九“三”看“北斗”
来源:海外网“北斗”三部分示意图。
北斗服务示意图。 本文图片均来自“我们的太空”微信公众号
北斗导航系统“三球交会”定位原理示意图。
或许是因为巧合，北斗卫星导航系统与“三”结下不解之缘，蕴含一系列与“三”有关的奥秘。在北斗三号全球系统建设迎来“收官战”之际，让我们一起探索“北斗”的“三”的奥秘。
经过梳理，笔者总结出“北斗”与“三”有关的9个方面，涵盖其发展战略、系统架构、星座配置、工作原理、信号体制、服务规划、未来愿景等。这些充分彰显了北斗卫星导航系统作为重要的国际空间基础设施的建设历程、鲜明特点、独特价值和杰出贡献。
①“三步走”战略
北斗卫星导航系统“三步走”发展战略为公众所熟悉。实际上，即使不熟悉相关信息，对北斗卫星导航系统“三步走”战略具体内涵不甚了了，人们也能从“北斗一号”“北斗二号”“北斗三号”的名称，解读步步为营步步高的意味。
第一步，建成北斗一号，卫星导航系统从无到有，服务自身。 1994年，北斗一号建设启动；2000年，发射2颗地球静止轨道（GEO）卫星，建成系统并投入使用，采用有源定位体制，为中国用户提供定位、授时、广域差分和短报文通信服务；2003年，发射第3颗地球静止轨道卫星，进一步增强系统性能。 北斗一号的建成使中国成为继美、俄之后第三个拥有卫星导航系统的国家。
第二步，建成北斗二号，服务亚太。2004年，北斗二号建设启动；2012年，完成14颗卫星发射组网。北斗二号增加无源定位体制，创新性采用中高轨混合星座架构，服务覆盖亚太地区。
第三步：旨在建成北斗三号，提供全球服务。2009年，北斗三号建设启动；计划于2020年完成30颗卫星发射组网，全面建成北斗三号系统。北斗三号继承有源服务和无源服务两种技术体制，为全球用户提供基本导航、全球短报文通信和国际搜救服务，同时可为中国及周边地区用户提供区域短报文通信、星基增强和精密单点定位等服务。
②“三部分”构成
北斗卫星导航系统是复杂完备的软硬件体系，包括空间段、地面段和用户段“三部分”。
空间段：“北斗”给人们留下印象最深刻的无疑是运行在九天之上的卫星，它们就是“北斗”的空间段。近年来，北斗卫星密集发射升空，形成了中国航天壮观的景象。北斗三号的空间段由30颗卫星组成，截至目前，已经成功发射组网29颗，即将迎来发射收官战。
地面段：北斗卫星并不能单独将信号传输到终端，而是经过地面设施完成数据接收、整理、传输等，这就是“北斗”的地面段。该部分包括基准站、主控站、时间同步/注入站和监测站等。此外，对导航卫星之间进行星间链路运行管理的设施也是地面段的一部分。
用户段：用户段包括“北斗”及兼容其他卫星导航系统的芯片、模块、天线等基础产品，以及终端设备、应用系统与应用服务等。它们中有很多是消费者直接购买使用的终端产品，为人们所熟知。
③“三轨道”混合
北斗卫星导航系统是由地球静止轨道卫星、倾斜地球同步轨道卫星和地球中圆轨道卫星三种轨道卫星组成的混合导航星座。
地球静止轨道卫星：顾名思义，这种卫星相对地球静止，运行轨道高度约3.6万公里，其轨道面与地球赤道面之间的夹角为0度，单星覆盖区域较大，3颗卫星可覆盖亚太大部分地区。
倾斜地球同步轨道卫星：轨道高度与地球静止轨道卫星相同，其轨道面与地球赤道面之间的夹角为55度，星下点轨迹为“8”字，始终聚焦亚太地区。
地球中圆轨道卫星：轨道高度约2.15万公里，其轨道面与地球赤道面之间的夹角为55度，绕地球旋转运行，通过多颗卫星组网可实现全球覆盖，“北斗”地球中圆轨道卫星星座回归特性为7天13圈。
“北斗”独创的三轨混合星座设计，既能实现全球覆盖、全球服务，又可为亚太大部分地区用户提供更高性能的定位导航授时服务。亚太大部分地区，每时可见约12至16颗卫星，全球其他地区每时可见4至6颗卫星，卫星可见性和几何构型较好。
④“三球交汇”定位
提供位置信息是导航卫星的主要服务内容之一，北斗是如何实现精准定位的呢？
导航卫星发射测距信号和导航电文，导航电文中含有卫星的位置信息。用户接收机在某一时刻同时接收三颗以上卫星信号，测量出用户接收机至三颗卫星的距离，通过星历解算出的卫星的空间坐标，再利用距离交会法就解算出用户接收机的位置。整个过程就是“三球交会”定位原理在卫星导航领域中的体现。
北斗卫星导航系统像美国的GPS，俄罗斯的格洛纳斯、欧洲伽利略一样，也是应用“三球交会”定位原理进行定位的。其具体流程是，北斗用户接收机同时测量自身到至少三颗卫星的距离；各卫星的位置通过导航电文播发给用户； 以卫星为球心，距离为半径画球面；三个球面相交得两个点，根据地理常识排除一个不合理点即得用户位置。
⑤“三要素”服务
