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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。

或許是因為巧合，北斗衛星導航系(xi)統(tong)與“三”結下不解之緣(yuan)，蘊含(han)一系(xi)列(lie)與“三”有關的奧秘。在北斗三號(hao)全球系(xi)統(tong)建(jian)設迎(ying)來“收(shou)官戰”之際，讓我們一起探索“北斗”的“三”的奧秘。

經過梳理(li)，筆者總(zong)結出“北斗(dou)”與“三”有關的(de)9個方面(mian)，涵蓋其(qi)發(fa)展戰略、系(xi)統(tong)架構、星(xing)座配置、工作(zuo)原理(li)、信號體(ti)制、服務(wu)規劃、未來愿景等。這些充分(fen)彰顯了北斗(dou)衛(wei)星(xing)導(dao)航(hang)系(xi)統(tong)作(zuo)為重要的(de)國際空間基礎設(she)施的(de)建(jian)設(she)歷程(cheng)、鮮明特點、獨特價值(zhi)和杰出貢(gong)獻。

①“三步走”戰略

北(bei)(bei)斗(dou)衛星(xing)導航系(xi)(xi)統(tong)(tong)“三(san)步(bu)(bu)走”發展戰(zhan)略(lve)為公眾所熟悉。實際上(shang)，即使不(bu)熟悉相關信息，對(dui)北(bei)(bei)斗(dou)衛星(xing)導航系(xi)(xi)統(tong)(tong)“三(san)步(bu)(bu)走”戰(zhan)略(lve)具(ju)體內涵不(bu)甚了了，人們也能從“北(bei)(bei)斗(dou)一號”“北(bei)(bei)斗(dou)二號”“北(bei)(bei)斗(dou)三(san)號”的名稱，解讀步(bu)(bu)步(bu)(bu)為營步(bu)(bu)步(bu)(bu)高的意味。

第(di)一步，建(jian)成(cheng)北斗(dou)一號(hao)，衛星(xing)(xing)導(dao)航(hang)系(xi)統從無到有(you)，服務自身。1994年，北斗(dou)一號(hao)建(jian)設啟動；2000年，發射(she)2顆地球靜止軌(gui)道（GEO）衛星(xing)(xing)，建(jian)成(cheng)系(xi)統并投入使用(yong)，采用(yong)有(you)源定位體制，為(wei)中(zhong)國用(yong)戶提(ti)供定位、授(shou)時、廣域差分(fen)和短報文通信服務；2003年，發射(she)第(di)3顆地球靜止軌(gui)道衛星(xing)(xing)，進一步增強系(xi)統性能。北斗(dou)一號(hao)的建(jian)成(cheng)使中(zhong)國成(cheng)為(wei)繼美(mei)、俄之后第(di)三個擁有(you)衛星(xing)(xing)導(dao)航(hang)系(xi)統的國家。

第(di)二步，建(jian)成(cheng)北(bei)斗(dou)(dou)二號(hao)，服務亞太(tai)。2004年，北(bei)斗(dou)(dou)二號(hao)建(jian)設啟動；2012年，完(wan)成(cheng)14顆衛星發射組網。北(bei)斗(dou)(dou)二號(hao)增加無源定位體制(zhi)，創新性采用中高軌混合星座架構，服務覆蓋亞太(tai)地區(qu)。

第三(san)(san)(san)步：旨在建(jian)成北斗(dou)(dou)三(san)(san)(san)號(hao)(hao)，提供(gong)全球服(fu)務(wu)。2009年，北斗(dou)(dou)三(san)(san)(san)號(hao)(hao)建(jian)設啟動；計劃于(yu)2020年完成30顆衛星(xing)發射組網，全面建(jian)成北斗(dou)(dou)三(san)(san)(san)號(hao)(hao)系(xi)統。北斗(dou)(dou)三(san)(san)(san)號(hao)(hao)繼承(cheng)有源服(fu)務(wu)和(he)無(wu)源服(fu)務(wu)兩種技(ji)術(shu)體制，為全球用(yong)戶提供(gong)基本導航、全球短報文通信(xin)和(he)國(guo)(guo)際搜救服(fu)務(wu)，同時可為中國(guo)(guo)及周(zhou)邊地區(qu)用(yong)戶提供(gong)區(qu)域短報文通信(xin)、星(xing)基增強和(he)精密單點定(ding)位等服(fu)務(wu)。

