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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(xu)是因為(wei)巧合，北(bei)斗衛星導航系(xi)統與(yu)“三”結下不解之(zhi)(zhi)緣(yuan)，蘊(yun)含一(yi)系(xi)列與(yu)“三”有關的奧(ao)秘(mi)。在北(bei)斗三號(hao)全球(qiu)系(xi)統建設(she)迎來“收官戰”之(zhi)(zhi)際，讓我(wo)們(men)一(yi)起探(tan)索(suo)“北(bei)斗”的“三”的奧(ao)秘(mi)。

經過梳理(li)，筆者總結出“北(bei)斗”與“三”有關的9個方(fang)面，涵蓋其(qi)發展戰(zhan)略、系統(tong)架構、星座配置(zhi)、工作(zuo)原(yuan)理(li)、信(xin)號(hao)體制、服務規劃(hua)、未來愿景(jing)等(deng)。這(zhe)些充分彰顯了北(bei)斗衛星導(dao)航(hang)系統(tong)作(zuo)為重要的國際(ji)空間基礎設施的建設歷程、鮮明特點(dian)、獨特價值和杰出貢獻。

①“三步走”戰略

北斗(dou)衛星(xing)導(dao)航系(xi)統“三(san)步(bu)(bu)走”發展(zhan)戰略為(wei)公眾所熟悉。實際(ji)上，即(ji)使不(bu)熟悉相關信(xin)息(xi)，對北斗(dou)衛星(xing)導(dao)航系(xi)統“三(san)步(bu)(bu)走”戰略具體內涵不(bu)甚(shen)了(le)了(le)，人們也能從(cong)“北斗(dou)一號”“北斗(dou)二號”“北斗(dou)三(san)號”的(de)名稱(cheng)，解(jie)讀步(bu)(bu)步(bu)(bu)為(wei)營步(bu)(bu)步(bu)(bu)高(gao)的(de)意(yi)味(wei)。

第一步，建成(cheng)北斗一號，衛(wei)星導(dao)航系統(tong)從(cong)無到有，服(fu)務(wu)自身(shen)。1994年，北斗一號建設啟動；2000年，發(fa)射(she)2顆(ke)地(di)球靜(jing)止(zhi)軌道(dao)（GEO）衛(wei)星，建成(cheng)系統(tong)并(bing)投入使(shi)用，采用有源定位體制，為中(zhong)國(guo)用戶提供定位、授(shou)時(shi)、廣(guang)域差分和短報文通(tong)信服(fu)務(wu)；2003年，發(fa)射(she)第3顆(ke)地(di)球靜(jing)止(zhi)軌道(dao)衛(wei)星，進一步增強(qiang)系統(tong)性能。北斗一號的建成(cheng)使(shi)中(zhong)國(guo)成(cheng)為繼美、俄之后第三個擁(yong)有衛(wei)星導(dao)航系統(tong)的國(guo)家。

第(di)二步，建(jian)(jian)成(cheng)北(bei)斗二號(hao)(hao)，服務(wu)亞太。2004年，北(bei)斗二號(hao)(hao)建(jian)(jian)設啟動；2012年，完成(cheng)14顆衛(wei)星發射(she)組網。北(bei)斗二號(hao)(hao)增加無源定位體制，創(chuang)新性采用中高軌(gui)混合星座架構，服務(wu)覆蓋亞太地區。

第三(san)(san)步：旨在建成北斗(dou)(dou)(dou)三(san)(san)號(hao)，提供全球服務(wu)(wu)。2009年，北斗(dou)(dou)(dou)三(san)(san)號(hao)建設啟動(dong)；計劃(hua)于2020年完成30顆衛星(xing)發射組網(wang)，全面建成北斗(dou)(dou)(dou)三(san)(san)號(hao)系統。北斗(dou)(dou)(dou)三(san)(san)號(hao)繼承有源服務(wu)(wu)和(he)無源服務(wu)(wu)兩種技術體制(zhi)，為(wei)全球用戶提供基本導(dao)航(hang)、全球短報(bao)文(wen)通信(xin)和(he)國際搜救(jiu)服務(wu)(wu)，同時可為(wei)中國及周邊地區用戶提供區域(yu)短報(bao)文(wen)通信(xin)、星(xing)基增強和(he)精密單點定位等(deng)服務(wu)(wu)。

