北斗:世界一流的卫星导航系统
发布日期:2023-03-13 发表者:gly
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20世纪后,我国开始探索适合国情的卫星导航系统的过程中,逐步形成了三步走发展战略:
第一步:2000年年底,建成北斗一号系统,向中国提供服务;
第二步:2012年年底,建成北斗二号系统,向亚太地区提供服务;
第三步:2020年,建成北斗三号系统,向全球提供服务。
从北斗一号到到北斗三号,从中国到全球,中国正是这样一步一步地实现了卫星导航的自主权:
“北斗一号”共发射了4颗试验卫星,实现了卫星导航从无到有。2000年,“北斗一号”第一颗和第二颗卫星分别于10月31日和12月21日成功发射升空。2003年5月25日,第三颗“北斗一号”卫星也成功进入太空。第三颗北斗卫星的发射升空,标志着我国成为继美国(GPS)和前苏联(俄罗斯)(GLONASS)后,在世界上第三个建立了完善卫星导航系统的国家。这三颗“北斗一号”卫星组成了完整的卫星导航定位系统,“北斗一号”的成功是我国迈出的探索性的一步,为后续发展打下了坚实基础。
“北斗二号”共发射了20颗卫星(14颗组网卫星+6颗备份星),实现了从有源定位到无源定位。其中,2012年4月30日我国用“长征三号乙”运载火箭,成功发射第12颗和第13颗北斗导航卫星。这次发射意义重大,因为这是我国北斗卫星导航系统首次采用“一箭双星”方式发射导航卫星,也是我国首次采用“一箭双星”方式发射两颗地球中高轨道卫星。在北斗一号有源定位的基础上,北斗二号增加了无源定位体制,即用户无需发射信号,仅靠接受信号就能够实现定位。
“北斗三号”共发射了35颗卫星(30颗组网卫星+5颗试验卫星),实现了全球组网。2017年11月5日,中国用长征三号乙运载火箭,以“一箭双星”方式成功发射第一和第二颗北斗三号导航卫星,这是北斗三号卫星的首次发射,标志着中国北斗卫星导航系统步入全球组网新时代。2020年6月23日,北斗三号最后一颗全球组网收官之星发射成功。至此,北斗三号全球卫星导航系统星座部署比原计划提前半年全面完成,具备向全球开通导航服务的能力。
目前,世界上正在运行的全球卫星导航定位系统主要有四个全球卫星定位系统:它们分别是中国的北斗,美国的GPS,俄罗斯的格洛纳斯以及欧盟的伽利略。日本和印度现在拥有的都是区域卫星导航系统。
对国家来说,导航系统就像是眼睛。这四大全球卫星导航系统中,其中美国的gps和俄罗斯的格洛纳斯发展得要早一些,它们占据了80%的黄金导航频段,这给后来我国发展北斗全球导航系统造成了巨大的困难。
后来者居上的北斗,正闪耀着熠熠的光芒,其实北斗在技术上并没有被其他国家卡脖子,核心器部件做到了100%自主可控,彻底摆脱了关键器部件被卡脖子的局面。同时在许多领域,我国北斗的技术是领先的。
天上好用,地上用好。北斗系统具备的导航定位授时和通信数传等强大功能,可向全球用户提供定位导航授时、全球短报文通信、区域短报文通信、国际搜救、星基增强、地基增强、精密单点定位等服务,广泛应用于海内外各行各业。
其实,授时功能属于导航的制高点技术,这是需要依靠原子钟来实现的。也就是说,这方面的技术核心其实就是原子钟。以前领先的是欧美的铷原子钟,我国当时不仅被卡脖子,很少有企业愿意卖给我们产品。即便是有一些企业愿意卖,价格也出得非常高,我们付了钱,他们也无法保证交货时间,这非常不利于我们北斗项目的进度。
因此,研究人员自主研发了铷原子钟,且精度比欧美的还要好。不仅如此,后来研究人员更是发明了全世界第一台双频氢原子钟,这使得北斗卫星导航系统在这个制高点技术上领先于其他三个全球卫星导航系统。
就Ka相控阵星间链路技术来说:由于我国在建设北斗时,并不具备全球部站的条件,如果沿用以前的技术,无法做到实现全球卫星导航系统的目标。为了解决这个问题,我国的科研人员首创了“Ka相控阵星间链路”技术。
这项技术说白了就是把多个卫星联合起来形成一个巨大的网,卫星和卫星之间可以互相通话,卫星和地面可以互相通话,这样就可以实现“一星通,星星通”,也就实现了全球卫星导航系统的目标。也因为使用了这个技术,使得北斗系统的精度达到了厘米级,超越其他全球卫星导航系统近一个数量级。
“北斗全球短文报文”也是北斗的独门秘籍,这是其他全球卫星定位系统不具有的技术。这项技术使得北斗可以具有通信服务能力,可以长期应用于防灾救灾、体育赛事、电网监管等多个领域。
其实早在建设北斗一号时期,就已经有“区域短报文”。在2008年汶川特大地震发生后,当地的通信设施基本都被地震损毁了,当时关于汶川的信息无法用传统的设备传输出来。
但是北斗是个例外,北斗的短报文在救援中派上了大用场,它是当时唯一可以帮助汶川与外界通信的方式。当时的救援指挥部就是依靠着北斗一号卫星来获取详细且精确的救援信息。
除了以上三项技术之外,其实还有很多独门技术,比如:氮化镓高效固放技术。研究人员还从无到有,研发出了长寿命的陀螺仪、星敏、芯片等等。可以说,北斗是我国自主研发的全球卫星导航系统,不仅不会被掐脖子,技术还仅有的4个全球导航系统中都算是领先的梯队。
而我国的北斗三号卫星一共有30颗,其中,24颗地球中圆轨道卫星、3颗倾斜地球同步轨道卫星和3颗地球静止轨道卫星。
中圆轨道卫星一般位于2,000千米~35,786千米,利用武器击落中圆轨道卫星其实技术上是几乎实现不了的。
不仅如此,卫星导航系统在设计之初也把这些因素都考量进去了。即便是真的实现了,由于“Ka相控阵星间链路”技术的存在,我们依然还可以继续使用北斗,而不会因为某一颗卫星损毁而不具备导航能力。
因为,不管在全球的何地,你的头顶上都至少有8颗北斗导航卫星。而为你导航其实只需要4颗卫星就足够了,有着充足的冗余设计。
这意味着如果真的要完全摧毁北斗,需要同时把这些卫星都打下来,而打下一颗都不容易,何况是20多颗。所以,自己的系统自己建设,自己的卫星自己布局,关键性的技术完全是掌握在自己的手中,我国北斗卫星系统的建设,也证明了中国航天实力的发展。