②“三部分”構成

北(bei)斗(dou)衛星導航系(xi)統是復雜完備的(de)軟(ruan)硬(ying)件(jian)體系(xi)，包括(kuo)空(kong)間段、地面段和(he)用戶段“三部分(fen)”。

空(kong)間段(duan)：“北(bei)斗(dou)”給人們留下印(yin)象(xiang)最深刻的(de)無(wu)疑是運行在九天之(zhi)上的(de)衛星(xing)，它們就是“北(bei)斗(dou)”的(de)空(kong)間段(duan)。近年來，北(bei)斗(dou)衛星(xing)密(mi)集發(fa)射(she)(she)升(sheng)空(kong)，形成了(le)中(zhong)國航天壯觀的(de)景象(xiang)。北(bei)斗(dou)三號(hao)的(de)空(kong)間段(duan)由30顆(ke)(ke)衛星(xing)組(zu)成，截至(zhi)目前，已經成功發(fa)射(she)(she)組(zu)網29顆(ke)(ke)，即將迎來發(fa)射(she)(she)收(shou)官戰。

地面(mian)段：北(bei)(bei)斗衛星并不(bu)能單獨將信號傳輸到終端，而是經過地面(mian)設施(shi)完(wan)成數據接收、整理、傳輸等，這就是“北(bei)(bei)斗”的地面(mian)段。該部(bu)分包(bao)括基準站、主控(kong)站、時間(jian)(jian)同(tong)步(bu)/注入站和監(jian)測站等。此(ci)外，對導航(hang)衛星之間(jian)(jian)進行星間(jian)(jian)鏈(lian)路運行管理的設施(shi)也是地面(mian)段的一部(bu)分。

用(yong)(yong)戶段：用(yong)(yong)戶段包括“北斗”及兼容其(qi)他衛星導航系統的芯片、模塊、天線等基(ji)礎(chu)產品(pin)，以及終端設備、應用(yong)(yong)系統與應用(yong)(yong)服務等。它們(men)中有很多是消費者直接購買(mai)使用(yong)(yong)的終端產品(pin)，為人們(men)所熟知。

③“三軌道”混合

北斗衛(wei)星導航系(xi)統是由地球(qiu)靜止軌(gui)道(dao)衛(wei)星、傾斜地球(qiu)同(tong)步軌(gui)道(dao)衛(wei)星和(he)地球(qiu)中圓(yuan)軌(gui)道(dao)衛(wei)星三種軌(gui)道(dao)衛(wei)星組成(cheng)的混合導航星座。

地球靜(jing)止(zhi)(zhi)軌道(dao)衛(wei)星：顧(gu)名思義，這種衛(wei)星相對地球靜(jing)止(zhi)(zhi)，運行軌道(dao)高(gao)度(du)約3.6萬公里，其軌道(dao)面與地球赤道(dao)面之(zhi)間的夾角為0度(du)，單星覆(fu)蓋區(qu)(qu)域較大，3顆衛(wei)星可覆(fu)蓋亞(ya)太大部分地區(qu)(qu)。

傾(qing)斜地(di)(di)球(qiu)(qiu)同步軌(gui)(gui)道(dao)(dao)(dao)衛(wei)星(xing)(xing)：軌(gui)(gui)道(dao)(dao)(dao)高度(du)與地(di)(di)球(qiu)(qiu)靜止軌(gui)(gui)道(dao)(dao)(dao)衛(wei)星(xing)(xing)相(xiang)同，其(qi)軌(gui)(gui)道(dao)(dao)(dao)面與地(di)(di)球(qiu)(qiu)赤道(dao)(dao)(dao)面之間(jian)的夾角(jiao)為55度(du)，星(xing)(xing)下點軌(gui)(gui)跡為“8”字，始(shi)終聚焦(jiao)亞太地(di)(di)區。

