走近北斗卫星导航系统

蒼龙岭

2020年7月31日，我国自主研发的北斗三号卫星导航系统建成，在轨道上成功运行。时隔近两年，当我点开https://ar.qxwz.com/?isfrom=2&from=groupmessage 链接呼叫，手机显示出与北斗卫星连接的数字时，心情无比激动！

一直以来，我只知道美国的全球卫星定位系统GPS，每次跟随儿女外出，看到他们把手机挂在驾座前，只需拥有GSP接收芯片即可使用服务，旅游导航十分方便。

定位型卫星是一个集尖端技术、国家财力于一体的超级工程，除了美国的GPS系统成为导航领域的老大，还有俄罗斯GLONASS格洛纳斯、 欧洲的Galileo伽利略和中国的BDS北斗，共称为全球四大导航系统。直到中国北斗导航系统的出现，美国GPS定位系统的全球垄断地位才开始被动摇。

中国为什么要发展自己的北斗？

1991年的海湾战争，那是一场高科技之战，其攻击力之精准，被称为外科手术式的打击，伊拉克绝设想到GPS对战争的胜利起到的重要作用。

1993年银河号事件，被美方怀疑向伊朗运送化学武器原料，在公海上采取军舰跟踪和军用飞机侦察，並将万吨级集装箱货轮截停在印度洋国际水域，关掉了GPS导航系统，迫使银河号停驶正常航运长达33天，美国登船检查未果，还拒绝道歉，是中国载入史册的一次屈辱，为80年代中国发展独立自主的卫星导航系统埋下了伏笔。

北斗简介

北斗卫星导航系统是我国为维护国家主权安全和犮展，自主独立研发的卫星导航系统，中国古代天文学家利用北斗七星找北极星作为辨别方位的依据，北斗卫星导航系统命名意义也在于定位。北斗卫星导航系统可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠定位、导航、授时服务，并具短报文通信能力。它的关键作用是提供时间/空间基准和所有与位置相关的实时动态信息，其作用远不止军事领域，在无人驾驶、测绘、航海、救灾、大面积农业机械化耕作等众多的科技领域和人民生活中发挥着无可替代的作用。

北斗导航系统由地面控制部分、空间卫星星座和地面用户设备三部分组成，经历了三次技术迭代。2000年年底一号系统建成，这仅仅是一个实验性质的系统，一共只有两颗同步静止卫星，位于赤道上空35,786公里处，用来测试一下卫星之间的通讯和卫星与地面之间的通讯。2012年12月，北斗一号最后一颗卫星寿命到期，系统停止运作。2012年年底建成北斗二号系统，共有14颗卫星，9颗高空同步卫星，5颗中低空辅助卫星。GPS的定位属于“被动定位”，是一种单向通讯，客户的接受器只接受来自GPS的卫星信号，自己不发射信号，只要能同时收到4颗卫星的信号，就可以定位，功耗小，结构简单。北斗2号的定位则属于“主动定位”是双向通讯，军方实战检验后发现一𠆤致命的缺陷，当客户的接受器发出请求信号后，不仅高空的同步卫星可以接收到这些信号，附近的电子侦察机和位于低空的众多的间谍卫星也全都能收到，因此不具有任何军事意义，无法在战场上使用。在这种严峻而又无情的事实面前，花费了20年的时间才开发出来的北斗2号被迫报废弃置 。无奈之下，从零开始，重新设计自己的新的卫星导航系统。这次不再搞什么弯道超车了，而是完全模仿美国的GPS，采用被动定位，单向通讯，这就是后来人们见到的北斗3号。2020年北斗三号全面建成。目前，北斗3号的定位精度是2.5至5米，强于北斗2号的10米，这个误差对于汽车、飞机、轮船的导航来说，足够用了，但对于导弹制导来说，还是不够的。在近 20 年，总共发射了 55颗导航卫星和4颗导航试验卫星，已经从一个定位精度几十米，服务地区仅覆盖中国的导航系统，变成了一个亚米级定位精度，覆盖全球的导航系统。目前，北斗3号仍然在不断地改进提高中，随着科学技术的进步和工艺加工的改进，它的误差一定会不断缩小，其定位精度有望能够达到1厘米的水平。

北斗导航系统涉及的知识面太广，本美篇仅对卫星轨道特性，定位原理，原子钟做定性介绍，以一窥全北斗导航系统的尖端和难度。

一、北斗卫星轨道特性

北斗系统集成了地球静止轨道卫星 GEO ，倾斜地球轨道卫星 IGSO ，中圆地球轨道卫星 MEO ，是高中轨道混合组网的复杂星座系统。

GEO和IGSO卫星轨道为地球同步轨道，它们的运行周期和地球自转周期相同，即23小时56分4秒，且方向一致，卫星在轨道上的绕行速度约为3.1公里/秒，等于地球自转的角速度。地球轨道卫星的运动主要由地球的引力控制，卫星轨道越高，它移动的越慢。随着卫星离地球越来越近，引力的拉力越来越大，而卫星移动的速度也越快，地球同步轨道属于髙空轨道，轨道高度为35786公里，经过计算只有处于这个高度，卫星运行周期才能与地球自转周期一致，轨道不一定要在赤道上方，取决于同步轨道相对于赤道平面的倾角。