②“三部分”構成

北斗衛星導航(hang)系(xi)統(tong)是復雜完備的軟硬件體系(xi)，包括空(kong)間段(duan)、地面段(duan)和用戶(hu)段(duan)“三部分”。

空(kong)間(jian)段：“北斗(dou)”給(gei)人們留下印(yin)象(xiang)(xiang)最深(shen)刻(ke)的(de)(de)(de)(de)無疑是(shi)運(yun)行在九天之(zhi)上的(de)(de)(de)(de)衛星(xing)，它們就是(shi)“北斗(dou)”的(de)(de)(de)(de)空(kong)間(jian)段。近年來，北斗(dou)衛星(xing)密集發射升空(kong)，形成了中(zhong)國航天壯觀(guan)的(de)(de)(de)(de)景(jing)象(xiang)(xiang)。北斗(dou)三號(hao)的(de)(de)(de)(de)空(kong)間(jian)段由30顆衛星(xing)組成，截至目前，已經成功發射組網29顆，即將迎(ying)來發射收官戰。

地(di)面(mian)段：北斗衛(wei)星并不能(neng)單獨將信號(hao)傳輸到終端(duan)，而是(shi)經(jing)過(guo)地(di)面(mian)設(she)施完成數(shu)據接(jie)收(shou)、整理(li)、傳輸等(deng)，這就是(shi)“北斗”的(de)地(di)面(mian)段。該(gai)部分(fen)包括基準站、主控站、時間(jian)同步(bu)/注(zhu)入站和監測(ce)站等(deng)。此外(wai)，對導航(hang)衛(wei)星之間(jian)進(jin)行星間(jian)鏈路運行管理(li)的(de)設(she)施也是(shi)地(di)面(mian)段的(de)一(yi)部分(fen)。

用(yong)(yong)戶段：用(yong)(yong)戶段包括“北斗”及兼容其他衛星導航系統的(de)芯片、模塊、天線等基礎產品(pin)，以(yi)及終端設(she)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(jie)購買(mai)使(shi)用(yong)(yong)的(de)終端產品(pin)，為人們(men)所熟知。

③“三軌道”混合

北斗衛(wei)星(xing)(xing)導(dao)航(hang)系統是由地(di)球(qiu)靜止軌道(dao)衛(wei)星(xing)(xing)、傾斜地(di)球(qiu)同步軌道(dao)衛(wei)星(xing)(xing)和地(di)球(qiu)中圓(yuan)軌道(dao)衛(wei)星(xing)(xing)三(san)種軌道(dao)衛(wei)星(xing)(xing)組(zu)成的(de)混合導(dao)航(hang)星(xing)(xing)座。

地(di)球(qiu)靜止軌道(dao)(dao)衛(wei)星：顧名思義，這種衛(wei)星相對地(di)球(qiu)靜止，運行軌道(dao)(dao)高(gao)度約3.6萬公(gong)里，其軌道(dao)(dao)面(mian)與地(di)球(qiu)赤(chi)道(dao)(dao)面(mian)之(zhi)間(jian)的夾(jia)角為(wei)0度，單星覆(fu)蓋(gai)區(qu)域較大，3顆衛(wei)星可覆(fu)蓋(gai)亞太大部(bu)分地(di)區(qu)。

傾斜(xie)地(di)球同(tong)步軌(gui)道(dao)衛星(xing)(xing)：軌(gui)道(dao)高度與(yu)地(di)球靜止軌(gui)道(dao)衛星(xing)(xing)相同(tong)，其(qi)軌(gui)道(dao)面(mian)與(yu)地(di)球赤道(dao)面(mian)之間的夾角為55度，星(xing)(xing)下(xia)點(dian)軌(gui)跡為“8”字，始(shi)終(zhong)聚焦(jiao)亞(ya)太地(di)區。

