雷淼
2024年9月19日9時14分，第59顆、第60顆北斗導航衛星在長征三號乙運載火箭與遠征一號上面級的托舉下直沖云霄，順利進入預定軌道。這是北斗三號全球衛星導航系統的最后兩顆衛星，標志著整個工程正式收官。
北斗三號實現全員到位意味著什么？從1994年北斗一號工程啟動至今，“北斗”對于全球衛星導航系統的布局起到了什么作用？
最后兩顆是備份星也是主力軍
看到第59顆、第60顆北斗導航衛星發射的新聞，可能很多人會感到奇怪：印象中北斗系統早就建好了，怎么又收一次官？
大家沒記錯，早在2020年6月23日，隨著北斗第55顆衛星發射，北斗三號系統的組網即已完成。后來發射的第56顆到第58顆，以及最新發射的第59顆、第60顆衛星，實際上都是這一系統的備份星。它們雖名為備份星，但實為主力軍。這5顆衛星各有重任，或負責提升硬件能力，或負責擴展系統服務，或在支撐系統穩定運行和規模應用的同時，為下一代北斗導航衛星技術升級進行相關試驗。
北斗是我國自主建設的衛星導航系統，以古人用于判斷方向的著名星官“北斗”命名。在北斗建成之前，世界上已經存在3個衛星導航系統：美國的全球定位系統(GPS)、俄羅斯的格洛納斯系統(GLONASS)和歐盟的伽利略系統(Galileo)。其中以GPS最為知名，許多人使用這個詞的時候，甚至意識不到它其實是某個國家搭建的導航系統，而是直接把它當作衛星定位導航通用技術的代稱。
衛星導航在國家安全、交通運輸、搶險救災、信息化建設、搶占軌道資源、提高航天技術等諸多方面具有重大意義，因此，我國必須開發建設自己的衛星導航系統，而不能在此領域依賴國外，埋下受制于人的隱患。
從20世紀后期起，我國開始探索適合本國國情的衛星導航系統發展道路，逐步形成了三步走的發展戰略：2000年年底，建成北斗一號試驗導航系統，向中國提供服務，同時進行關鍵技術驗證；2012年年底，建成北斗二號系統，向亞太地區提供服務；2020年，建成北斗三號系統，服務范圍覆蓋全球。
衛星如何實現精準定位
導航系統的核心功能是定位，那么衛星是怎樣知道人和物的位置的呢？
簡單概括衛星定位的方法就是：你看衛星在哪兒、離你有多遠，然后各自去算自己的位置。這樣一來，計算工作分攤到每個用戶頭上，就不會“累壞”衛星了。
打個比方，在沙灘上插3根標桿，記牢它們的位置，然后蒙上眼睛隨意走到一處，再讓身邊的朋友告訴你離每根標桿的距離。
朋友說：你離A桿5米。你就在心里圍著A桿畫個半徑5米的圓，知道自己肯定在這個圓上，只是確定不了具體位置。
朋友接著說：你離B桿12米。你又在心里圍著B桿畫個半徑12米的圓，這個圓和圍著A桿的圓有兩個交點，你必在其中之一。
朋友又說：你離C桿9米。這下你立刻就能從前面的兩個交點里排除一個，從而斷定自己的位置。
導航衛星也是這樣定位的，它們不停地發出“本星經緯度和高度若干，現在時間是幾點幾分幾秒幾毫秒幾微秒幾納秒”的廣播，你的手機接到A星的信號是幾點幾分幾秒10毫秒，而自己的時鐘顯示為幾點幾分幾秒80毫秒。這就說明A星發出的信號走了70毫秒才到達你所在之處，那么用70毫秒乘以光速(299792458米/秒)，就能得知“經緯度和高度若干的A星”距你約有20985472米。
以此類推，再接收兩顆衛星的信號，就能判斷出自己的位置。當然，衛星的信號是個球面，比起舉例的二維沙灘會更復雜，但原理大致如此。
