[科普中國]-北斗三號的新科技將令世界期待

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)志著我國開始正式建造“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)？

北斗三號發(fā)射現(xiàn)場圖源：網(wǎng)易新聞

原子鐘——導(dǎo)航系統(tǒng)的心臟

銣原子鐘 圖源：wikipedia

我們都知道，選定一個公認的時刻起點，按照固定的時間間隔累計，這就定義了時間。但問題就在于，這個“固定的間隔”里的“固定”，在不同的時期，人們對它的要求是不一樣的。

在1960年以前，人們采用地球自轉(zhuǎn)的間隔作為形成時間的基礎(chǔ)，這就是世界時，它滿足了當(dāng)時的需要。后來，人們發(fā)現(xiàn)，地球像是喜怒無常的孩子，其自轉(zhuǎn)速度忽快忽慢。最后，一部分科學(xué)工作者們不得不拋棄這個并不“固定”的“固定間隔”，因為它只能達到10-7次方的精度，這對于科學(xué)研究和進步而言已經(jīng)是很大的誤差了。

這可給科學(xué)家出了個難題，既然不能“固定”到底該怎么辦？最后，他們想到了一種折中（和稀泥）的辦法。

既然對于時間的要求因人而異，那么，我們就創(chuàng)造一種兼有這兩種優(yōu)點的時間尺度好了，于是，一種新的時間尺度——協(xié)調(diào)世界時（UTC）出現(xiàn)了。

協(xié)調(diào)世界時的產(chǎn)生要注意兩個方面：原子時的秒長和世界時的時刻。如此操作，協(xié)調(diào)世界時的秒長忠實地反映原子時的秒長，但規(guī)定協(xié)調(diào)世界時與世界時的時刻差保持在0.9秒以內(nèi)。如果時刻差將要超過0.9秒，就在協(xié)調(diào)世界時中加上1秒或者減去1秒（即所謂“閏秒”），使用這種方法來縮小兩者差距。

標(biāo)準(zhǔn)時和衛(wèi)星時的差距隨時間的推移不斷增大 圖源：中科院物理所

導(dǎo)航衛(wèi)星的原子鐘之所以被稱為衛(wèi)星的“心臟”，原因很簡單。導(dǎo)航的目的在于定位，定位就需要距離，距離就需要用電磁波的傳遞時間乘以傳遞速度。

傳遞時間的精度把握越高，意味著定位精度越高。每一顆衛(wèi)星不斷發(fā)射包含其位置和精確到十億分之一秒的時間的數(shù)字無線電信號。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的接收裝置接收到來自于四顆衛(wèi)星的信號，然后計算出在地球上的位置，誤差僅為100m左右。接收裝置將接收時間與衛(wèi)星發(fā)射的時間進行比較，通過二者之差計算出遠離衛(wèi)星的距離(真空光速定義值：c0=299792458m/s，假如衛(wèi)星發(fā)射時間比接收時間晚千分之一秒，那么接受裝置離衛(wèi)星的距離就為299337.984m)。

通過比較這個時間與其他三個已知位置的衛(wèi)星的時間，接收裝置便能夠確定經(jīng)緯度及海拔高度。由此可見，提高其原子鐘的精度對衛(wèi)星導(dǎo)航質(zhì)量有不可或缺的作用。

北斗三號已經(jīng)搭載了國內(nèi)最先進的新一代銣原子鐘，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)總設(shè)計師楊長風(fēng)說，新一代銣原子鐘天穩(wěn)定度達到10-14量級，“這相當(dāng)于300萬年只有1秒誤差”。

而且，原子鐘的準(zhǔn)確度在得到保證的同時，還需要兼顧穩(wěn)定度。這就好比說老板說了我們五點半下班，雖然每次都監(jiān)視著你加班，但每次都盯到六點，把握得很準(zhǔn)，并且不會有上廁所叫外賣的情況。而另外一個部門的經(jīng)理有時候只盯到五點，有時候又盯到六點半，這都是不可取的。

而北斗三號搭載的原子鐘，相較之前的銫原子鐘，其穩(wěn)定性和漂移率等指標(biāo)都有了極大的提升。雖然功耗上來了，但是保證了更高的精度，付出的努力都是值得的。

星間鏈路——可靠性與穩(wěn)定性的突破

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)離不開地面基站。地面部分的作用在于觀測衛(wèi)星在軌情況、向?qū)Ш叫l(wèi)星發(fā)布指令及矯正衛(wèi)星姿態(tài)。通過建立基站，我們才能在地面上對衛(wèi)星進行更好的實時監(jiān)控。一旦衛(wèi)星出現(xiàn)故障，更多基站意味著我們能更快對其進行回應(yīng)并及時處理。這里我們將衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在不能應(yīng)用于導(dǎo)航與定位服務(wù)時系統(tǒng)對用戶發(fā)出警告的能力稱為導(dǎo)航系統(tǒng)的完好性。

一般而言，在其他條件類似的情況下，建立的地面基站越多，高軌道衛(wèi)星越多，其完好性也越大。由于較早起步，GPS在全球已經(jīng)建立相當(dāng)規(guī)?；?。相比而言，北斗的基站數(shù)量少很多。于是，為了加強北斗三號的完好性，我們采用了星間鏈路的方案。