定位或者提供位置信息是北斗卫星导航系统主要服务之一，除此之外，它还有两大服务即提供速度信息和时间信息，以上构成了“北斗”信息服务的“三要素”。
位置信息：北斗卫星导航系统提供的位置信息服务输出结果为“经度、纬度、高程”或者“x，y，z”，不管哪种输出形式，恰好都是“三个参量”。关于“北斗”提供的位置信息的精确度，总体而言，“北斗”可向全球提供优于10米的定位服务，某些区域比如亚太地区定位精度更高，达到5米。同时，通过精密单点定位、星基增强、地基增强等方式，“北斗”定位精度可提高到米级、分米级乃至厘米级。
速度信息：北斗卫星导航系统提供的测速精度能力优于0.2米/秒。
时间信息：北斗卫星导航系统可为用户提供优于20纳秒的授时服务，在此基础上利用差分授时、双向比对等技术手段，可进一步提升授时精度。
⑥“东三B”平台
北斗卫星导航系统的优异性能在很大程度上源于卫星的研制平台，东方红三号B平台，简称“东三B”平台。北斗三号导航卫星的地球静止轨道卫星和倾斜地球同步轨道卫星就是基于“东三B”平台研制而成。这是中国自主研制的新一代高轨导航卫星平台，采用了综合电子、高效能源和热控、锂离子蓄电池、FDIR（故障检测、隔离和系统重构）等先进技术，为有效载荷提供了更大空间。“东三B” 平台助力卫星减重增寿，使导航卫星重量进一步降低，设计寿命可达12年，为其配置了多种载荷，提供包括卫星无线电导航系统、区域短报文通信、星基增强、精密单点定位等多种服务，功能更强大、集成度更高。
“东三B”平台由中国航天科技集团公司五院通信卫星事业部抓总研制。2013年3月，该平台电推进分系统真实点火试验圆满完成，标志着其研制工作取得突破性进展。2017年4月，“东三B”平台全配置首发星实践十三号发射升空，突破了电推进、Ka通信载荷、高轨激光通信等制约中国航天技术跨越发展的一系列关键技术，在轨实现对“东三B”平台功能和性能指标考核。
⑦“长征三号”专列
人们注意到，在中国长征火箭家族中，每次出动完成北斗卫星发射任务的都是长征三号系列火箭，这也使其赢得了北斗卫星飞天“专属列车”的雅号。
长征三号是在长征二号的基础上发展起来的三级火箭，具有入轨精度高、轨道选择多、适应能力强等特点。12年间，长征三号系列火箭承担了近40次北斗卫星发射任务，成功将50多颗北斗导航卫星精确送入预定轨道。
第55颗北斗卫星即北斗三号最后一颗组网卫星的发射任务仍然由长征三号系列中乙型火箭担纲完成。近日，该火箭在迫近点火发射前的测试阶段时发现了技术问题，使得原发射计划未能如期进行，而下一次的具体发射时间等待检测研究后确定。这次意外让人颇感遗憾，但只是使北斗三号收官星升空推迟一下。我们相信，保持超高发射成功率的长征三号一定能经受住考验，很快解决技术问题，搭载北斗三号收官星一飞冲天。
⑧“三特色”鲜明
中国“北斗”是国际卫星导航系统大家庭的成员之一，与美国的GPS，俄罗斯的格洛纳斯、欧洲伽利略导航系统相比，有鲜明的“三特色”。
一是空间段采用三种轨道卫星组成混合星座，与其它卫星导航系统相比高轨卫星更多，抗遮挡能力强，尤其在低纬度地区性能优势更为明显。
二是提供多个频点的导航信号，能够通过多频信号组合使用等方式提高服务精度。
三是创新融合了导航与通信功能，具备基本导航、短报文通信、国际搜救、星基增强和精密单点定位等多种服务能力，系统功能高度集成，实现了集约高效。
“北斗”特色彰显其服务优势，表明其是具有世界一流水平的太空基础设施，能够为国际社会提供优质的全球公共服务产品。“北斗”因此受到了世界各国民众的热烈欢迎和青睐，各类装备北斗服务的终端在全球销售火爆，“北斗”这一特色鲜明的中文词汇逐渐成为世界流行语。
⑨“三更加”愿景
人类认识不断进步，科技发展永无止境。北斗三号全球系统建设收官在即，但是对于中国“北斗”而言，只是进入新的、更高的发展阶段，迈向新的征程。
迈向新征程的“北斗”有什么发展愿景？对此，在2018年底召开的联合国全球卫星导航系统国际委员会第十三届大会上，习近平主席在致大会的贺信中进行了阐释和回答。他表示，2035年前，中国将建设完善“更加泛在、更加融合、更加智能”的北斗综合时空体系，并表达了同各国共享“北斗”系统建设发展成果，共促全球卫星导航事业蓬勃发展的美好愿望。
2000年，北斗一号系统首颗卫星成功飞天。20年弹指一挥间，“北斗”完成了从“北斗一号双星定位、聚焦中国”到“北斗三号三轨合璧、服务全球”的历史性跨越。未来，我们将奋力向着建设完善以“三更加”为特征的北斗综合时空体系挺进。
加油，“北斗”！
卢 鋆 张保淑
《 人民日报海外版 》（ 2020年06月22日 第 09 版）
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