緯度(du)(du)(du)、高程”或者(zhe)“x，y，z”，不(bu)管哪種輸(shu)出形式(shi)，恰好都是“三個(ge)參量(liang)”。關于(yu)“北斗(dou)”提(ti)(ti)(ti)供的(de)位(wei)置信(xin)息的(de)精確(que)度(du)(du)(du)，總體(ti)而言(yan)，“北斗(dou)”可(ke)向全球提(ti)(ti)(ti)供優于(yu)10米的(de)定位(wei)服務(wu)，某(mou)些(xie)區域(yu)比如亞(ya)太地區定位(wei)精度(du)(du)(du)更高，達到5米。同(tong)時，通過(guo)精密單點定位(wei)、星(xing)基增強、地基增強等方式(shi)，“北斗(dou)”定位(wei)精度(du)(du)(du)可(ke)提(ti)(ti)(ti)高到米級(ji)(ji)、分米級(ji)(ji)乃至厘米級(ji)(ji)。

速度(du)信息：北(bei)斗衛(wei)星導(dao)航系統(tong)提供的測速精(jing)度(du)能力(li)優于0.2米(mi)/秒。

時(shi)間信息：北斗衛星導(dao)航系統可為(wei)用(yong)戶提(ti)供優于20納秒的授(shou)時(shi)服務，在此基(ji)礎上(shang)利用(yong)差分授(shou)時(shi)、雙向比對等技術(shu)手段，可進(jin)一步提(ti)升授(shou)時(shi)精度(du)。

⑥“東三B”平臺

北斗衛星(xing)(xing)導(dao)航(hang)(hang)系(xi)統的(de)優異性(xing)能在很大程(cheng)度上源(yuan)于衛星(xing)(xing)的(de)研制(zhi)(zhi)平(ping)(ping)臺(tai)(tai)，東方紅三號(hao)B平(ping)(ping)臺(tai)(tai)，簡稱(cheng)“東三B”平(ping)(ping)臺(tai)(tai)。北斗三號(hao)導(dao)航(hang)(hang)衛星(xing)(xing)的(de)地球靜(jing)止軌(gui)道衛星(xing)(xing)和傾斜地球同步(bu)軌(gui)道衛星(xing)(xing)就是(shi)基于“東三B”平(ping)(ping)臺(tai)(tai)研制(zhi)(zhi)而成(cheng)。這是(shi)中(zhong)國自主研制(zhi)(zhi)的(de)新一代高(gao)(gao)軌(gui)導(dao)航(hang)(hang)衛星(xing)(xing)平(ping)(ping)臺(tai)(tai)，采用了(le)綜(zong)合(he)電子、高(gao)(gao)效能源(yuan)和熱控、鋰離子蓄電池(chi)、FDIR（故障檢測(ce)、隔離和系(xi)統重構）等先進(jin)技(ji)術，為有(you)效載荷提(ti)供了(le)更(geng)大空間。“東三B” 平(ping)(ping)臺(tai)(tai)助力衛星(xing)(xing)減重增壽，使(shi)導(dao)航(hang)(hang)衛星(xing)(xing)重量進(jin)一步(bu)降(jiang)低，設計壽命可達(da)12年，為其配置了(le)多(duo)(duo)種(zhong)載荷，提(ti)供包括衛星(xing)(xing)無(wu)線電導(dao)航(hang)(hang)系(xi)統、區域短報文通信、星(xing)(xing)基增強、精密單(dan)點定位等多(duo)(duo)種(zhong)服務，功能更(geng)強大、集(ji)成(cheng)度更(geng)高(gao)(gao)。

“東三B”平臺由(you)中國航(hang)天科技(ji)集團(tuan)公司五院通(tong)信衛星(xing)(xing)事業部(bu)抓總研制(zhi)(zhi)。2013年(nian)3月，該平臺電推進(jin)分系統真(zhen)實(shi)點火試驗圓滿完成，標(biao)志著(zhu)其(qi)研制(zhi)(zhi)工作取得突破性(xing)進(jin)展。2017年(nian)4月，“東三B”平臺全配置首發(fa)星(xing)(xing)實(shi)踐十三號(hao)發(fa)射升空，突破了電推進(jin)、Ka通(tong)信載荷、高軌(gui)激光通(tong)信等制(zhi)(zhi)約中國航(hang)天技(ji)術跨(kua)越(yue)發(fa)展的一系列關鍵技(ji)術，在軌(gui)實(shi)現對“東三B”平臺功能和(he)性(xing)能指(zhi)標(biao)考核。

⑦“長征三號”專列

人(ren)們注意到，在中國長征(zheng)火箭家族中，每次出動完(wan)成北(bei)斗衛星發射任務的都是(shi)長征(zheng)三號系(xi)列火箭，這(zhe)也(ye)使其贏得了(le)北(bei)斗衛星飛天“專屬列車”的雅號。

長(chang)(chang)征三(san)號是在長(chang)(chang)征二號的基礎(chu)上發(fa)展起來的三(san)級火箭(jian)，具有入軌(gui)精(jing)(jing)度高、軌(gui)道(dao)選擇多、適應(ying)能力強等特點。12年間，長(chang)(chang)征三(san)號系列火箭(jian)承(cheng)擔(dan)了近40次北斗(dou)衛(wei)星發(fa)射任務(wu)，成功將50多顆北斗(dou)導航衛(wei)星精(jing)(jing)確送入預定軌(gui)道(dao)。

