北斗卫星九十小时观测纪实与畅想

文 王宝伊 辽阳市第二高级中学

摄影 王可

北斗卫星九十小时观测纪实与畅想

文 王宝伊 辽阳市第二高级中学

摄影 王可

（在刊登时，对原文内容进行了整理）

我是一个兴趣广泛的高中学生，爱仰望星空，体会那种寄蜉蝣于天地的渺小；喜欢爱运动，在苍穹之下、绿草之畔与挚友挥洒汗水；爱看书，尤爱课外书，一人一书一世界。

2016年末，我收到“北斗多模接收机”，兴奋地立刻开始观测北斗卫星，可是第一次实验准备不足只进行了10小时就中止了。一次失败难不倒我，经过准备，我进行了第二次观测实验。令我始料未及的是，30小时后天公不作美，雾霾来临实验被迫中止。实验注定无法进行吗？即便如此，我也不愿放弃。我只能多多地买书、上网搜索、重新设计实验。沉寂了1个多月，利用年假，最终在全家的支持下，经历了整整90小时北斗卫星连续观测，我终于如愿以偿地获得了需要的实验数据。

在实验中也有难题困扰着我，我实验观测的数据与书上的数据不符，网上的信息与书上一致，难道是我的实验有问题？经过多次检查验证，实验数据可信无误。那究竟孰是孰非呢？于是，我找到一位北斗方面的专家，向他请教。他解释道：“我国的卫星发展日新月异，书与网络上的信息没有及时更新。你这种敢于质疑权威的精神难能可贵，有不少人止步于此无法突破。是这种敢于质疑、勇于探索的精神让科学发展至今。希望你能保持这种精神！”航天专家的话令我受益匪浅，愿对同学们也有启示。

知识小链接

MEO：

中地球轨道卫星(Medium Earth Orbit，简写为MEO)，是位于低地球轨道(2000千米)和地球静止轨道(35786千米)之间的人造卫星。

IGSO：倾斜地球同步轨道卫星（Inclined Geosynchronous Orbit, 简写IGSO）, 是位于地球静止轨道(35786千米)且地球同步轨道的倾角不为0的人造卫星。

第一阶段 克服城市楼群信号遮挡难题，自制工具，找到理想观测点。

因为对北斗卫星运行痴迷，我们想在连续90小时内连续采集卫星信号。可是北方已天寒地冻，夜晚在户外宿营时笔记本电脑死机没法采集数据。怎样在城市森林中找到合格的卫星观测点呢? 在2017年寒假的2月1日8：00至5日1：00，我通过大量的对比实验，找到了在城市楼群中设置效果优良的卫星观测点的规律，具体表述出来就是：结合拟观测点高度、楼间距、邻楼高度，测算出拟观测点的观测角和遮蔽角，选择观测角＞45度或者观测角＞遮蔽角的楼房作为观测点。

使用自制观测角量角器，选择合格观测点

自制观测角量角器

我用直尺和量角器制作了一个测量工具，用来准确测量观测角。

观测角、遮蔽角比较示例图

利用自制的观测角量角器，我们在城市楼群中选取了符合质量要求的卫星信号观测点——我的家。此观测点高约15米，楼间距为30米，南侧楼房高约18米，观测角大于50度。

为了详实地描述卫星的运行轨迹，减少观测死角，自制了观测加长杆，能够增加2颗星以上，我终于采集到了比较理想的数据。利用寒假进行了90小时兴奋又艰苦的连续观测。

遗憾的是，如果可以买到线长20米的北斗多模接收机，那么我可以说服顶楼邻居安装，就能减小观测死角，把正弦曲线运行的卫星轨迹描画得更完整了。

2017.02.01 8∶00 信息采集于四层住宅楼

第二阶段 观察和记录北斗卫星信息

向科技和地理老师请教了星空图位置的表示方法，把观测到的北斗卫星星下点相对位置记录下来，留下真实、连续的第一手资料——90小时北斗卫星观测记录。

北斗卫星观测记录图

第三阶段 描绘每颗卫星的运行轨迹图

根据90小时的北斗卫星观测记录，逐个描绘出每一颗卫星运行轨迹图。

北斗卫星的星下点轨迹图

第四阶段 分析卫星轨迹图和位置记录，探索北斗卫星的运行规律。

我发现北斗系统是由14颗卫星组成：5颗静止轨道卫星、6颗“8”字轨道卫星和3颗正弦曲线卫星。

首先对比分析2017年2月1日8∶00到2月5日1∶00这些记录，我找到5颗静止轨道卫星GEO，它们分别是：1号、2号、3号、4号和5号卫星。

6颗“8”字轨道运行卫星是倾斜地球同步轨道卫星IGSO，分别由3颗卫星组成的两组，它们像是辛勤巡逻、均匀分布的小蜜蜂跳着“8”字舞。其中6号、7号和8号卫星是一组，它们排好顺序，在我国的东部和西太平洋上空飞舞；9号、10号和13号卫星是一组，它们踩着相同的节奏，在我国的中西部领地上空守护。它们的运行周期大约是24小时（我是每小时观测一次，可能有误差）。

