标志着我国北斗导航系统全面建成，既定目标全部实现。北斗导航系统到底是一个什么样的系统？能够做些什么？代表了我们国家哪些技术优势？等等，这些问题我们今天进行详细说明。许多人以为北斗卫星可以看地面，这是一种错误的认识，北斗是一个导航系统，与美国的GPS一样，可以为用户提供全天候、全天时定位、授时服务。这是一个可以告知你在地球上哪个位置的系统，并非可以对地成像的观测系统。本文由宇宙印象原创，今日头条独家发布。

 

图片解读：北斗三号最后一颗导航卫星升空

 

图片解读：北斗导航卫星在地面上的状态

北斗导航系统目前有两套，分别为北斗二号和北斗三号，这次发射成功的是北斗三号最后一颗卫星，这意味着北斗三号30颗卫星全部入轨。在轨道上的北斗二号卫星还有16颗左右，这是我们国家在2007年至2012年发射的导航卫星，主要侧重于亚太地区导航，并且为研发更先进的北斗三号奠定基础。从2017年12月开始，我国启动了北斗三号系统组网，花费2年半的时间完成了30颗导航卫星的发射。这30颗卫星分工不一样，其中有24颗是MEO卫星，轨道位于地球中圆轨道，高度2万公里左右，主要提供导航、定位和授时服务，能够提供全球短报文通信、搜救等美俄导航系统无法实现的服务；有3颗IGSO卫星，轨道为倾斜地球同步轨道，主要任务是增加亚太地区导航卫星的可见数量，定位在3.6万公里高度的轨道上，属于高轨道卫星。还有3颗是GEO卫星，处于地球静止轨道上，轨道高度也是3.6万公里，主要任务是提供区域短报文和星基增强等服务。本文由宇宙印象原创，今日头条独家发布。

这30颗卫星相辅相成，不仅让北斗系统能够导航，还能提供双向简短数字报文通信，从北斗二号的120个汉字提升到1200个汉字，还能发图片到卫星上，就像我们发微信朋友圈那样，将自己所处位置的情况发送到卫星，这对救援有非常大的帮助。

 

图片解读：北斗导航卫星与美国GPS卫星的轨道高度，可以看出我北斗卫星高度更高，而且有3颗是GEO卫星核3颗IGSO卫星。

双星定位技术

北斗三号系统有今天的成就，并非这几年努力的成果，而是从1980年代就开始了相关技术研发。我们知道北斗一号在1994年立项，一共才发射4颗导航卫星，2003年系统建成。在立项之前，许多科学家进行了前期探索。头条独家的宇宙印象指出，中国导航卫星计划可以追溯到钱学森时期，1965年1月，钱学森就向国防科委提交了研制卫星打算的报告，这份报告就提到了研发导航卫星。钱学森是这样描述的：通过卫星发射无线电信标，海军舰艇、战斗机就可以利用信标的多普勒频移来修整自己的位置，从而实现定位。本文由宇宙印象原创，今日头条独家发布。到了1985年，美苏的导航系统已经初步建成，但我国的国力无法建立20多颗卫星构成的全球导航系统，因此我国科学家提出了“双星定位”通信技术，即在地球同步轨道上部署2颗导航卫星，就能实现区域定位和导航。这个思路与美国GPS前身Geostar系统相似，Geostar系统也是通过部署同步轨道卫星，实现区域定位。美国在发展Geostar系统时，发射了3颗同步轨道卫星，实现了北美地区的导航。

 

图片解读：双星定位原理：在80°E和140°E同步轨道上定点2颗导航卫星，就能实现区域导航

 

图片解读：2003年，北斗一号系统建成后，定位精度为100米，高程精度为10米

双星定位技术成为北斗一号的研发基础，从技术上说，在80°E和140°E同步轨道上定点2颗导航卫星，就能实现区域导航，覆盖范围为5°N至55°N，70°E至140°E，基本上我国陆地和南海都能被覆盖。为了保险起见，还可部署一颗备份星，定点在110.5°E同步轨道上。从理论上说，双星定位技术的精度肯定没有20多颗导航系统的定位精度高，但双星定位的成本低，只有2颗卫星和1颗备份星，理论上定位精度为60米左右，在演示实验中能够达到20至30米的精度。本文由宇宙印象原创，今日头条独家发布。2003年，北斗一号系统建成后，定位精度为100米，高程精度为10米，虽然没有达到预期，但已经算迈出了第一步。北斗二号之后，由于导航卫星数量增多，就不需要双星定位了。因此，双星定位是北斗系统启动的第一步，也是我国开始建立全球导航系统攻克的第一个技术。

 