（一）地球静止轨道卫星GEO

倾角=0 的地球同步轨道，称为地球静止轨道，由于和地球自转方向一致，所以静止轨道卫星始终处在赤道固定点上空，在地面看来，静止不动。星下点是地心与卫星连线与地球表面的交点，GEO星下点的轨迹是固定的点。北斗三号三颗GEO卫星，分别定点于东经80度、110.5度和140度，能够全天候为我国及周边亚太地区提供服务。由于GEO卫星一直处于赤道上空，它在高纬度地区的仰角较低，信号容易被山体建筑遮挡。

（二）倾斜地球同步轨道卫星IGSO

北斗三号IGSO相对于赤道平面的倾角=55°，釆用了三条轨道，各轨道平面之间相距120度，每天星下点以定轨点为中心南北振荡一次，最北可达北纬55度 ，在髙纬度地区仰角较大。在地球上的轨迹成8字形，覆盖亚太大部分地区。卫星IGSO轨道倾斜缓解了GEO卫星在髙纬度地区信号质量不佳的问题。因此，上述两类卫星的组合使用，能为我国全国的用户提供高精度、连续性服务。

（三）中圆轨道卫星MEO

中圆轨道卫星MEO是卫星导航系统使用的通用轨道，也是北斗三号全球组网的核心。釆用24颗MEO卫星均匀分布在三个轨道面上，各轨道平面之间相距120度，轨道倾角55度，轨道高度为21500公里，属中空轨道，周期12个小时左右，和地球自转周期不同步，星下点轨迹为波浪线，由西向东不断的运动覆盖全球。

图为三种卫星星下点轨跡

北斗系统具有以下特点:

一是北斗系统空间段采用三种轨道卫星组成的混合星座，功能互补，与其他卫星导航系统相比高轨卫星更多，抗遮挡能力强，尤其低纬度地区性能特点更为明显。

从北斗导航系统提供的可见星数分布图，北美一般是6～10颗，亜太地区是16颗。我在旧金山湾区收到了8～11颗，叶楊老师在新加坡收到了22颗，北斗真是太棒了！

二是北斗系统能够通过多频信号组合使用等方式提高服务精度。

北斗系统是全球第一个提供三频信号服务的卫星导航系统，GPS使用的是双频信号，这是北斗的后发优势。 

三是北斗系统创新融合了导航与通信能力，具有实时导航、快速定位、精确授时、位置报告和短报文通信服务五大功能。



二、北斗卫星定位系统 Global Navigation Satellite System(GNSS）原理

卫星导航系统的原理，都是通过轨道上的卫星向地面的设备播报包括卫星星历（为随时间而变的卫星精确位置或轨迹表）、精准的时间和位置信号、钟差和电离层模型参数。设备通过解算信号，推算自己相对卫星的距离。

请看下图，卫星A和接收器D是三维空间中的两点，欲求它们之间的距离S，可以通过二点做平行于坐标轴的六面体，根据勾股定理，卫星A和接收受D之间的距离即AD线的长度，为三维座标相减的平方和的开方。

另外，还可以利用电磁波传送的速度和传输时间的乘积求卫星和手机接收机之间的距离；

s=c(t-t1)

式中，t1为信息发射的时刻，t为手机的接收时间，信息传输时间为t－t1，

电磁波传播速度为光速 c＝3.00×108 m/s，每秒30万公里。

虽然x1, y1, z1,t1,为巳知，但用一个方程无法求解4个未知数x，y，z（经度、纬度以及海拔髙度）和信号接收时间t, 所以必须写出4个方程，联立确定手机接收器在三维空间 中地球上的位置x,y,z,和时间t这4个未知数。所以需要与4颗卫星联系，取得它们的坐标和时间信息（x1,y1,z1,t1) (x2,y2,z2,t2) ( x3,y3,z3,t3) ( x4 ,y4,z4,t4），手机接收机根据同一时间接收到卫星播报的信号，计算出自己的位置，实现三维空间定位。

卫星定位的原理是很简单，而麻烦的在于误差，因为是光速传输，时间误差哪怕只有0.0001秒，距离误差也会高达30公里。因此，精确计量电磁波在空中传输的时间就显得尤为重要。例如光在空气中的传播速度会减慢，卫星大气电离层有数千公里厚， 存在大量被电离的电子和各种正负离子，微波在穿透电离层时，随电离子密度会产生不同程度的延时和能量衰减。在对流层，受到地面温度的影响也会产生一些折射带来传输延迟。由于大气层的不稳定性，会对卫星信号传输造成非定常干扰，在地表附近，由于各种建筑、山体、水面的影响，卫星信号可能被反射或折射多径效应产生延迟。在卫星信号发射侧和接收侧，也有很多系统相关的误差，比如时钟偏差、处理延迟等。