静止轨道卫星和倾斜地球同步轨道卫星共11颗都位于35786千米的高空，织成了最密实可靠的卫星网，它们忠诚地守卫着亚洲和西太平洋地区。

3颗正弦曲线轨迹的是中圆地球轨道卫星MEO，它们位于21500千米空中，相对速度大，信息获取能力强，定位精度高，是名符其实的千里眼。它们是11号、12号和14号卫星，它们的运行轨迹象正弦曲线一样，划过北纬55度到南纬55度之间的大片区域。如果倾斜地球同步轨道卫星有故障，它们还能补位呢。

第五阶段、分析卫星记录，研究静止轨道卫星的特点。

学习了焦维新老师编写的《北斗卫星导航系统》，我了解到当轨道高度为35786千米时，卫星的运行周期和地球的自转周期相同。同时，当卫星轨道平面与地球赤道平面的夹角为0度时（即轨道倾角为0度时），卫星正好在地球赤道上空，以与地球自转相同的角速度绕地球飞行，从地面看卫星好像是静止的，经过连续观测记录，我确认北斗1～5号就是在静止轨道（GEO）上运行。

从GEO卫星的特性可以推断以下四点。

第一、北斗1～5号卫星位置很高，覆盖面积大，单星功能很强大。每颗GEO卫星可以覆盖地球面积的42%，美国的GPS中轨卫星只能覆盖37.9%。

第二、北斗1～5号卫星常年出现在我国上空，可以为用户提供全天候、全天时的优质服务，包括定位、导航、授时和短报文通信。北斗系统具有短报文通信功能，通过特殊短报文终端可以一次传送40～60个汉字的短报文信息, 其短报文通信功能更是其他卫星所没有的。

第三、从理论上来说，只要有3颗静止轨道卫星就能将信号覆盖到我国和南北半球中低纬大部分地区。但是，我国的航空专家们采用了5颗GEO卫星、6颗倾斜地球同步轨道卫星和24颗中圆地球轨道卫星组合成北斗系统，对高中低纬进行精度增强，能够精确三维定位（定位精度优于1米）。

第四、观测分析中有成果也有误差

作为一名普通学生，我的观测数据可能很普通。初期准备5天先期实验、多处比较选择观测点；中期艰苦又兴奋地90小时连续观测，即时记录；后期分析汇总同期记录艰苦又兴奋，锁定每颗卫星描绘90小时星下点运行轨迹，进行同一时点不同卫星对比和不同时点单星对比分析。经过15天的努力，终于找到5颗静止轨道卫星，6颗“8”字轨道运行卫星和3颗正弦曲线运行卫星。

在观测分析中也发现了误差：从5颗卫星的星下点位置推断卫星的经纬度有两颗发生了10度以上的偏差。

参照北斗卫星的90小时连续观测记录焦维新老师的《北斗卫星导航系统》和曹冲老师的《卫星导航常用知识问答》，我试着推算出了静止轨道卫星的星下点位置，与正确位置对比如下：

《北斗卫星导航系统》记述了北斗2号和4号卫星的位置，误差分别为偏西12度和偏东13度。明明很认真地观察并且同期记录了，怎么还会有这么大的误差呢？是我的操作失误还是硬件、软件有问题？如果我看卫星有误差，那么卫星采集和传回的信息是不是也有误差呢？航天学家们有解决的好办法吗？我重新核对了90次记录，翻阅了更多的资料、图片，上中国知网检索，最后确定不是笔误眼花。在质疑过程中似乎发现了一个BDS分布规律和一个意外惊喜。

1.BDS分布规律

观测规律就是与观测点距离在40度以上的卫星观测值误差明显，方向偏于远离观测地方向，尤其是先期发射的卫星误差更明显。

（1）从90小时的观测记录中我们可以发现：距离在40度以内的卫星观测值准确，而且在90小时的连续观测中我们发现附近总有4颗以上北斗卫星处于最优位置，在亚洲和西太平洋地区北斗卫星编织起密实的“天网”，比GPS提供的信息更丰富。

