6月23日9時43分,北斗系統(tǒng)的第五十五顆導(dǎo)航衛(wèi)星,暨北斗三號最后一顆全球組網(wǎng)衛(wèi)星成功發(fā)射。國人一片歡騰,為祖國的高科技而驕傲。
那么北斗系統(tǒng)到底是什么?北斗一號,二號三號有什么區(qū)別?它的主要作用和它是怎么工作的呢?
本文將會帶大家一一揭秘。
北斗系統(tǒng)是中國為了國家安全和發(fā)展需要自研的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),可以為全球用戶提供全天候、全天時、高精度定位、導(dǎo)航和授時服務(wù)。
目前能提供全球服務(wù)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)主要有美國GPS、俄羅斯GLONASS、中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和歐洲Galileo。
在北斗系統(tǒng)出現(xiàn)之前,國內(nèi)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)基本上是被GPS所壟斷,但是從國家戰(zhàn)略發(fā)展的角度,一直受制于美國的技術(shù)肯定是不可取的,所以國家開啟了北斗系統(tǒng)計劃。
北斗系統(tǒng)是通過三步走來建立的,也就是大家經(jīng)常聽說的北斗一號,北斗二號和北斗三號。
北斗一號主要為中國用戶提供定位、授時、廣域差分和短報文通信服務(wù)。
北斗一號是在1994年啟動的,并與2000年發(fā)射2顆地球靜止軌道衛(wèi)星,建成系統(tǒng)并投入使用,采用有源定位體制。在2003年,發(fā)射第3顆地球靜止軌道衛(wèi)星,進(jìn)一步增強(qiáng)系統(tǒng)性能。
北斗二號在兼容北斗一號系統(tǒng)技術(shù)體制基礎(chǔ)上,增加無源定位體制,為亞太地區(qū)用戶提供定位、測速、授時和短報文通信服務(wù)。
北斗二號是在2004年啟動建設(shè)的,在2014年完成了14顆衛(wèi)星(5顆地球靜止軌道衛(wèi)星、5顆傾斜地球同步軌道衛(wèi)星和4顆中圓地球軌道衛(wèi)星)發(fā)射組網(wǎng)。
北斗三號主要為全球用戶提供定位導(dǎo)航授時、全球短報文通信和國際搜救服務(wù),同時可為中國及周邊地區(qū)用戶提供星基增強(qiáng)、地基增強(qiáng)、精密單點(diǎn)定位和區(qū)域短報文通信等服務(wù)。
北斗三號是在2009啟動的,在2020年完成30顆衛(wèi)星發(fā)射組網(wǎng),全面建成北斗三號系統(tǒng)。
具體來說2018年12月,完成包括18顆MEO衛(wèi)星的基本系統(tǒng)建設(shè)和1 顆GEO衛(wèi)星發(fā)射,并開通全球服務(wù);
2019年12月,完成6顆MEO衛(wèi)星和3顆IGSO衛(wèi)星發(fā)射,完成核心星座部署,系統(tǒng)服務(wù)能力進(jìn)一步提升;
2020年再發(fā)射2顆GEO衛(wèi)星,將完成全系統(tǒng)建設(shè),實(shí)現(xiàn)滿星座運(yùn)行服務(wù)。
目前,北斗系統(tǒng)服務(wù)由北斗二號系統(tǒng)和北斗三號系統(tǒng)共同提供,2020年后將平穩(wěn)過渡為北斗三號系統(tǒng)為主提供。
MEO 中圓地球軌道(Medium Earth Orbit).MEO衛(wèi)星軌道高度約21500km,軌道傾角為55度,繞地球旋轉(zhuǎn)運(yùn)行,通過多顆衛(wèi)星組網(wǎng)可實(shí)現(xiàn)全球覆蓋,北斗MEO星座回歸特性為7天13圈。
GEO 地球靜止軌道(Geostationary Earth Orbit)。GEO衛(wèi)星相對地球靜止,軌道高度35786km,軌道傾角為0度,單星覆蓋區(qū)域較大,3顆衛(wèi)星可覆蓋亞太大部分地區(qū)。
IGSO 傾斜地球同步軌道(Inclined GeoSynchronous Orbit)。IGSO衛(wèi)星軌道高度與GEO衛(wèi)星相同,軌道傾角為55度,星下點(diǎn)軌跡為“8”字。