如果衛星播報的時間能夠精確到納秒，那么測距和定位就能精確到30厘米。不過，大家可能還有一個疑問：衛星是高精尖儀器，它們的時間準確，可手機時間萬一不準，錯過一秒(常有的事)，便失之千里，屆時又該怎么辦？
所以，想要精準定位還需再添一顆衛星，用4顆衛星的數據聯立方程組，就能把經度、緯度、海拔和地面時鐘偏差全都解出來。以前用過GPS手機應用的人應該還有“當前能看到4顆衛星”“當前能看到6顆衛星”的印象，因為4顆衛星就是定位的基礎配置。
3類軌道衛星拱衛北斗
要想保證人們時刻得到至少4顆衛星的服務，需要發射不少衛星。目前，服務全球的北斗三號導航系統包括備份衛星在內，共有35顆衛星。此次發射的北斗第59顆、第60顆星，是從2007年4月升空的北斗二號首顆正式衛星開始排序的，也就是說，把兩代北斗前后發射的60顆衛星都算進去了。
依照軌道來劃分，北斗導航衛星共分為3類。
第一類是靜止軌道(GEO)衛星。它們運行在赤道上方35786公里的高處，隨著地球的自轉周期同步公轉，從地面的角度看來，它們就像是懸停在天上一樣。GEO衛星單星信號覆蓋范圍很廣，一般來說，3顆GEO衛星就可實現對全球除南北極之外絕大多數區域的信號覆蓋。在經費緊張、技術尚需驗證、不向全球提供服務的試驗開發早期(2000年至2007年)，北斗系統就是從這類衛星起步的。
第二類是傾斜地球同步軌道(IGSO)衛星。它們的公轉周期也和地球自轉周期一樣，但與赤道有個夾角。若從北半球地面來看，它們每天在空中畫一個巨大的“8”，南邊一圈部分沒入南方地平線以下。由于我國地處北半球，GEO衛星在赤道平面上運行，高山或建筑物北側的用戶很難看到，而IGSO衛星在空中南北擺動，可做有效彌補。
第三類是中高地球軌道(MEO)衛星。衛星的運行軌道高度約2萬公里，每天圍地球轉兩圈。分析計算表明，24顆傾角55°的這種衛星，分布在3個軌道面內，就可以覆蓋全球，滿足全球導航的精度要求。
北斗三號系統目前共有4顆靜止軌道衛星、3顆傾斜地球同步軌道衛星和28顆中高地球軌道衛星。其中，1顆靜止軌道衛星(第56顆)和4顆中高地球軌道衛星(第57-60顆)是備份星。
原子鐘和增強系統確保“高精度”
從工作原理可知，精準的時間是導航衛星的靈魂。北斗衛星使用星載銣原子鐘和星載氫原子鐘，通過將原子輻射電磁波作為節拍器計時，精度可以達到每天0.5納秒。可以這么理解，若是運行550萬年，誤差只有1秒！當然，對于定位功能為主的導航系統，不能這么簡單地理解時間精度，而是要把它乘以光速，再換算成距離精度，答案是每天誤差15厘米。雖然不像“550萬年僅差1秒”那么震撼，但只要和地面站定期校正，執行導航任務綽綽有余。
精準的時間系統也考慮到了相對論效應的影響。根據狹義相對論，衛星相對地面高速運動，每天會慢幾微秒；而根據廣義相對論(和狹義相對論不沖突)，衛星所在之處重力較弱，每天會比地面快幾十微秒。要注意這里是微秒，量級比納秒大約千倍，每微秒對應著300米的誤差。
怎么理解這個現象呢？簡單來說，就是衛星越低、速度越快、重力越強，狹義相對論效應就越明顯，反之則廣義相對論效應越明顯。因此，最終該快該慢或快慢多少，均由衛星的高度決定。在中高地球軌道上，衛星的星載時鐘每天快37微秒，而在靜止軌道或傾斜地球同步軌道上，每天快47微秒。所以，衛星的時間系統要根據軌道高度修正誤差，還要與地面定期“對表”，才能確保導航系統的精確運行。