（2）从北斗星下点轨迹图中，我们可以发现以下分布规律：

首先：每组3颗倾斜轨道卫星，由于匀速在南北半球运转，最少有一颗处于北半球观测位置，两组就最少有两颗；

其次：静止轨道卫星从西向东依次为第5、2、3、1、4号卫星，它们均匀分布在东经58.75,东经80，东经110.5，东经140，东经160度，每两颗星相距20～30度。而且距离在40度以内的卫星观测值准确。在亚洲和西太平洋地区，总能看到两颗以上的静止轨道卫星。

此外，还有北斗的中地轨道卫星。所以身处亚洲或西太平洋地区，总有4颗以上的北斗卫星处在最优位置。而且还有能够提供短信息的独特功能呢。

细细想来，这里又包含了每颗卫星各管一方，整体科学布局、逐步合理扩大观测范围的问题。我国的航天科学家们正从覆盖亚太地区向覆盖全球服务全球阶段迈进。能让人们在全世界大多数地方都享受到北斗卫星的优质服务该是多么放心、多么美好的事情！

至于这个误差怎么产生的，我首先想到了一个人尽皆知的现象。当我们班几十个同学挤在一起合影时，人们都爱站在中间，因为拍出来的效果会好看。而站在边角的同学，脸和身体容易变形，看上去很怪异。也许是一个道理吧。查阅中国知网，我检索到：1～5号卫星是高轨卫星，轨道太高本身就意味着卫星与地面物体的相对速度很小，不利于使用多普勒频移的解算方法，导致测量误差大，定位精度降低。所以动态与静态卫星结合产生的效果才更好。

记录数据是现实的反映，它凝聚着汗水，能指给人方向；但是完全相信记录数据而不考虑整体布局和综合功效则是不足取的。想方设法借来《北斗卫星导航系统》，向科技老师多次请教，观看北斗科普照网信息，终于能够看清想透，并意外发现了高轨卫星的独特功能。

2.北斗卫星独特的短信功能成果卓越

北斗卫星独特的短信功能主要是靠1～5号卫星来完成，它们在地震联系救人、航海定位救人方面成果卓越。根据资料显示，2008年汶州地震中北斗一代卫星的定位和短信功能充分发挥了作用。仅仅1000台卫星终端设备就提供卫星定位服务164万次，短信服务74万次。成为救援指挥部队和前线救援人员最得力的通信助手，最大限度地挽救人民的生命财产，被称为灾区人民的福星。

远洋渔业凶险难料，渔民们用上北斗二代的双向通信和精确定位功能，危急时刻点击一键呼救，生命安全有保障；接收实时的天气、海浪、赤潮、鱼迅、渔市价格消息；甚至渔民在海上就把渔获信息传回岸上，提前联系好买家。北斗卫星的短信功能非常受欢迎。例如，2011年浙江省渔民发短信1300万条，其中船、船互通604万条，船与手机互通696万条，被渔民称为福星加财星。而且随着卫星通信相关产业的发展，在“一带一路”建设、户外运动、旅游安全领域还能开发出更显著的功效，期望能够尽快开发出匹配的应用软件，让好马配上好鞍，必然在民用领域中占据更重要的地位。

解开心中10多天的自责、困惑和怀疑后，心情更从容愉悦，不禁想到我国的航天专家们已经发现并且解决了卫星偏离复位的问题（2017年2月1日9∶00北斗5号卫星就曾经在我观察到发生位移的1小时后复位）。

航天专家们还解决了卫星信息误差的问题。当用户终端可以接收多于4颗卫星的信息时，他们设计将卫星每组4颗分为多个组，列出多组方程，然后通过一定的算法挑选误差最小的那组结果，只要空中有足够的卫星，就能够提高精度。

航天学家们科学布局，计划采用5颗地球静止轨道卫星（GEO卫星）、6颗倾斜地球同步轨道卫星（IGSO卫星）和24颗中圆地球轨道卫星（MGO）组合成北斗系统，动静态结合，中高轨道结合，对高中低纬进行精度增强，能够精确三维定位。有力保证了在世界上大多数地方，都能接收到3颗以上北斗卫星的有效信号。现在理解了北斗系统的构成多么必要！（指导老师：杨德昌，刘大伟 辽阳市第二高级中学）