地(di)球(qiu)(qiu)(qiu)(qiu)中圓軌(gui)道(dao)衛(wei)星(xing)(xing)：軌(gui)道(dao)高(gao)度約2.15萬公(gong)里(li)，其軌(gui)道(dao)面(mian)與地(di)球(qiu)(qiu)(qiu)(qiu)赤道(dao)面(mian)之間的夾角為55度，繞地(di)球(qiu)(qiu)(qiu)(qiu)旋(xuan)轉(zhuan)運行，通(tong)過多顆衛(wei)星(xing)(xing)組網可實現(xian)全(quan)球(qiu)(qiu)(qiu)(qiu)覆蓋，“北(bei)斗”地(di)球(qiu)(qiu)(qiu)(qiu)中圓軌(gui)道(dao)衛(wei)星(xing)(xing)星(xing)(xing)座回歸(gui)特(te)性為7天13圈(quan)。

“北(bei)斗”獨(du)創的三(san)軌(gui)混合(he)星座(zuo)設計，既能實(shi)現全球(qiu)(qiu)覆蓋(gai)、全球(qiu)(qiu)服務，又(you)可(ke)為(wei)亞太大(da)部分地(di)區用戶(hu)提供更(geng)高性能的定位導航授時(shi)服務。亞太大(da)部分地(di)區，每(mei)時(shi)可(ke)見(jian)約12至16顆(ke)衛(wei)星，全球(qiu)(qiu)其(qi)他地(di)區每(mei)時(shi)可(ke)見(jian)4至6顆(ke)衛(wei)星，衛(wei)星可(ke)見(jian)性和幾何構型較好。

④“三球交匯”定位

提供位置信息是導(dao)航衛星的(de)主要(yao)服(fu)務(wu)內容(rong)之(zhi)一，北斗是如何實現精準定(ding)位的(de)呢？

導航(hang)(hang)衛(wei)(wei)星(xing)發射測(ce)距信號和導航(hang)(hang)電(dian)文(wen)，導航(hang)(hang)電(dian)文(wen)中(zhong)含有衛(wei)(wei)星(xing)的位(wei)置信息(xi)。用(yong)戶接(jie)收(shou)機(ji)在(zai)(zai)某(mou)一時刻同時接(jie)收(shou)三顆(ke)以上衛(wei)(wei)星(xing)信號，測(ce)量出用(yong)戶接(jie)收(shou)機(ji)至三顆(ke)衛(wei)(wei)星(xing)的距離，通過(guo)(guo)星(xing)歷(li)解(jie)算出的衛(wei)(wei)星(xing)的空(kong)間坐標，再(zai)利用(yong)距離交會法就解(jie)算出用(yong)戶接(jie)收(shou)機(ji)的位(wei)置。整個(ge)過(guo)(guo)程就是“三球交會”定位(wei)原理(li)在(zai)(zai)衛(wei)(wei)星(xing)導航(hang)(hang)領域中(zhong)的體現。

北斗衛(wei)星(xing)導(dao)航(hang)系統像美國的GPS，俄羅斯的格(ge)洛納(na)斯、歐洲伽利略一樣(yang)，也是應(ying)用(yong)(yong)“三(san)球(qiu)交會”定(ding)位(wei)原理(li)進行定(ding)位(wei)的。其(qi)具體流(liu)程是，北斗用(yong)(yong)戶接收機同時測量(liang)自身到至(zhi)少三(san)顆衛(wei)星(xing)的距離；各衛(wei)星(xing)的位(wei)置(zhi)通過導(dao)航(hang)電文播發給(gei)用(yong)(yong)戶；以衛(wei)星(xing)為(wei)球(qiu)心，距離為(wei)半徑畫球(qiu)面(mian)；三(san)個球(qiu)面(mian)相交得兩個點，根據(ju)地理(li)常識排除一個不合(he)理(li)點即得用(yong)(yong)戶位(wei)置(zhi)。