一般用差分定位的方法进行修正，简单来说就是手机(接收器）的时钟误差可利用已知精确三维坐标的附近地面基准台，基准站和手机同时接收同一时间、同一卫星发射的信号，基准站所获得的观测值与手机信息进行比较，知道手机大概有多少误差，得到差分改正值，及时传递给给手机进行修正。现在一般的卫星定位都要求定位精度在10米范围以内。

三、原子钟

导航的核心是时间测量，在信号传播速度光速已知的前提下，时间测量越精密，位置解算就越精确。没有高精度的时频，卫星导航定位系统就不可能实现高精度的导航与定位。所以，导航卫星上面的原子钟也是一个命门。无论钟以何种形态呈现，它都是以物体在特定条件下的振荡频率来刻画时间的长短。石英晶体受到电池的电力影响时，就会产生规律的振动，每振动2.3万次，就会是1秒，这就有了石英钟。目前，最好的石英钟，每天的计时能精准到十万分之一秒，也就是经过差不多270年才差1秒。

在卫星导航系统中，1纳秒（十亿分之一秒）的时间误差将导致0.3米的距离误差。要实现如此精密的时间测量，就得用原子钟利用原子吸收或释放能量时发出的电磁波固定频率来计时。这种电磁波非常稳定，再加上一系列精密的仪器进行控制，原子钟的计时就可以非常准精细，除了全球定位系统，互联网的同步，格林威冶时间和北京时间的时间基准也都是以铯原子Cs133基态的两个超精细能级间跃迁对应的频率 f=9,192,631,770 Hz，做标准，前题是铯原子必须在绝对零度时是静止的，所在的环境是零磁场、海平面。1s定义为铯原子振动9,192,631,770次的时间。目前铯原子钟的计时精度已达到3千万年不差1秒。

（一）原子的固有频率和能级能量的关系

众所周知，电子在特定的轨道上绕核作圆周运动，在不同的轨道上原子处于不同的能量状态，因而原子的能量是不连续的、离核愈远能量愈高。能量最低的状态叫基态，其他的状态叫激发态。当电子在这些轨道上运动时原子不发射也不吸收能量，只有当电子从一个轨道跃迁到另一个轨道时原子才发射或吸收能量，犮射和吸收电磁波。这种电磁波的特征频率对应了分立能态二轨道之间的能量差，理想情况下是固定不变的，又称为原子的固有共振频率。

能量E和电磁波频率f之间有以下普朗克关系；E＝hf

E＝E2一E1，为两个轨道能量之差，普朗克常数 h=6.62607015 × 10-34 m2 kg / s ，f为电磁波的频率。

（二）冷却的原子集聚到能量最低级的同一量子态

在常温状态下的任何物质的原子都做着无规则的热运动，如果想要让原子不动，就要继续降低温度，夺走原子的能量，成为冷原子。给原子降温可不是一件容易的事。1997年，华裔科学家朱棣文，因“开创了用激光冷却和捕获原子的方法”获得诺贝尔物理学奖。

假如温度能够降低到绝对零度-273.15℃，所有的原子和分子都会停止热运动，呈现玻色-爱因斯坦凝聚态，所有的原子似乎都变成了同一个原子，集聚到能量最低的同一量子态，由于原子的振动接近停止，其性能会发生很大改变，这种状态1924年被爱因斯坦提出，到1995年才被科学家实现。

处于量子态的原子，其中的电子和原子核的电磁多极矩之间的相互作用下出现了基态轨跡分裂为两个超精细结构能级。精准的，没有任何抖动的单频，铯Cs 133 ，其中精细能级对应的频率是f=9,192,631,770 Hz，所以1s就定义为振动9,192,631,770次的时间。

（三）原子钟原理简介

在这种时钟里，一束处于某一特定“超精细状态”的原子束，由于基态两能级间的距离比较小，所以可以认为铯原子平均分布在基态两子能级上（F=3，F=4）。有状态较低的和较高的两种能级，通过磁场的时候会发生不同的偏转，所以很好区分出来。低能级的原子受到跟他频率一致的微波照射，就能够通过共振将能级提升上去，如果升不成髙能级能从后面的耙子判断出来，通过一个反馈回路，调整石英振荡器的频率直到所有的原子完成了跃迁。原 子钟就是利用振荡场的频率即保持与原子的共振频率完全相同的频率作为产生时间脉冲的节拍器 。先是让石英钟工作起来，精确的输出时间。产生的电荷被转化频率正好是91.9亿赫兹的微波，与经过筛选全部是低能级状态的铯原子通过。如果石英振荡器随着时间的累积开始产生误差，它所生成的微波也就不可能达到91.9亿赫兹，加反馈微调锁定频率。制作思路大致就是这样。用在原子钟里的元素有氢 、铯 、铷等。

一一全文完一一