衛(wèi)星定位的示意圖 圖源：今日北斗

星間鏈路的概念并不新鮮，GPS也采用了這一技術(shù)，叫做Crosslink。該技術(shù)的大概原理是通過衛(wèi)星間的相互通信，對衛(wèi)星的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)控和調(diào)整。這就縮減了對地面基站的依賴度，并加強其完好性。通過該技術(shù)，GPS星座可以在失去地面支持情況下仍舊維持一段時間的正常運轉(zhuǎn)。

但是GPS的Crosslink采用的是波束角較寬的UHF（Ultra High Frequency）頻段。理論上來說，當(dāng)兩個衛(wèi)星進行通信時，波束角越寬，意味著發(fā)送信息的范圍就越寬，衛(wèi)星在發(fā)出信息時有更大幾率將信息發(fā)送給非目標(biāo)衛(wèi)星，這樣就容易造成信息泄露。而北斗采用Ka星間鏈路（Ka波段是電磁頻譜的微波波段的一部分，Ka波段的頻率范圍為26.5-40GHz。Ka代表著K的正上方(K-above)，Ka波段大致上的頻率范圍是30/20GHz。Ka頻段具有可用帶寬，干擾少，設(shè)備體積小的特點。常用于衛(wèi)星通信），Ka頻率高，波束角相對比較小，也就是說能夠保證本衛(wèi)星發(fā)出的信號只被想讓接收信號的衛(wèi)星接收，不會發(fā)到別的衛(wèi)星那兒，保密性得到加強。同時，更高的頻率也意味著衛(wèi)星間通信的效率可以更高。所以，北斗三號的性能在未來的發(fā)展非常值得世界期待。

結(jié)語

回顧北斗發(fā)展歷程：2000年，我國發(fā)射了兩顆“北斗一號”衛(wèi)星，結(jié)束了第一階段的建設(shè)。第一代北斗的建設(shè)，其實圍繞的就是“雙星定位”的問題。但它雖然實現(xiàn)了定位，但定位精度很低，區(qū)域定位大概只有20米的精度，相較當(dāng)時的格洛納斯有一定差距，更不必說GPS。

但是新一代北斗卻意義重大，它的誕生徹底打破了美俄定位兩家強的局面，也驗證了理論的可實現(xiàn)性。2006年11月，中國對外宣布，將在今后幾年內(nèi)發(fā)射導(dǎo)航衛(wèi)星，開發(fā)自己的全球衛(wèi)星導(dǎo)航和定位系統(tǒng)。

從2007年開始，我國開始北斗第二代衛(wèi)星的組網(wǎng)，自2007年起發(fā)射第一顆“北斗二號”衛(wèi)星，后續(xù)每一顆衛(wèi)星的發(fā)射周期越來越短，而且2008年的汶川大地震在北斗的幫助下，災(zāi)區(qū)救援的效率十分之高，把握住了黃金的72小時，減少了地震所造成的生命財產(chǎn)損失。到2012年，我國陸續(xù)發(fā)射12顆“北斗二號”衛(wèi)星，基本覆蓋亞太地區(qū)，完成了第二階段的建設(shè)。

按照《中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)》白皮書所言，到2020年前后，我國將建成北斗全球系統(tǒng)，向全球提供服務(wù),完成30多顆組網(wǎng)衛(wèi)星發(fā)射，實現(xiàn)全球服務(wù)能力。加強與其它衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)間的溝通，推動衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的兼容性應(yīng)用，是發(fā)展衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的重要課題。GPS、北斗、格洛納斯、伽利略等系統(tǒng)建成以后，導(dǎo)航衛(wèi)星將達到100顆以上，這也就意味著全球用戶可以接收到更多的可用衛(wèi)星信號。能夠受到的衛(wèi)星信號越多，也就意味著得到更高的定位精度。北斗將以一個開放的心態(tài)去積極融入定位導(dǎo)航系統(tǒng)的大家庭，服務(wù)全人類。

北斗衛(wèi)星在2012年前達到的服務(wù)覆蓋范圍 圖源：wikipedia

全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS），伽利略定位系統(tǒng)（Galileo）和北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS 曾用名COMPASS）的頻率使用分布圖; E1淺紅色波段目前暫未探測到有訊號，從圖上不難看出北斗和其他導(dǎo)航系統(tǒng)的頻段有一定重合。這無疑為未來衛(wèi)星間相互兼容提供了便利。圖源：wikipedia

從倍受排擠充滿屈辱，到忍辱負重篳路藍縷，再到穩(wěn)扎穩(wěn)打。超越了時間的跨度，凝聚的是我國航天人的心血和付出。從“東方紅一號的發(fā)射開始”，他們用盡一生的長度，去跋涉尋找，去真誠刻畫。中國航天事業(yè)一路走來，新中國的力量正在變得更加強大。時隔多年，東方紅一號仍舊在既定軌道上，播送著東方紅的樂曲。不過，如今的它，已不再孤單。