地(di)(di)球(qiu)中圓(yuan)(yuan)軌(gui)道衛(wei)星(xing)：軌(gui)道高度(du)約(yue)2.15萬公里，其軌(gui)道面與地(di)(di)球(qiu)赤道面之間(jian)的夾角為(wei)55度(du)，繞地(di)(di)球(qiu)旋轉(zhuan)運行(xing)，通過多顆衛(wei)星(xing)組網可實(shi)現全(quan)球(qiu)覆蓋，“北斗”地(di)(di)球(qiu)中圓(yuan)(yuan)軌(gui)道衛(wei)星(xing)星(xing)座回歸特性(xing)為(wei)7天13圈。

“北斗(dou)”獨創的三軌(gui)混合星(xing)座(zuo)設計(ji)，既能實現全(quan)球(qiu)覆(fu)蓋(gai)、全(quan)球(qiu)服務，又可(ke)為亞太(tai)大部分(fen)地(di)區用戶提供更高(gao)性(xing)能的定位導航授時(shi)(shi)服務。亞太(tai)大部分(fen)地(di)區，每(mei)時(shi)(shi)可(ke)見約12至16顆衛星(xing)，全(quan)球(qiu)其他(ta)地(di)區每(mei)時(shi)(shi)可(ke)見4至6顆衛星(xing)，衛星(xing)可(ke)見性(xing)和幾何構型較(jiao)好。

④“三球交匯”定位

提供位(wei)(wei)置信息是導航衛星的主要服務內容之一，北(bei)斗是如(ru)何實(shi)現精準定位(wei)(wei)的呢(ni)？

導航(hang)衛(wei)(wei)星(xing)(xing)(xing)發射測(ce)距(ju)信號和導航(hang)電文(wen)(wen)，導航(hang)電文(wen)(wen)中含有(you)衛(wei)(wei)星(xing)(xing)(xing)的(de)(de)位(wei)(wei)(wei)置信息。用(yong)戶接收(shou)(shou)機在某(mou)一(yi)時刻同(tong)時接收(shou)(shou)三(san)(san)顆以上衛(wei)(wei)星(xing)(xing)(xing)信號，測(ce)量(liang)出(chu)用(yong)戶接收(shou)(shou)機至(zhi)三(san)(san)顆衛(wei)(wei)星(xing)(xing)(xing)的(de)(de)距(ju)離，通過(guo)星(xing)(xing)(xing)歷解算(suan)出(chu)的(de)(de)衛(wei)(wei)星(xing)(xing)(xing)的(de)(de)空間坐標(biao)，再利用(yong)距(ju)離交會(hui)法就解算(suan)出(chu)用(yong)戶接收(shou)(shou)機的(de)(de)位(wei)(wei)(wei)置。整個(ge)過(guo)程就是(shi)“三(san)(san)球交會(hui)”定位(wei)(wei)(wei)原理在衛(wei)(wei)星(xing)(xing)(xing)導航(hang)領域中的(de)(de)體現(xian)。

北(bei)斗衛(wei)星導(dao)航系統像美國的(de)GPS，俄羅斯(si)的(de)格洛納(na)斯(si)、歐洲伽利略一樣(yang)，也是應用(yong)“三球(qiu)交會”定位原(yuan)理進行定位的(de)。其具(ju)體流(liu)程是，北(bei)斗用(yong)戶(hu)接收機同時測(ce)量自(zi)身(shen)到至少(shao)三顆衛(wei)星的(de)距離；各衛(wei)星的(de)位置(zhi)通過導(dao)航電文播發(fa)給用(yong)戶(hu)；以衛(wei)星為(wei)球(qiu)心，距離為(wei)半(ban)徑畫(hua)球(qiu)面；三個(ge)(ge)球(qiu)面相交得兩(liang)個(ge)(ge)點(dian)，根(gen)據地理常識排(pai)除(chu)一個(ge)(ge)不合理點(dian)即得用(yong)戶(hu)位置(zhi)。