衛星和地面之間不完全是真空，信號到達地面的途中，會被地球大氣的電離層和對流層干擾，造成高達幾十米的測距誤差。還有多種誤差源需要通過觀測、建模，求得改正參數，進行位置修正。在北斗衛星導航系統中，這一修正任務由增強系統來負責。
北斗的增強系統分為星基與地基兩部分。星基增強系統通過地球靜止軌道衛星搭載衛星導航增強信號轉發器，向用戶播發星歷誤差、衛星鐘差、電離層延遲等多種修正信息，實現對原有衛星導航系統定位精度的改進。地基增強系統則通過地面基準站網，利用衛星、移動通信、數字廣播等播發手段，在服務區域內提供米級、分米級直至厘米級實時高精度導航定位服務。
下一代北斗系統新技術即將試驗
在研發建設北斗衛星導航系統的過程中，我國發明了不少獨門絕技。其中的典型代表就是北斗短報文，即可以通過北斗衛星發送簡短的文字信息。其他衛星導航系統用戶只能知道“我在哪”，北斗用戶不但知道“我在哪”，還能告訴別人“我在哪”“在干什么”，開創了通信導航一體化的獨特服務模式。
北斗短報文把衛星導航系統用出了通信系統的功能。在2008年汶川大地震中，常規的地面通信設備全毀，首批進入震中災區的救援部隊正是利用北斗短報文，向外界傳遞了第一手災情信息。另外，漁業部門也能通過北斗短報文，及時向特定區域的漁船定點推送船只位置和防撞安全信息，當漁民在茫茫大海上遇險時，同樣可以通過北斗短報文呼救。
2023年11月，包含北斗衛星導航系統標準和建議措施的《國際民用航空公約》附件10最新修訂版正式生效。這標志著北斗系統正式加入國際民航組織(ICAO)標準，成為全球民航通用的衛星導航系統。這一進展驗證了北斗衛星導航系統的全球服務能力，對于推動民航高質量發展和交通強國建設具有重要意義，更有利于推進北斗衛星導航系統在民航領域的市場化、產業化、國際化應用。
在北斗服務區域走向覆蓋全球的過程中，星間鏈路技術起到了關鍵作用。星間鏈路在衛星和衛星之間建起一個“聊天群”，通過星間測距、星間通信和星上數據處理，實現了導航星歷的自主更新，其結果一是能彌補地面站分布稀疏的弱點，二是能降低對地面運控系統的依賴，從而提高導航系統的可靠性。
自北斗系統提供服務以來，已在交通運輸、農林漁業、水文監測、氣象測報、通信授時、電力調度、救災減災、公共安全等領域得到廣泛應用，產生了顯著的經濟效益和社會效益。如今，基于北斗系統的導航服務被電子商務、移動智能終端制造、位置服務等廠商采用，廣泛進入中國大眾消費、共享經濟和民生領域，深刻改變了人們的生產生活方式。北斗衛星導航系統工程總設計師、中國工程院院士楊長風日前透露，我國將加快推動下一代北斗系統建設發展，加大對不依賴衛星的多種定位導航授時手段的技術攻關，“在2035年前，建設完善更加泛在、更加融合、更加智能的綜合時空體系。”
最近發射的第59顆、第60顆北斗三號衛星已升級星載原子鐘配置，并搭載了能建“聊天群”的新型星間鏈路終端，科學家將利用這些新設備進一步提升北斗衛星導航系統的可靠性及定位導航授時、全球短報文通信等服務性能。同時，這兩顆衛星將在確保導航系統精穩運行的基礎上，開展下一代北斗系統新技術的試驗試用。(作者為中國科普作家協會會員)
來源：北京日報