第55顆北(bei)斗(dou)(dou)衛(wei)星即北(bei)斗(dou)(dou)三號最后(hou)一(yi)顆組網衛(wei)星的發(fa)(fa)射(she)任務仍然由長(chang)征(zheng)三號系列中乙型(xing)火箭擔綱完成。近(jin)日，該火箭在迫近(jin)點(dian)火發(fa)(fa)射(she)前的測(ce)試(shi)階段時(shi)(shi)發(fa)(fa)現了技(ji)術問(wen)(wen)題，使得原發(fa)(fa)射(she)計劃未能如(ru)期(qi)進行(xing)，而下(xia)一(yi)次(ci)的具(ju)體發(fa)(fa)射(she)時(shi)(shi)間等待檢測(ce)研究后(hou)確定(ding)。這次(ci)意外讓人頗感(gan)遺(yi)憾，但(dan)只(zhi)是使北(bei)斗(dou)(dou)三號收官星升空推遲一(yi)下(xia)。我們(men)相信(xin)，保持(chi)超高發(fa)(fa)射(she)成功率(lv)的長(chang)征(zheng)三號一(yi)定(ding)能經受住考驗(yan)，很快解決技(ji)術問(wen)(wen)題，搭載(zai)北(bei)斗(dou)(dou)三號收官星一(yi)飛沖天。

⑧“三特色”鮮明

中國(guo)“北斗”是國(guo)際(ji)衛(wei)星導航系(xi)統大家(jia)庭(ting)的成員之一(yi)，與美國(guo)的GPS，俄羅斯(si)的格洛納斯(si)、歐洲伽利略導航系(xi)統相(xiang)比，有(you)鮮明的“三特色”。

一是(shi)空(kong)間段(duan)采用三種軌(gui)道衛(wei)星組(zu)成(cheng)混合星座(zuo)，與其(qi)(qi)它衛(wei)星導航系(xi)統相比高軌(gui)衛(wei)星更多，抗遮擋能力(li)強(qiang)，尤其(qi)(qi)在低(di)緯度地(di)區性(xing)能優勢更為明(ming)顯。

二(er)是提供多(duo)個頻點的導航信號，能夠(gou)通過多(duo)頻信號組(zu)合使用等方式提高服(fu)務精度(du)。

三是創新融合了導航與通信功能，具備基本導航、短報(bao)文通信、國際搜救、星(xing)基增強和精(jing)密單點定位等(deng)多種服(fu)務能力，系統(tong)功能高度集(ji)(ji)成，實現了集(ji)(ji)約高效。

“北(bei)斗”特色彰顯其服務(wu)優勢，表(biao)明其是具有世(shi)界一(yi)流水平的太空基(ji)礎設(she)施，能夠(gou)為國際社會提供優質(zhi)的全(quan)球公(gong)共服務(wu)產品。“北(bei)斗”因此受到了世(shi)界各(ge)國民眾的熱烈(lie)歡迎和青睞(lai)，各(ge)類裝備北(bei)斗服務(wu)的終端在(zai)全(quan)球銷售火爆，“北(bei)斗”這一(yi)特色鮮明的中文(wen)詞匯逐(zhu)漸成為世(shi)界流行語。

⑨“三更加”愿景

人類認識(shi)不斷進步，科技發展永(yong)無止境。北斗三號全球系統建設收(shou)官在(zai)即(ji)，但(dan)是(shi)對于中國“北斗”而言，只(zhi)是(shi)進入新(xin)的、更(geng)高的發展階(jie)段(duan)，邁向新(xin)的征程。

邁向新征(zheng)程的“北斗”有什么發(fa)(fa)展(zhan)(zhan)愿(yuan)景？對此，在(zai)2018年(nian)底召開(kai)的聯(lian)合國(guo)全球衛星導(dao)航系統國(guo)際委員(yuan)會(hui)(hui)(hui)第十三屆大會(hui)(hui)(hui)上，習近平主席在(zai)致大會(hui)(hui)(hui)的賀信中(zhong)進行了(le)闡釋和(he)回答。他表(biao)示，2035年(nian)前，中(zhong)國(guo)將建(jian)設完(wan)善(shan)“更加泛在(zai)、更加融(rong)合、更加智能”的北斗綜合時空體系，并表(biao)達了(le)同各國(guo)共(gong)享“北斗”系統建(jian)設發(fa)(fa)展(zhan)(zhan)成果，共(gong)促全球衛星導(dao)航事業蓬勃發(fa)(fa)展(zhan)(zhan)的美好愿(yuan)望。

2000年，北(bei)斗(dou)(dou)一(yi)號系統首顆衛(wei)星(xing)成(cheng)功飛天。20年彈指一(yi)揮間，“北(bei)斗(dou)(dou)”完成(cheng)了從“北(bei)斗(dou)(dou)一(yi)號雙星(xing)定位、聚焦中國(guo)”到“北(bei)斗(dou)(dou)三號三軌合(he)璧、服務全球”的歷史性跨越。未(wei)來，我們將奮力向著建設完善(shan)以“三更加(jia)”為特征的北(bei)斗(dou)(dou)綜(zong)合(he)時空體系挺進。

加油，“北斗”。

【責(ze)任編(bian)輯：趙藝(yi)涵(han)】