⑤“三要素”服務

定位或(huo)者提供(gong)位置信(xin)息(xi)是北斗(dou)衛星(xing)導航系統主要(yao)(yao)服(fu)務之(zhi)一(yi)，除(chu)此之(zhi)外，它還有兩大(da)服(fu)務即提供(gong)速度信(xin)息(xi)和時間信(xin)息(xi)，以(yi)上(shang)構(gou)成了“北斗(dou)”信(xin)息(xi)服(fu)務的“三要(yao)(yao)素”。

位(wei)(wei)(wei)置(zhi)信息(xi)：北斗(dou)衛星導航系統提供的(de)位(wei)(wei)(wei)置(zhi)信息(xi)服務(wu)輸(shu)出結果(guo)為(wei)“經度、緯(wei)度、高(gao)程”或者(zhe)“x，y，z”，不管哪(na)種輸(shu)出形式，恰好都是“三個參量”。關于“北斗(dou)”提供的(de)位(wei)(wei)(wei)置(zhi)信息(xi)的(de)精確度，總體而言，“北斗(dou)”可向全球提供優于10米(mi)(mi)(mi)的(de)定位(wei)(wei)(wei)服務(wu)，某些區(qu)域比(bi)如亞太地(di)區(qu)定位(wei)(wei)(wei)精度更(geng)高(gao)，達(da)到5米(mi)(mi)(mi)。同時，通過精密單點定位(wei)(wei)(wei)、星基(ji)增強、地(di)基(ji)增強等方式，“北斗(dou)”定位(wei)(wei)(wei)精度可提高(gao)到米(mi)(mi)(mi)級、分(fen)米(mi)(mi)(mi)級乃至(zhi)厘米(mi)(mi)(mi)級。

速度信(xin)息：北斗(dou)衛(wei)星導航系統提供的(de)測(ce)速精(jing)度能(neng)力優(you)于0.2米/秒(miao)。

時(shi)(shi)(shi)間信息：北斗衛(wei)星導航系統可為用戶(hu)提(ti)供(gong)優于20納秒的授時(shi)(shi)(shi)服務，在此(ci)基礎上(shang)利(li)用差分授時(shi)(shi)(shi)、雙(shuang)向比對等技術(shu)手段，可進一(yi)步提(ti)升授時(shi)(shi)(shi)精度。

⑥“東三B”平臺

北斗衛星(xing)導(dao)航(hang)系統的(de)優異(yi)性能(neng)(neng)在很大程度上源于衛星(xing)的(de)研(yan)(yan)制(zhi)平(ping)臺，東方紅三號(hao)B平(ping)臺，簡稱“東三B”平(ping)臺。北斗三號(hao)導(dao)航(hang)衛星(xing)的(de)地球靜止軌(gui)道(dao)衛星(xing)和(he)傾斜地球同步軌(gui)道(dao)衛星(xing)就是基于“東三B”平(ping)臺研(yan)(yan)制(zhi)而成(cheng)(cheng)。這是中國(guo)自(zi)主研(yan)(yan)制(zhi)的(de)新一(yi)代(dai)高(gao)(gao)軌(gui)導(dao)航(hang)衛星(xing)平(ping)臺，采用(yong)了綜(zong)合電子(zi)(zi)、高(gao)(gao)效能(neng)(neng)源和(he)熱(re)控(kong)、鋰離子(zi)(zi)蓄(xu)電池、FDIR（故(gu)障檢測、隔(ge)離和(he)系統重(zhong)(zhong)構）等先進(jin)(jin)技術，為有(you)效載荷(he)(he)提供(gong)(gong)了更大空間。“東三B” 平(ping)臺助力衛星(xing)減(jian)重(zhong)(zhong)增壽，使導(dao)航(hang)衛星(xing)重(zhong)(zhong)量進(jin)(jin)一(yi)步降低，設計壽命(ming)可達(da)12年，為其配置了多種載荷(he)(he)，提供(gong)(gong)包括衛星(xing)無(wu)線電導(dao)航(hang)系統、區域短(duan)報文通信、星(xing)基增強(qiang)、精密單點定位等多種服務，功能(neng)(neng)更強(qiang)大、集(ji)成(cheng)(cheng)度更高(gao)(gao)。