⑤“三要素”服務

定位或者提供(gong)(gong)位置信(xin)息是北斗(dou)衛星導航系(xi)統(tong)主要服(fu)務(wu)之(zhi)一，除(chu)此(ci)之(zhi)外，它還有兩大(da)服(fu)務(wu)即提供(gong)(gong)速度信(xin)息和時間信(xin)息，以上構(gou)成了“北斗(dou)”信(xin)息服(fu)務(wu)的“三要素”。

位(wei)(wei)(wei)置(zhi)(zhi)信(xin)(xin)息：北(bei)斗(dou)衛星導航(hang)系統提供的(de)位(wei)(wei)(wei)置(zhi)(zhi)信(xin)(xin)息服(fu)務(wu)輸出結果為“經度(du)、緯度(du)、高程”或者“x，y，z”，不管哪種輸出形式(shi)，恰(qia)好都(dou)是(shi)“三(san)個參(can)量”。關于“北(bei)斗(dou)”提供的(de)位(wei)(wei)(wei)置(zhi)(zhi)信(xin)(xin)息的(de)精確度(du)，總體而言，“北(bei)斗(dou)”可(ke)向全球提供優于10米(mi)(mi)的(de)定(ding)位(wei)(wei)(wei)服(fu)務(wu)，某些區域(yu)比(bi)如亞太地區定(ding)位(wei)(wei)(wei)精度(du)更(geng)高，達到(dao)5米(mi)(mi)。同時，通過精密單點定(ding)位(wei)(wei)(wei)、星基增(zeng)(zeng)強(qiang)、地基增(zeng)(zeng)強(qiang)等方式(shi)，“北(bei)斗(dou)”定(ding)位(wei)(wei)(wei)精度(du)可(ke)提高到(dao)米(mi)(mi)級(ji)、分(fen)米(mi)(mi)級(ji)乃至(zhi)厘米(mi)(mi)級(ji)。

速度(du)信息：北斗衛星導航(hang)系統提供的測(ce)速精度(du)能力優于0.2米(mi)/秒。

時間信息：北斗衛星導航系統可為用戶提(ti)(ti)供優于20納秒的授(shou)(shou)時服務，在此基礎上利用差分授(shou)(shou)時、雙向(xiang)比對等(deng)技(ji)術手(shou)段，可進一(yi)步提(ti)(ti)升(sheng)授(shou)(shou)時精度(du)。

⑥“東三B”平臺

北斗衛(wei)(wei)(wei)星(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)導(dao)航(hang)(hang)(hang)(hang)系統的(de)優異性能在很(hen)大程度(du)上源于衛(wei)(wei)(wei)星(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)的(de)研制(zhi)平(ping)(ping)臺(tai)(tai)，東方紅三號B平(ping)(ping)臺(tai)(tai)，簡稱“東三B”平(ping)(ping)臺(tai)(tai)。北斗三號導(dao)航(hang)(hang)(hang)(hang)衛(wei)(wei)(wei)星(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)的(de)地球(qiu)靜止軌道衛(wei)(wei)(wei)星(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)和(he)(he)傾斜地球(qiu)同步(bu)軌道衛(wei)(wei)(wei)星(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)就是基于“東三B”平(ping)(ping)臺(tai)(tai)研制(zhi)而(er)成。這是中國自主(zhu)研制(zhi)的(de)新一代高軌導(dao)航(hang)(hang)(hang)(hang)衛(wei)(wei)(wei)星(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)平(ping)(ping)臺(tai)(tai)，采(cai)用了(le)綜合電子、高效能源和(he)(he)熱(re)控、鋰(li)離子蓄電池、FDIR（故(gu)障檢測、隔離和(he)(he)系統重(zhong)構）等先進(jin)技術，為有效載荷提(ti)供了(le)更(geng)大空間。“東三B” 平(ping)(ping)臺(tai)(tai)助力(li)衛(wei)(wei)(wei)星(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)減重(zhong)增壽(shou)，使(shi)導(dao)航(hang)(hang)(hang)(hang)衛(wei)(wei)(wei)星(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)重(zhong)量進(jin)一步(bu)降低，設計(ji)壽(shou)命可達12年，為其配(pei)置了(le)多(duo)種(zhong)載荷，提(ti)供包括衛(wei)(wei)(wei)星(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)無線電導(dao)航(hang)(hang)(hang)(hang)系統、區域(yu)短(duan)報(bao)文通(tong)信、星(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)基增強(qiang)、精密單點(dian)定(ding)位(wei)等多(duo)種(zhong)服務，功能更(geng)強(qiang)大、集成度(du)更(geng)高。

