科学汇|卫星的排兵布阵、星载原子钟、电磁波频率……北斗能够导航的秘密在这里

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钱江晚报·小时新闻 记者 郑琳 

6月23日,北斗家族最后一颗全球组网卫星成功发射,标志着我国提前半年全面完成北斗全球卫星导航系统星座部署。

对于北斗全球导航定位系统,已经有了很多解读。但为什么北斗三代需要35颗星?导航定位的原理究竟又是怎样的?核心部件之一的星载原子钟到底是起到什么作用?为什么电磁波频率如此珍贵?

今天,我们将为大家好好解读一下,北斗系统中一些很“低调”的知识。

北斗系统是怎么分工的

卫星导航系统是由一定数量的卫星分布在环绕地球的轨道上组成。在地球上任意一个位置,最少需要4颗卫星,才可以对它的空间位置和时间进行准确测定。

为了达到这个目的,需要精确设计卫星的分布,其中包括卫星的运行高度、倾角、轨道等信息,这就叫做“卫星星座”。

北斗三号导航系统里的中圆轨道卫星(MEO)轨道高度约2.1万公里,并采用了3个轨道的设计,每个轨道上有9颗卫星。

除了27颗MEO,北斗三号还有5颗地球同步轨道(GEO)卫星,和3颗倾斜地球同步轨道(IGSO)卫星。

GEO轨道高度在约3.6万公里,围绕地球旋转的周期恰好等于地球自转周期(24小时),并且这个轨道就在赤道的正上方。这样的卫星,在地球上看是静止不动的。此次发射的就是一颗GEO卫星。

IGSO的轨道高度也是3.6万公里,所以它的运转周期也是24小时。但它的轨道和赤道有一个夹角,所以是“倾斜”的。从地球上看,IGSO卫星会呈8字形运动。

理论上,27颗MEO就可实现全球定位,那为什么北斗三号需要额外的GEO和IGSO卫星呢?

因为这些卫星可以保证提供更精确的导航定位服务。

卫星导航的原理,其实是卫星发射一个电磁波信号到用户手里的设备上,这中间需要一段传播时间。通过时间乘以光速,就能测出用户和卫星之间的距离。如果知道卫星的精确位置,通过3颗卫星的测距,就可以求出用户的三维坐标。

这里的前提条件是——“已知卫星的精确位置”。这个位置就需要地面监测站来观测。

然而,数量众多的MEO,就像日月星辰一样在旋转。如果要随时监测到所有的MEO卫星,就需要监测站全球分布。

中国则主要把监测站设在中国境内。但在中国境内的监测站,只能观察到MEO卫星全弧段的40%。而观察不到的部分,位置计算就会出现较大误差、使定位精度大打折扣。

这就是为什么,我们的北斗系统首先发射的是GEO和IGSO,因为这两种卫星都能在中国境内随时被“看见”,从而规避必须在全球布监测站的问题。

那么后来发射的MEO的监测问题如何解决?我们的科学家放了一个“大招”:星间链路。在卫星之间搭起“桥梁”,彼此间能进行通信和测距,互相监督、自动保持队形。

这样就大大减少了对地面监测系统的依赖。即便地面站点全部失效,北斗系统仍然可以通过星间链路保持自主运行长达60天之久。

而时间长了,卫星也会退役或出现故障,所以未来北斗还是会继续发射系列卫星升空,保证卫星系统万一遇到特殊情况能及时有“替补”。

星载电子钟是用来干嘛的

卫星测距是通过传播时间乘以光速来计算的,由于光速是30万公里每秒,如果时间测量误差1微秒,距离误差就高达300米!

所以卫星的“对表”非常重要。但这种“对表”主要靠精度能达到千万年误差一秒的原子钟。

那什么是原子钟?原子从高能级到低能级跃迁时,会发射出电磁波。这种电磁波的特征频率,叫做“共振频率”。每种原子的共振频率是固定的。

正因原子的共振频率如此稳定,所以就可以当做一种高精度的“节拍器”,科学家就此发明了“原子钟”。

但短时间内造不出原子钟该怎么办?GEO和IGSO这两种卫星就再度发挥了作用。

因为GEO和 IGSO卫星,在我们国内的地面监测站就可以随时被“看见”,也就意味着随时都可以“对表”,这样就降低了过去对星载原子钟的技术要求,给我国发展高精度原子钟争取了时间。目前,我国的原子钟技术已经非常成熟。

为什么频率资源这么宝贵

卫星导航还要用到频率资源。但电磁波的频率资源,就像石油一样是有限、不可再生的。

全世界所有需要发射电磁波通信的行业,都会占据其中的一部分频段。比如,无线电广播、移动通信等。

根据国际电信联盟(ITU)的规定,卫星导航系统能使用的频率范围只有5个。

这就好比,一条走廊被划成很多小段,每个小段里有一张长凳,分别贴了标签。卫星导航系统只分到了五张长凳,想要开发卫星导航系统,必须坐在这5张凳子上才行。

根据ITU的规矩,使用这些凳子要事先申请,“先到先得”。最先抢占位置的是美国和俄罗斯。美国的GPS系统占据了其中两张凳子的正中间。俄罗斯的格洛纳斯系统占据了另外两张凳子的正中间。

于是只剩下一张空的长凳,以及其他4张凳子的边角可以坐了。

欧洲的伽利略系统和中国的北斗系统,都想占据剩下那张空凳子的黄金位置。

但是ITU还有一个规定,在申请获得通过以后的7年之内,必须完成卫星发射入轨,并使用这个频率,否则资源会被回收。

2000年4月18日,中国的申请获得通过,在接下来的7年里,科学家夜以继日地奋斗,攻克各种难关,终于在2007年4月17日晚八点,成功接收到信号。而彼时距离频率资源截止时间仅剩4小时!

之后,在中国科研人员的不断努力下,我们在各方面都实现了后来居上,也就此为北斗系统争取到了宝贵的电磁波频段。

考考你


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邱定芳
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