“北斗”，导航地球和未来

刘进军

众所周知，珠穆朗玛峰是世界最高峰。它到底有多高呢？是8847.6米，8846.50米，还是8850米？一百多年来，人们众说纷纭。

1975年，中国国家测绘局组织了规模浩大的珠穆朗玛峰科考测量行动，采用从位于青岛的中国水平原点开始计算的方法。成千上万的测绘人员身背肩扛沉重的测量工具，跋山涉水、风餐露宿，一点一点地丈量，千辛万苦地奋战了几年，才测量到珠穆朗玛峰下。经过中国登山队登顶测量，最终确定珠穆朗玛峰的高度为8848.13米。

尽管测绘人员的工作已经做得非常细致，但是人工测绘的误差仍然很大。2005年，中国国家测绘局利用全球定位系统、激光测距仪、冰雪深度雷达等多种先进技术，结合珠穆朗玛峰水准面基准、地球重力场等因素，再次测量珠峰高度。

这次，中国登山队将“GPS”测量仪往峰顶上一放，便直接获取了高度数据，冰雪深度雷达也立刻探测到了冰雪深度。经过重力、大气等多方面的计算后，测绘专家最终确定了珠穆朗玛峰的高度为8844.43米，2005年10月9日，经国务院新闻办公室发布，1975年的数据8848.13米停止使用。

2005年距今又过去了11年，如今中国人有了装载了定位仪、测高仪、激光测距仪等设备的 “北斗”导航卫星。如果现在再想测量珠穆朗玛峰的高度，测绘人员只要坐在电脑前，就可以立马得到珠穆朗玛峰的全部测绘数据。

“北斗”，穿越时空

中国的卫星导航系统有一个好听、形象的名字——北斗。它是中国的“北斗星”，是中国自主研发、独立运行的导航卫星系统，是开放兼容、技术先进、稳定可靠、覆盖全球的卫星导航系统。

“北斗”导航系统是除美国的全球定位系统（GPS）、俄罗斯的GLONASS之后第三个成熟的卫星导航系统。“北斗”导航系统相比GPS还具备发送短信的通讯功能。也就是说GPS解决了一个我在哪里的定位问题，比如在沙漠里，在海洋上。而北斗导航系统不仅仅解决了我在哪里，还解决了你在这里、他在哪里的问题。GPS虽然可以导航，但是不能通信，当用户手机没有信号时，便不能与外界保持联系，而有了“北斗”导航系统就可以发送卫星短信与外界沟通。

“北斗”导航卫星的轨道

卫星导航系统分为区域卫星导航系统和全球卫星导航系统。区域导航，顾名思义，就是卫星信号只能覆盖一部分地区。全球导航，则是指卫星信号能够覆盖全球。

“北斗”导航卫星共研发了两代，分别是“北斗一号”和“北斗二号”系列。其中，“北斗二号”全球卫星导航定位系统是建立在“北斗一号”区域卫星导航系统基础上的。中国先后在2000年10月31日、2000年12月21日和2003年5月25日，发射了3颗“北斗”静止轨道试验导航卫星，组成了“北斗”区域卫星导航系统，具备了在中国及其周边地区范围内定位、授时、报文和导航的功能。

2007年4月14日，第一颗“北斗二号”卫星发射。到2012年10月25日，中国共发射了16颗“北斗”导航卫星，完成了亚太区域的卫星导航系统，其定位精度为10米，测速精度为0.2米/秒，授时精度为50纳秒，军事定位精度可以精确到厘米级，精确度大大提高。

目前，“北斗二号”还处在建设过程中，仅能覆盖中国和亚太地区，下一步是到2020年，建成由5颗静止轨道和30颗非静止轨道卫星组网而成的全球卫星导航系统。

“北斗”卫星导航系统由地球静止轨道卫星、地球同步轨道卫星和中轨道卫星组成的。

地球静止轨道卫星的优点是站得高、看得远。它位于赤道上空35786千米的空间，轨道周期为24小时，轨道倾角为0°，也就是沿着赤道飞行。每颗卫星可以覆盖地球上40%的区域，3颗静止轨道卫星就可以覆盖除南北极以外的全球。在赤道上空的这个高度，地球的离心力和引力恰好相等。卫星飞行时就能相对定点，也最省力。目前，有5颗“北斗”静止轨道卫星运行在东经58.75°～160°的地球静止轨道上。

地球同步轨道卫星，位于地球上空35786千米的空间，周期为24小时，倾角在1°～90°或91°～180°之间。地球同步轨道卫星与地球静止轨道卫星的高度一样，但轨道倾角不同。它们沿着地球从西南朝东北或从东南朝西北的方向飞行，所以又被称为“倾斜轨道卫星”。虽然地球同步轨道卫星与地球保持同步，每24小时完成一次环绕地球的轨道，但它们不是静止地对准地球的某一个地区。2015年9月30日，我国成功发射的第20颗“北斗”导航卫星就是一颗地球同步轨道导航卫星，运行在近地点为35652千米、远地点为35959千米和倾角为55°的轨道上。