“東(dong)(dong)三B”平臺由中國航天科(ke)技(ji)集團公司五院通(tong)(tong)信衛星(xing)事業部抓總研(yan)制。2013年3月，該平臺電(dian)(dian)推進(jin)分(fen)系(xi)統真實(shi)(shi)點火試(shi)驗圓滿完(wan)成(cheng)，標志著(zhu)其(qi)研(yan)制工作取得突破性(xing)進(jin)展。2017年4月，“東(dong)(dong)三B”平臺全配置(zhi)首發(fa)星(xing)實(shi)(shi)踐十三號發(fa)射升空，突破了電(dian)(dian)推進(jin)、Ka通(tong)(tong)信載(zai)荷(he)、高軌激光通(tong)(tong)信等制約中國航天技(ji)術跨越發(fa)展的一(yi)系(xi)列關鍵技(ji)術，在軌實(shi)(shi)現對“東(dong)(dong)三B”平臺功能和性(xing)能指標考(kao)核(he)。

⑦“長征三號”專列

人們注意到，在中(zhong)國長(chang)征(zheng)火箭家族中(zhong)，每次(ci)出動完(wan)成北(bei)斗衛星發射任務的都是長(chang)征(zheng)三號系列(lie)火箭，這也使其贏得了(le)北(bei)斗衛星飛天“專屬列(lie)車”的雅號。

長征(zheng)三(san)號是(shi)在長征(zheng)二號的基礎上(shang)發展起來的三(san)級火箭(jian)，具有入(ru)軌(gui)精(jing)度高、軌(gui)道選擇多、適應能力強等(deng)特點。12年間，長征(zheng)三(san)號系列火箭(jian)承擔了近40次北(bei)斗衛星(xing)發射任務，成功將50多顆(ke)北(bei)斗導航衛星(xing)精(jing)確送入(ru)預定軌(gui)道。

第55顆(ke)北斗衛(wei)星(xing)即北斗三(san)號(hao)最后一(yi)顆(ke)組(zu)網衛(wei)星(xing)的(de)發(fa)(fa)射(she)任務仍然由長征(zheng)三(san)號(hao)系列中乙(yi)型火箭擔綱完成(cheng)。近日(ri)，該(gai)火箭在迫近點火發(fa)(fa)射(she)前的(de)測(ce)(ce)試(shi)階段時發(fa)(fa)現(xian)了技(ji)術問題(ti)，使得原發(fa)(fa)射(she)計(ji)劃(hua)未(wei)能(neng)(neng)如期進(jin)行，而(er)下(xia)一(yi)次的(de)具體(ti)發(fa)(fa)射(she)時間等待檢測(ce)(ce)研(yan)究后確定。這(zhe)次意外(wai)讓人頗感遺憾(han)，但只是使北斗三(san)號(hao)收(shou)(shou)官(guan)(guan)星(xing)升空推遲一(yi)下(xia)。我們相(xiang)信，保持超高發(fa)(fa)射(she)成(cheng)功率的(de)長征(zheng)三(san)號(hao)一(yi)定能(neng)(neng)經受住考驗(yan)，很快解決技(ji)術問題(ti)，搭載北斗三(san)號(hao)收(shou)(shou)官(guan)(guan)星(xing)一(yi)飛沖天。