北斗系統(tǒng)由空間段、地面段和用戶段三部分組成。
空間段:北斗三號系統(tǒng)空間段由3顆GEO衛(wèi)星、3顆IGSO和24顆MEO衛(wèi)星等組成。
地面段:北斗三號系統(tǒng)地面段包括主控站、時間同步/注入站和監(jiān)測站等若干地面站,以及星間鏈路運(yùn)行管理設(shè)施。
用戶段:北斗系統(tǒng)用戶段包括北斗及兼容其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的芯片、模塊、天線等基礎(chǔ)產(chǎn)品,以及終端設(shè)備、應(yīng)用系統(tǒng)與應(yīng)用服務(wù)等。
北斗系統(tǒng)分為B1,B2,B3三個頻段信號。
北斗二號在B1、B2和B3三個頻段提供B1I、B2I和B3I三個公開服務(wù)信號。其中,B1頻段的中心頻率為1561.098MHz,B2為1207.14MHz,B3為1268.52MHz。
北斗三號在B1、B2和B3三個頻段提供B1I、B1C、B2a、B2b和B3I五個公開服務(wù)信號。其中B1頻段的中心頻率為1575.42MHz,B2為1176.45MHz,B3為1268.52MHz。
北斗系統(tǒng)提供的服務(wù)主要從全球范圍和中國范圍來區(qū)分。
對于全球范圍可以提供定位導(dǎo)航授時,全球短報文通信,國際搜救這三大服務(wù)。
對于中國及其周邊的地區(qū)可以提供星基增強(qiáng),地基增強(qiáng),單點(diǎn)定位和區(qū)域短報文通信等服務(wù)。
星基增強(qiáng)服務(wù)。按照國際民航組織標(biāo)準(zhǔn),服務(wù)中國及周邊地區(qū)用戶,支持單頻及雙頻多星座兩種增強(qiáng)服務(wù)模式,滿足國際民航組織相關(guān)性能要求。
地基增強(qiáng)服務(wù)。利用移動通信網(wǎng)絡(luò)或互聯(lián)網(wǎng)絡(luò),向北斗基準(zhǔn)站網(wǎng)覆蓋區(qū)內(nèi)的用戶提供米級、分米級、厘米級、毫米級高精度定位服務(wù)。
北斗系統(tǒng)提供的這些服務(wù)中大部分都是非常容易理解的??赡苡信笥褧蓡?,授時是什么?
授時簡單點(diǎn)講就是傳遞標(biāo)準(zhǔn)時間。
其實(shí)授時這個需求古已有之。我們在國內(nèi)的很多城市都可以看到有鐘樓這樣的建筑。
鐘樓就是為一個城市傳遞時間的工具。大家聽到鐘聲就知道現(xiàn)在是什么時辰了,就可以去做相應(yīng)的事情。
我們知道目前國際通用的標(biāo)準(zhǔn)時間叫做協(xié)調(diào)世界時(Universal Time Coordinated,UTC),它是以原子時的秒長為基礎(chǔ),與世界時的時刻相結(jié)合。當(dāng)兩者之差逐年積累,達(dá)到0.9秒時,就通過正負(fù)1閏秒的方式彌補(bǔ)誤差,同時保持時間尺度的均勻。
北斗系統(tǒng)的授時服務(wù)就是將中國科學(xué)院國家授時中心的中國標(biāo)準(zhǔn)時間,通過衛(wèi)星服務(wù)傳播給各行各業(yè)的應(yīng)用,以保證時間的同步和準(zhǔn)確性。
衛(wèi)星會定時向外部發(fā)送信號,我們的信號接收器通過接收衛(wèi)星的信號來定位。
假設(shè)現(xiàn)在有兩個衛(wèi)星,每個衛(wèi)星都維護(hù)了一個自己的時鐘。假設(shè)每個衛(wèi)星每隔一秒鐘發(fā)送一個信號。同時接收器也維護(hù)了一個自己的時鐘,那么接收器可以通過判斷信號到達(dá)時間來計算出自己和兩個衛(wèi)星的距離。
注意,上面我們假設(shè)接收器擁有自己的準(zhǔn)確時鐘。對這個問題的討論我們會在后面詳細(xì)解答。
上面我們畫的是一個二維示意圖。如果在三維環(huán)境中,相應(yīng)的衛(wèi)星個數(shù)要加一。
好了,問題來了,知道兩個衛(wèi)星離我們的距離是否可以精確定位我們的位置呢?
答案是否定的,因為我們并不知道衛(wèi)星所在的位置。
怎么才能準(zhǔn)確定位衛(wèi)星的位置呢?