“東三B”平(ping)(ping)臺(tai)由中(zhong)國(guo)航天科技集團公(gong)司五院(yuan)通(tong)信衛星(xing)事業部抓總研制(zhi)(zhi)。2013年3月，該平(ping)(ping)臺(tai)電(dian)推進分系統真(zhen)實(shi)點火試驗圓滿完成，標志著其研制(zhi)(zhi)工作取得突(tu)破性進展。2017年4月，“東三B”平(ping)(ping)臺(tai)全配(pei)置首發星(xing)實(shi)踐十(shi)三號發射升空(kong)，突(tu)破了電(dian)推進、Ka通(tong)信載(zai)荷、高軌(gui)激光通(tong)信等制(zhi)(zhi)約中(zhong)國(guo)航天技術跨越發展的一系列關鍵技術，在軌(gui)實(shi)現(xian)對“東三B”平(ping)(ping)臺(tai)功能和性能指標考核。

⑦“長征三號”專列

人們注意到，在中(zhong)國長(chang)征(zheng)(zheng)火箭家族中(zhong)，每(mei)次(ci)出動完成(cheng)北斗衛星發射任務的(de)都是長(chang)征(zheng)(zheng)三號系(xi)列火箭，這也使其贏得了北斗衛星飛天“專屬列車”的(de)雅號。

長征三號(hao)(hao)(hao)是在(zai)長征二號(hao)(hao)(hao)的(de)基礎上發(fa)展起(qi)來(lai)的(de)三級火箭，具有入軌(gui)(gui)精度高(gao)、軌(gui)(gui)道(dao)選擇多(duo)、適應能力強等(deng)特點(dian)。12年間，長征三號(hao)(hao)(hao)系列火箭承擔了近40次北(bei)斗衛(wei)星發(fa)射任務(wu)，成功將50多(duo)顆北(bei)斗導(dao)航衛(wei)星精確送入預定軌(gui)(gui)道(dao)。

第55顆(ke)北(bei)(bei)斗衛(wei)星(xing)即北(bei)(bei)斗三號最后(hou)一顆(ke)組網衛(wei)星(xing)的(de)發(fa)(fa)射(she)任(ren)務(wu)仍然由長(chang)征三號系(xi)列中乙型火(huo)(huo)箭擔綱完(wan)成(cheng)。近日，該火(huo)(huo)箭在(zai)迫近點火(huo)(huo)發(fa)(fa)射(she)前的(de)測試階段(duan)時發(fa)(fa)現了技術問(wen)題(ti)，使(shi)得原發(fa)(fa)射(she)計劃未能(neng)如期進(jin)行(xing)，而下一次(ci)的(de)具體發(fa)(fa)射(she)時間(jian)等(deng)待(dai)檢測研究(jiu)后(hou)確定(ding)。這次(ci)意外讓人頗感(gan)遺憾，但只是使(shi)北(bei)(bei)斗三號收官星(xing)升空推(tui)遲一下。我們相信，保持超高(gao)發(fa)(fa)射(she)成(cheng)功率的(de)長(chang)征三號一定(ding)能(neng)經(jing)受住考驗，很(hen)快解決技術問(wen)題(ti)，搭(da)載北(bei)(bei)斗三號收官星(xing)一飛沖天。