⑧“三特色”鮮明

中國“北(bei)斗(dou)”是國際衛(wei)星導航系統大家庭(ting)的(de)(de)成員之一(yi)，與美國的(de)(de)GPS，俄羅斯的(de)(de)格洛納(na)斯、歐洲伽利略導航系統相比，有鮮明的(de)(de)“三(san)特色”。

一是空間段采用三種軌(gui)道衛(wei)(wei)星組成混(hun)合星座(zuo)，與其它(ta)衛(wei)(wei)星導航系統相比高軌(gui)衛(wei)(wei)星更多，抗遮擋能(neng)力強，尤其在低緯度地區性能(neng)優勢更為明顯。

二是提供多(duo)個頻點的導航信(xin)號(hao)，能夠通過多(duo)頻信(xin)號(hao)組合使(shi)用等方式提高服務精度。

三(san)是創新融合了導航與通信(xin)功(gong)能，具備(bei)基本導航、短報(bao)文通信(xin)、國際搜(sou)救、星基增強和精密(mi)單點(dian)定位等(deng)多種(zhong)服務能力，系統功(gong)能高度集成(cheng)，實(shi)現了集約高效。

“北(bei)斗(dou)(dou)”特色彰顯(xian)其(qi)服(fu)務(wu)優勢，表明(ming)其(qi)是具有世(shi)界(jie)一流(liu)水平的(de)太空基礎設施，能(neng)夠為國際(ji)社(she)會提供優質的(de)全球公共服(fu)務(wu)產(chan)品。“北(bei)斗(dou)(dou)”因此(ci)受到了世(shi)界(jie)各國民眾的(de)熱烈(lie)歡(huan)迎和青睞(lai)，各類裝備北(bei)斗(dou)(dou)服(fu)務(wu)的(de)終(zhong)端在全球銷(xiao)售火爆(bao)，“北(bei)斗(dou)(dou)”這一特色鮮明(ming)的(de)中文詞匯逐漸成(cheng)為世(shi)界(jie)流(liu)行語。

⑨“三更加”愿景

人類認識不斷進步，科技發展永無止境(jing)。北斗三號全球(qiu)系統建設收官在(zai)即，但是(shi)(shi)對(dui)于中國“北斗”而言，只是(shi)(shi)進入(ru)新的(de)、更高的(de)發展階段，邁(mai)向(xiang)新的(de)征(zheng)程。

邁向新(xin)征程的“北(bei)斗(dou)”有(you)什么發展愿景(jing)？對此，在2018年(nian)底召(zhao)開(kai)的聯合(he)(he)國(guo)(guo)全球衛星(xing)導(dao)航系統(tong)國(guo)(guo)際(ji)委員會第十三(san)屆大會上，習近平主席在致大會的賀(he)信中進行了闡釋和(he)回答。他表(biao)示(shi)，2035年(nian)前，中國(guo)(guo)將建設完善(shan)“更(geng)加(jia)泛在、更(geng)加(jia)融合(he)(he)、更(geng)加(jia)智能”的北(bei)斗(dou)綜合(he)(he)時空體系，并表(biao)達了同各國(guo)(guo)共享“北(bei)斗(dou)”系統(tong)建設發展成果，共促全球衛星(xing)導(dao)航事業(ye)蓬勃發展的美好愿望。

2000年，北斗(dou)(dou)一號系統首顆衛星成(cheng)功飛天。20年彈指一揮間，“北斗(dou)(dou)”完成(cheng)了從“北斗(dou)(dou)一號雙星定位、聚焦中國”到“北斗(dou)(dou)三號三軌合璧、服務全球”的(de)歷史性跨越。未來，我(wo)們將奮力向(xiang)著建設完善以“三更加”為特征的(de)北斗(dou)(dou)綜合時(shi)空體(ti)系挺(ting)進。

加油，“北斗”。

【責任(ren)編(bian)輯：趙藝涵】