2020年7月31日上午,北斗三号全球卫星导航系统正式开通运行。实际上,我国的北斗导航系统从1994年开始启动北斗一号系统工程建设,到现在的北斗三号系统的正式运行,已经过去了26年,从区域导航系统到全球覆盖发展了三代。

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目前的北斗卫星导航系统是我国的第三代北斗导航系统,是真正意义上的全球导航系统。在全球范围定位精度优于10米、测速精度优于0.2米/秒、授时精度优于20纳秒、服务可用性优于99%,亚太地区性能更优。

定位体制

定位体制

北斗导航系统提供无源定位和有源定位两种定位体制。无源定位体制即目前GPS系统的定位体制,其运行方式为卫星广播定位信号,用户端负责接收处理;而有源定位体制是允许用户端发送定位请求,卫星收到信号后反馈定位信息,也就是与卫星进行双向通信。

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虽然有源定位体制存在用户容量有限、易暴露的等缺点,但这个体制下的短报文通信功能,对于救灾等场景,却是极大的优势。当年汶川地震震中地区通信中断,初期全靠北斗系统的这一功能与外界进行联系。

短报文功能

短报文功能

北斗导航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。其中短报文通信服务是所有已建成导航系统中唯一的。

目前在短报文通信服务在不同区域的服务能力是不一样的,亚太区域通信能力达到每次14000比特(1000汉字),既能传输文字,还可传输语音和图片。而在全球范围内支持每次560比特(40个汉字)的短报文通信能力。

部署方式

部署方式

北斗导航系统由空间段、地面段和用户段三部分组成。而空间段采用混合星座,由若干地球静止轨道卫星、倾斜地球同步轨道卫星和中圆地球轨道卫星组成。这个是目前所有已运行使用的卫星导航系统中唯一的。

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。所造成的优势就是在GPS信号由于地面遮挡物影响而减弱甚至没有时,北斗导航系统的信号依然可以持续提供服务。

星间链路系统

星间链路系统

北斗导航系统的地面段包括主控站、时间同步/注入站和监测站等若干地面站,以及星间链路运行管理设施。

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北斗导航系统鉴于地缘政治的因素,不能像美国GPS那样,全球建地面测控站,那么地球背面的北斗卫星怎么联系呢?为了解决这个问题,北斗人开创性地提出了星间链路的方案,北斗三号利用星间链路,互相通信、测距和保持队形。

原子钟

原子钟

北斗三号卫星导航系统,使用了专门为其研制的更高性能的星载铷原子钟和氢原子钟,进一步提高了卫星性能与寿命,为系统提供厘米级定位能力奠定了基础。

原子钟是卫星导航系统的核心技术,初期我国曾采用外购的方式,但却遭到了国外的层层封锁。欧洲方面曾经给瑞士相关提供原子钟的供货商提出限制要求,为中国提供的原子钟必须比为伽利略导航系统提供的原子钟在精确度上低一个数量级,到后期则直接禁止了相关合同。

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星载原子钟是卫星导航系统的核心,我国北斗人克服重重困难,最终研制成功符合要求的自主知识产权的原子钟,让北斗卫星的原子钟300万年才会出现一秒的误差。

当前北斗导航系统的铷原子钟频率稳定度,较北斗二号提高10倍,使北斗定位精度由10米级跨越至米级,授时精度也提高一个量级。

卫星同时配备氢原子钟,虽然质量和功耗大于铷原子钟,但性能更优,两者配合工作,保证了北斗导航系统的平稳、精确运行。

结语

结语

总而言之,在全球四大卫星导航系统中,美国的GPS、俄罗斯的格洛纳斯算是最早的系统。其中美国的GPS是应用最广泛的GNSS(全球卫星导航系统),而格洛纳斯主要是军用,两家目前都处于现代化改造阶段。欧洲的伽利略系统是完全民用的卫星导航系统,但还处于试验阶段。

北斗系统作为全球第三家正式投入应用的GNSS,拥有最新的各项技术加持,未来可期。但目前的民用推广还需发力,商业化应用也是任重道远。

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