北斗三号系统高密度组网,最亮”中国星”闪耀外太空

4月20日,我国长征三号乙运载火箭成功发射第44颗北斗导航卫星,拉开今年北斗三号系统高密度组网序幕。5月17日,长征三号丙运载火箭又成功发射了第45颗北斗导航卫星。作为“中国创造”的一张名片,北斗卫星导航系统是我国自主建设、独立运行的重要空间基础设施。今年,我国还将发射8-10颗北斗三号组网卫星,进一步完善全球系统星座布局,全面提升系统服务性能和用户体验。到2020年,我国北斗三号全球组网将全部完成。北斗系统的建设之快,凸显着中国雄厚的技术实力。

北斗三号IGSO首发,混合星座设计国际独创

目前世界上提供导航服务的卫星主要有三种——中圆地球轨道卫星(MEO)、地球静止轨道卫星(GEO)和倾斜地球同步轨道卫星(IGSO)。不同于其他卫星,北斗是一个“系统”,单星并不能提供服务,需要多星组网才能够发挥导航卫星的效能。

5月17日发射的第45颗北斗导航卫星属地球静止轨道卫星(GEO),是我国北斗二号工程的第四颗备份卫星,入轨并完成在轨测试后,将接入北斗卫星导航系统,为用户提供更可靠服务,并增强星座稳定性。

4月20日发射的第44颗北斗导航卫星,则是我国北斗三号系统当中首颗倾斜地球同步轨道卫星(IGSO),该卫星将与此前发射的北斗三号18颗中圆地球轨道卫星(MEO)和1颗地球静止轨道卫星(GEO)进行组网。

“像这样三种不同类型轨道卫星的混合星座布局是由我国独创的。它既能覆盖全球,同时又能提供更高精度的定位和导航服务。”江苏北斗卫星应用产业研究院重大项目总监吴文南介绍,第44颗北斗导航卫星将有效增加亚太地区卫星可见数,提高北斗三号系统在亚太地区的抗遮挡能力和定位精度。

北斗卫星导航系统的星座结构,和其他导航系统的星座结构有明显区别。美国GPS、俄罗斯格洛纳斯、欧洲伽利略导航系统均采用中圆轨道,卫星均匀分布在轨道面上。MEO卫星绕地球旋转,每天只有30%的时间位于中国国土上空,其他时间不能为中国提供服务。因此,北斗又采用了IGSO卫星和GEO卫星。“这两种卫星的活动范围相对固定。”吴文南说,GEO卫星的轨道倾角为0度,即相对地面是不动的,但这种卫星有时会处于同一直线上,不能计算定点位置。“于是我国设计了IGSO卫星,这也是同步卫星但轨道倾角是55度。卫星星下点轨迹在地面呈现以赤道为对称轴的‘8’字形,在特定服务区域内南北来回运动,有70%-80%的时间停留在我国领土或领海上空。”

“用IGSO卫星进行定位,除了可以增补我国上空可见卫星数量外,还提高了观测的稳定性,提升了导航定位服务、短报文通信服务以及区域增强服务。”吴文南认为,与其他卫星导航系统相比,这样的星座布局高轨卫星更多,抗遮挡能力强,尤其在亚太地区性能优势更为明显。

全球定位精度优于10米,新增三大功能

自去年底北斗三号建成基本系统、开通全球服务以来,北斗系统运行平稳,经全球范围测试评估,在全球区域定位精度优于10米,在亚太区域定位精度优于5米,满足指标要求,且较北斗二号提升1至2倍。

除此以外,北斗三号有三个新增功能,包括提供星基增强服务;除了兼有国际海事搜救载荷外,还提供北斗独特的搜救服务;在全面兼容北斗二号短报文服务基础上,将服务容量提升10倍,用户机发射功率降低10倍,短报文服务能力大幅提升。

北斗卫星试验系统的“有源定位”功能,被北斗卫星导航系统继承了下来。这让北斗系统有了一项其他卫星导航系统所不具备的功能——短报文功能。“通过GPS,用户只能知道‘自己在哪’。但通过北斗,用户还能让别人知道‘自己在哪’。”南京师范大学地理科学学院曹新运博士告诉记者,北斗的短报文每条可发送120个汉字。短短的120个字,在很多时候是“救命”法宝。在没有手机信号,又没有昂贵海事卫星的茫茫大海上,你可以用北斗发求救信息。因此,渔民成为北斗的第一批忠实用户。目前全国4万余艘渔船都安装了北斗,累计救助渔民上万人。

“北斗短报文能够突破通信盲点,为灾害应急、救援系统、国际搜救等应用提供支撑。”曹新运介绍,如今北斗短报文功和互联网、云平台等新技术相融合,用于特殊人群监护、智能交通防盗和监测、野外探险等创新应用领域,能够实现突发情况的自动识别和报告。

在未来数年里,北斗二号系统和三号系统将会混合组网。如何更好的融合两代北斗卫星以实现更优的服务具有一定的现实意义。且随着北斗三号系统的全面建成,更优的卫星信号质量、更优的星载原子钟性能、更多的卫星导航频率信号、星间链路的稳步运行,将会进一步提升在轨北斗卫星轨道精度和钟差精度,提升全球基本导航和短报文通信服务能力。

加快国际化步伐,融合发展惠及全球

开放的北斗,与世界携手共赢。这些年,北斗的国际化步伐明显加快。自去年北斗三号系统开通全球服务以来,北斗系统亚太区域服务应用产品已进入90多个国家和地区。从泰国的仓储物流、巴基斯坦的机场授时,到俄罗斯的电力巡检……中国北斗系统已大显身手。信号好、精度高,北斗正给全球卫星导航事业注入新活力。

“北斗系统的发展始终坚持开放合作、资源共享的思路。”曹新运说,近几年,北斗一直在推动与GPS、格洛纳斯、伽利略等国际导航系统之间的兼容与互操作。“一般而言,接收机需要同时看到4颗卫星才能精准定位,看到的卫星越多越有利。北斗与GPS实现互操作后,一台接收机能同时接收两个系统的卫星信号,这使得定位更快更准。”

目前,许多俄罗斯智能手机都配备了同时支持GPS和格洛纳斯系统的芯片。而未来,我国也将在俄罗斯境内部署北斗导航站,并实时交换有关导航卫星星座状态及其工作性能和信号质量的数据。“这意味着,用户在同时使用格洛纳斯和北斗系统导航时的精度倍增。”吴文南告诉记者。目前,关于全球导航卫星系统方面合作的中俄政府间协定草案已进入两国协商的程序。

北斗系统从1990年代开始研发,2011年开始面向民间开放,在全球范围来看是继GPS之后市场前景最好的一个导航系统。随着北斗与物联网、大数据和人工智能技术的深度融合,其应用产品在精细农业、智能交通、灾害预警、自动驾驶等领域不断深化。根据中国卫星导航定位协会分析,2015年中国卫星导航与位置服务产业的产值已超过2250亿元;到2020年,服务全球的北斗卫星导航定位系统将全面建成。届时中国卫星导航与位置产业的用户规模将成为世界第一,产业的年产值将超过4000亿元。