图片解读：北斗一号运行机制，这是双星定位技术的成功应用

星间链路技术

要对全球任何一个位置进行定位，就需要足够多的导航卫星，在地球上某个点看到的导航卫星越多，那么定位越精确。卫星数量增多的同时，就需要地面站支持并传递数据。由于北斗系统无法在全球多个国家建立地面站，因此星间链路是一个必要的技术。北斗系统采用基于24/3/3星座构型，有三种不同轨道的导航卫星，不同层卫星之间就需要星间链路进行连接。在北斗建成之前，美国的GPS 系统是全球唯一具备星间链路的卫星导航系统，从GPS Block IIR卫星开始，都具备这种能力。本文由宇宙印象原创，今日头条独家发布。

 

图片解读：同轨道MEO卫星之间的链路建立示意图

 

图片解读：不同轨道之间导航卫星链路建立示意图，情况就复杂很多了

头条独家的宇宙印象指出，星间链路的特点是传递数据快，不依赖地面站，美国让GPS拥有这种能力是快速传递核爆信息，对核爆位置进行定位。但北斗系统出于地面站少的缘故，才使用了星间链路，这也意味着北斗导航卫星的成本也更高了。除了传递数据速度快和减少对海外地面控制站依赖之外，还能脱离地面支持，实现自主星座导航，同时还能确保数据传递及时，对定位精度的提高有很大的帮助。本文由宇宙印象原创，今日头条独家发布。美国最新的GPS III导航卫星星间链路起初为UHF频段，目前已经转移到Ka频段，对应为23GHz，GPS III卫星上也安装了4个小反射面，用来支持星间链路的信息传递。从军用角度看，一旦海外地面站被摧毁，对GPS卫星的影响也较小。

北斗三号卫星的星间链路在2020年完成测试，工作在Ka频段，与美国的GPS卫星相同。24颗MEO卫星位于地球中圆轨道，属于同层卫星之间可进行链路连接，3颗IGSO卫星、3颗GEO卫星与24颗MEO卫星进行不同层链路连接，形成GEO-MEO、GEO-IGSO和MEO—IGSO体系。24颗MEO卫星轨道长半轴为2.2万公里，形成3个轨道面，由于北斗星座来自walker星座改进，构成24/3/3星座，导航星均匀分布3个轨道面，3颗GEO卫星分布为东经90°、210°、330°，可形成永久链路。有了星间链路，北斗三号卫星可自主运行至少60天，如果在战争时期，地面站都被摧毁，北斗三号卫星仍能正常工作。并且我国科研人员还赋予了北斗三号自我诊断故障和自我修复，单颗卫星设计寿命10年以上。

 

图片解读：这张图是基于地面控制站、星间链路共同作用下的导航模式，可提供非常高的精度

原子钟

北斗导航系统上第三个领先科技就是原子钟，这是一种高精度计时装置。导航卫星的精确定位能力和授时功能就是靠原子钟实现的，如果没有原子钟，那么导航卫星就无法实现导航授时功能。长期以来，这个技术被欧美所垄断，如果我们要成功开发北斗系统，原子钟必然要实现100%国产。

 

图片解读：铭牌上已经写很清楚，这是一种星载氢原子钟

 

图片解读：北斗三号的铷原子钟频率稳定度，比北斗二号更稳定，稳定性提升了10倍

原子钟的技术原理是我们高中就知道的，原子由原子核，还有外层电子构成，电子在不同能级之间可发生跃迁，并且释放电磁波。针对特定的原子，其跃迁共振频率是稳定的。北斗上使用的原子钟是星载铷原子钟，如此精密的计时装置可提供精确的时间，每300万年误差仅为1秒。2018年，航天科工二院203所研发的铷原子钟和更先进的氢原子钟都搭载在北斗三号第3和第4号卫星上。铷原子钟体积小、重量轻；氢原子钟可靠性高，频率稳定性好、漂移率小的特点。更令人称赞的是，我国北斗三号上使用2种原子钟，之间还能实现无缝切换，切换时差小于20皮秒，1皮秒等于1万亿分之1秒，这是非常快的速度。目前世界上仅有伽利略系统和北斗一样，同时按照两种原子钟，分为主原子钟和备用原子钟。北斗三号的铷原子钟频率稳定度，比北斗二号更稳定，稳定性提升了10倍，也使北斗三号的定位精度由10米级跨越至米级，授时精度也提高一个数量级。

 

图片解读：这是北斗三号30颗卫星分布图，24颗是MEO卫星，轨道位于地球中圆轨道，有3颗IGSO卫星，轨道为倾斜地球同步轨道，定位在3.6万公里高度的轨道上，还有3颗是GEO卫星，处于地球静止轨道上

以上分析可以看出，我国北斗三号建立在北斗一号和二号基础上，研发周围超过20年，如果算上预研阶段，可追溯到1980年代。技术上汲取了美国GPS的经验，结合我国实际分阶段实现导航功能。从双星定位到亚太区域定位，再到全球定位导航，层层递进，步步为营，这是一个国家级工程的优秀典范。宇宙印象为今日头条独家，其他均为假冒，转载均为非法。