早在1617年,約翰尼斯·開普勒(Johannes Kepler)大神就在一個理想化的模型中,使用7個元素就可以定位一個衛(wèi)星軌道。
當(dāng)然這個理想化的模型有一些約束條件:軌道堅持2D平面,并且始終是橢圓形。然后,你可以使用以下元素精確描述這個固定軌道:
橢圓的長軸和短軸的平均值(實(shí)際上:橢圓的面積,A)
橢圓的長軸和短軸之比(e)。
描述軌道平面方向的三個參數(shù):傾角(i0),
上升節(jié)點(diǎn)的經(jīng)度(Ω0),
近拱點(diǎn)(ω)
在T = 0(平均近點(diǎn)角M0)處,衛(wèi)星沿橢圓的距離為多遠(yuǎn)
T = 0的時刻(t0e)
雖然開普勒的模型足夠完美,但是還不夠,因為地球本身并不是一個完美的球體,并且引力場也不是完全均勻的。如果直接使用這個模型,那么衛(wèi)星位置可能會有千米的誤差。
為了解決這個問題,1970年設(shè)計GPS的大神,在開普勒模型的基礎(chǔ)上又添加了6個參數(shù)。
下圖是GPS和歐洲的伽利略衛(wèi)星系統(tǒng)使用的定位參數(shù):
具體的含義我就不細(xì)講了,感興趣的朋友可以自行探索。
北斗衛(wèi)星系統(tǒng)也是沿用了GPS設(shè)計的衛(wèi)星定位參數(shù)。
以編號C06@0的北斗衛(wèi)星為例,我們看一下它對外提供的信號信息:
如果我們把當(dāng)前的衛(wèi)星位置和之后可預(yù)測的衛(wèi)星位置統(tǒng)計起來,就生成了一張星歷表。
上圖是2020年6月24日北斗衛(wèi)星的星歷表圖。
有了衛(wèi)星的位置和離衛(wèi)星的距離,我們就可以計算我們的位置了。但是這里有一個前提,就是衛(wèi)星的時鐘是準(zhǔn)確的,并且接收者的時鐘也是準(zhǔn)確的。
這里涉及到兩個問題,一個是衛(wèi)星的時鐘的準(zhǔn)確性,一個是接受者時鐘的準(zhǔn)確性。
我們先來看接受者時鐘準(zhǔn)確性的問題。
如果信號是以光速來傳播的,那么一納秒的誤差距離就是30厘米。
對于普通的接收設(shè)備來說,維持納秒級的精確時鐘基本上是不可能的,那怎么才能讓普通的接收設(shè)備也能夠精確的定位呢?
答案是再加一顆衛(wèi)星。
接收設(shè)備同時接收到三顆的信號,同一時刻的信號肯定要匯集于接受者實(shí)際位置那一點(diǎn),那么接受者可以通過修正本地的時鐘從而將多個衛(wèi)星信號匯集于一點(diǎn),從而實(shí)現(xiàn)本地時鐘的校正和精確位置的定位。一舉兩得。
如果是在三維空間,至少需要4顆衛(wèi)星。
接受者的問題我們解決了,發(fā)送者的問題怎么解決呢?
每個衛(wèi)星也需要一個精準(zhǔn)的時鐘用來發(fā)送信號。
我們知道世界上最精準(zhǔn)的時間是在實(shí)驗室環(huán)境中產(chǎn)生的,但是衛(wèi)星所處的環(huán)境,不可能達(dá)到實(shí)驗室那種精確度。
我們可以從地面上監(jiān)控空中的時鐘,并將其和實(shí)驗室環(huán)境中的精確時間做比對,然后向衛(wèi)星發(fā)送校驗信息。
主要有三個校正項:
時鐘偏離量 af0納秒
時鐘偏移率 af1納秒/秒
時鐘偏移加速度 af2納秒/秒/秒
一般來說衛(wèi)星在收到校正信息之后并不會調(diào)整自己的時鐘,而是將校正項和原始時鐘一起發(fā)送給接收方,由接收方自行處理。
好了,所有的問題好像都解決了,但是還有一個問題。就是電離層的問題。
信號在電離層傳輸會受到影響,從而產(chǎn)生延時。
怎么解決這個信號延時的問題呢?
因為電離層產(chǎn)生的延遲與信號頻率成正比。因此我們可以采用多頻率的信號,從而通過不同頻帶之間到達(dá)的時間差來推導(dǎo)所產(chǎn)生的總延遲并消除總延遲。
這樣就可以消除99.9%以上的由大氣引入的誤差,而無需執(zhí)行進(jìn)一步的建模。
上面我們介紹北斗系統(tǒng)的時候提到了,北斗系統(tǒng)使用了B1,B2,B3三個頻段信號,使用三個頻段信號可以更好的消除電離層的誤差。
本文通過北斗衛(wèi)星系統(tǒng)介紹,粗淺的分析了一下衛(wèi)星定位的原理和精確時鐘。如有錯誤,歡迎指正。
本文參考資料:北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng) http://www.beidou.gov.cn/
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