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揭秘中国北斗:卫星数量超过GPS

12月27日,在国务院新闻办公室新闻发布会上,中国卫星导航系统管理办公室主任、北斗卫星导航系统新闻发言人冉承其宣布——

  北斗三号基本系统完成建设,于今日开始提供全球服务。这标志着北斗系统服务范围由区域扩展为全球,北斗系统正式迈入全球时代。

揭秘中国北斗:卫星数量超过GPS


  △新闻发布会现场

  据介绍,北斗系统是中国自主建设、独立运行,与世界其他卫星导航系统兼容共用的全球卫星导航系统,可在全球范围,全天候、全天时,为各类用户提供高精度、高可靠的定位、导航、授时服务。

揭秘中国北斗:卫星数量超过GPS


  自上世纪九十年代开始,北斗系统启动研制,按“三步走”发展战略,先有源后无源,先区域后全球,先后建成北斗一号、北斗二号、北斗三号系统,走出了一条中国特色的卫星导航系统建设道路。

  库叔在一年前曾分享一篇文章,系统讲述了“北斗”的前世今生。

  今天,库叔再次为大家带来这篇文章。中国为什么要耗时耗力的发展北斗卫星导航系统?期间是怎么与欧美日进行博弈的?中国的北斗卫星导航系统究竟发展得怎样?这篇文章,都讲清了。

  国际上有一个高大上的俱乐部,它只有四个会员,却吸引了各国首脑的关注和众多顶级科学家工程师的研究,这个俱乐部就是GNSS(全球导航卫星系统),四个会员分别是美国GPS、欧洲伽利略GALILEO、俄罗斯格洛纳斯GLONASS、中国北斗COMPASS。

  中国北斗是个新会员,同时也是发展势头最猛的会员,北斗是咋回事?对我们的生活有什么影响?这是一个很有意思的话题。关于北斗,学术期刊上的文章有很多了,但专业文章的术语太多,普通人读不懂,而且也不会有兴趣去读。

  媒体和网络上也有一些介绍性的文章,多数是彰显政府成就的宣传稿,内容比较零散,不便于读者全面了解,而且很多文章的说法并不准确,显然是非专业人士写的。科技报道不是由科技人士撰写,而是文科出身的记者捉笔,这种现象是国内科技报道的痼疾。

  因为专业的原因,我一直关注着北斗,而且多年通信专业基础课的教学实践,培养了我将复杂的专业问题用通俗的语言描述出来的特长。我利用了两个月的业余时间,查阅了大量公开发行的资料,梳理出了这篇全面介绍北斗卫星的科普长文。

  1 从GPS说起

  1957年10月4日,苏联发射了全世界第一颗人造地球卫星,开创了人类的空间世纪。美国对此密切关注,有一位名叫比尔.盖伊和数学家和一位叫乔治.威芬巴赫的物理学家,他们在霍普斯金的应用物理实验室里发现了一个现象,那就是这颗卫星的频率出现了偏移,经研究发现是相对运动引起的多普勒频移效应。

  这两位科学家对此进行了实验研究,发现如果在地面上架设多部接收机,就可以根据接收到的信号的不同频差推算出这个卫星的具体位置,他们很高兴地把这个研究成果告诉了实验室主任弗兰克.麦克卢尔,说他们已经实现了对苏联卫星的多普勒定位跟踪。

  弗兰克主任当时在做海军的一项研究,研究内容是五角大楼如何知道茫茫大海中军舰的具体位置,听到两位科学家的汇报后他眼前一亮,既然你们能够发现卫星在哪里,如果把问题反过来,卫星就能发现你们在哪里,海军军舰定位的问题有思路了!

  GPS系统就按这种思路启动了,方案中需要解决的第一个问题就是:卫星该采用低、中、高哪种轨道?如果采用低轨道的话,发射成本比较低,精度比较高,但若覆盖全球的话则需要200颗卫星,这样浩大工程实在是负担不起。

  如果采用高轨道,理论上三颗卫星就能覆盖全球,但除了高轨道卫星的发射难度大之外,更主要的是定位精度会很低,原因有两个:一是轨道太高会导致测量误差大,二是静止轨道与地面物体的相对速度很小,不利于使用多普勒频移的解算方法。

  中轨道是比较折衷的方案,覆盖全球只需要24-36颗卫星,由于轨道是运动的,即使地面的物体不动,但相对卫星的速度也很大,这就可以充分利用多普勒频移方法了。

  基于以上综合考虑,美国选择了24颗卫星的中轨道星座,1978年发射了第一颗,全系统在1995年投入运行,现有卫星30颗,分为军用和民用两种定位模式,其中民用方式向全球开放。

  2 美国是不是活雷锋?

  GPS是个好东西,对人们生活品质的提升相当大,例如汽车和手机导航就非常重要,人们告别了在纸制地图上找路的历史。GPS对于探险航海就更重要了,关键时刻可以救命。这么好的东西,美国又投入了巨资,居然向全世界免费,难道美国政府是活雷锋?

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