⑧“三特色”鮮明

中國“北斗”是(shi)國際衛星導航系統大家庭的(de)成(cheng)員之一，與美國的(de)GPS，俄羅斯的(de)格洛納斯、歐洲伽(jia)利(li)略導航系統相比(bi)，有(you)鮮明的(de)“三(san)特色”。

一是空(kong)間(jian)段(duan)采用三(san)種軌(gui)道衛(wei)星(xing)組(zu)成混合星(xing)座，與其它衛(wei)星(xing)導航系統相比高軌(gui)衛(wei)星(xing)更多，抗遮擋能力(li)強，尤其在低緯度(du)地區性能優勢(shi)更為明顯。

二是提供多個(ge)頻點的導航信號，能夠通過多頻信號組(zu)合使用等方式提高服務精度(du)。

三是(shi)創新融合了(le)導航(hang)與通(tong)信功能，具備基本導航(hang)、短報文(wen)通(tong)信、國際(ji)搜救(jiu)、星基增強和精密(mi)單點定位等多種服務能力(li)，系統功能高度集(ji)成，實現(xian)了(le)集(ji)約高效。

“北(bei)(bei)斗”特(te)色(se)彰顯其服務優(you)(you)勢，表明其是具有世界(jie)(jie)一流水平的太空(kong)基礎設(she)施，能夠(gou)為國(guo)際社會提供優(you)(you)質的全球(qiu)公共服務產品。“北(bei)(bei)斗”因此受到了世界(jie)(jie)各(ge)國(guo)民眾的熱烈歡迎和青(qing)睞，各(ge)類裝備北(bei)(bei)斗服務的終端在全球(qiu)銷售火爆，“北(bei)(bei)斗”這一特(te)色(se)鮮明的中文(wen)詞匯逐漸(jian)成為世界(jie)(jie)流行(xing)語(yu)。

⑨“三更加”愿景

人類認識不斷進步，科技(ji)發(fa)展(zhan)永無(wu)止境。北斗三號全球系統建設收官在(zai)即(ji)，但是(shi)對于中國“北斗”而言(yan)，只是(shi)進入新(xin)的、更高的發(fa)展(zhan)階段，邁向新(xin)的征程(cheng)。

邁(mai)向新征程的(de)“北(bei)斗”有什么發展(zhan)(zhan)愿(yuan)景？對(dui)此，在(zai)2018年底召開的(de)聯合(he)國全球(qiu)衛星(xing)導(dao)航系(xi)統(tong)國際委(wei)員會第(di)十(shi)三屆大(da)(da)會上，習(xi)近平主席(xi)在(zai)致大(da)(da)會的(de)賀信中進行(xing)了(le)闡釋和回(hui)答。他表示，2035年前，中國將建設(she)完善“更加泛在(zai)、更加融合(he)、更加智能”的(de)北(bei)斗綜(zong)合(he)時(shi)空體系(xi)，并表達了(le)同各(ge)國共(gong)享“北(bei)斗”系(xi)統(tong)建設(she)發展(zhan)(zhan)成果，共(gong)促全球(qiu)衛星(xing)導(dao)航事業蓬勃發展(zhan)(zhan)的(de)美好愿(yuan)望。

2000年，北斗一(yi)號(hao)系(xi)統(tong)首(shou)顆(ke)衛星成(cheng)功飛(fei)天。20年彈指一(yi)揮(hui)間，“北斗”完成(cheng)了從“北斗一(yi)號(hao)雙星定位、聚焦中國”到“北斗三(san)號(hao)三(san)軌(gui)合璧、服(fu)務全球”的歷史(shi)性跨越。未來，我們(men)將奮(fen)力向著建(jian)設完善以“三(san)更加”為特(te)征的北斗綜合時空(kong)體系(xi)挺進。

加油，“北斗”。

【責任(ren)編輯：趙藝涵】