“北斗”全球卫星导航系统模拟图

中轨道卫星位于地球上空2000～35786千米之间的空间，倾角在0°～90°之间，周期为12小时。中轨道卫星的轨道高度比较低，可以减少高轨道卫星的通信弱点。例如，2016年2月1日成功发射的第21颗“北斗”导航卫星，工作轨道即为地球中轨道。

这三种卫星在平台、有效载荷上互有区别，在功能上各司其职。如此纵横交错地部署在太空的 “北斗”卫星，确保了“北斗”卫星的全球覆盖、全时空导航。

“北斗”，太空弩弓

2015年，中国成功发射了4颗新一代的“北斗”导航卫星，标志着中国“北斗”导航系统已由区域导航向全球导航部署。而且这些新一代的“北斗”导航卫星在专用卫星平台、直接发射入轨、星间链路和氢原子钟等技术方面都取得了重大突破。

卫星主要由卫星平台和有效载荷两大部分组成。

打个比方，卫星平台相当于汽车，有效载荷相当于驼载的人或货物。之前，“北斗”导航卫星的卫星平台主要采用“东方红-3”卫星平台，既庞大又笨重。针对此弊端，科研人员专门研制了“北斗”专用卫星平台。现在，“北斗”导航系统的中轨道卫星重量为1014千克，装载“北斗-2M”卫星平台，安装了相控阵天线和激光反射器。而静止轨道卫星和同步轨道卫星重约4600千克，装载“北斗-2M”卫星平台，安装了相控阵天线、激光反射器，以及S、L和C频段天线。新一代的“北斗”卫星平台，在减轻重量、延长寿命等方面都做了诸多改进，适合多星发射。

2015年3月30日，搭载首颗新一代“北斗”导航卫星的“长征三号丙”运载火箭在西昌卫星发射中心点火发射，首次使用太空摆渡车“远征一号”部署卫星，成功地将“北斗”卫星导航系统第17颗卫星直接发射入轨。

通常发射卫星一般都是由多级火箭将卫星送至200多千米的转移轨道。之后，卫星利用自身携带的动力慢慢变轨，轨道越变越大，从椭圆形轨道变轨为圆形轨道，直到进入正轨。但这种发射方法的缺点是不仅浪费时间，而且还容易出错，最主要是消耗了卫星上携带的宝贵燃料，降低了卫星的使用寿命。若将卫星直接发射入轨，不仅可以缩短卫星的入轨时间，还可以提高卫星的使用寿命。这种卫星入轨方式通常只能采用以下两种方法：一是使用大火箭，但成本高昂;二是在多级火箭上再附加一级小火箭，直接发射多颗卫星进入轨道，省钱但费事。“太空摆渡车”就属后者的这种类型。

第15颗“北斗”中轨道导航卫星星下点的地面轨迹

2015年7月25日，第18、19颗“北斗”导航卫星发射升空。该次发射采用了一箭双星的发射方式，这种卫星使用了新一代高精度铷钟，定位、测距和授时等功能更加精确。

2015年9月30日，第20颗“北斗”导航卫星发射升空。这颗卫星首次搭载氢原子钟，随后开展星间链路、新型导航信号体制等试验验证工作，并将适时入网。

氢原子钟是一种极精密的计时器，每100万年才误差1秒，比铯原子钟精确100～1000倍。中国的氢原子钟已实现了核心部件国产化、轻型化和自主可控。

何谓星间链路呢？在卫星通信技术中，通常有三种通信链路方式，即卫星与地球的星地链路，卫星与卫星的星间链路，以及卫星与行星际的星际链路。星间链路，就是让卫星与卫星之间互通信号，实现高精准、大容量、极快速的数据传输，大大减少地面飞行控制技术的难度和设备成本。

在“北斗”全球卫星导航系统中，由于一部分卫星运行在南半球和西半球上空的轨道上，因此有70%以上的卫星是在地面的中国飞行控制中心根本无法监测到的。在这种情况下，怎样指挥与控制卫星呢？除了在世界各地建设飞行测控地面站外，依靠星间链路也是一种解决方案。中国飞行控制中心只要找到一颗卫星，就能实现全球的卫星与卫星之间的通信。相控阵天线技术，让卫星的星间链路、自主运行成为可能。星间链路对建设“北斗”全球卫星导航系统具有划时代的重大意义！

“北斗”，正在快速成长！建成后的“北斗”卫星导航系统不仅服务于国家的现代化建设，而且可以大幅度地提升我国的国防能力和军事高科技水平。中国军队将拥有自己的全球卫星导航系统，战机、军舰、坦克可以精确运动，导弹也能精准命中目标，甚至每个士兵都可以装备一套导航系统。如果那样的话，许多“猎物”还未反应过来，就会变成“盘中餐”。

十字弩弓是中国战国时代伟大的发明。中国古代的将士使用十字弩弓可以做到百步穿杨。欧洲人曾盛赞中国弩弓为“十字弓”，称一介农夫有了十字弓，就可以杀死一个身经百战的骑士，可见其威力巨大。而“北斗”卫星导航系统就像一把十字弩弓，让导弹具有了指哪打哪的本领！