北斗卫星九十小时观测纪实

王宝伊

摘 要 文章采用实证研究法和文献研究法，对北斗卫星进行90小时连续观测，筛选合格卫星观测点，手绘单星星下点轨迹图，总结北斗卫星的特点。研究发现对于亚太地区来说北斗卫星分布严密合理，能够提供比GPS更好的信息服务，最后给出发展建议。

关键词 北斗卫星；卫星导航；观察

中图分类号 P228 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2019）232-0150-03

北斗卫星导航系统是我国自主研发的世界级的导航系统，是我国科技水平的重要体现。北斗卫星系统日新月异地发展有目共睹，我国的航天科学家们整体科学布局、合理扩大观测范围，正从覆盖亚太地区向覆盖全球服务全球阶段迈进。我们期望着中国人和亚洲人越来越多地应用北斗系统，给生活增加便利和安全，期望北斗卫星覆盖的范围越来越广。

1 观测准备阶段

1.1 筛选观测点

人造卫星是由人类建造，以太空飞行载具如火箭、航天飞机等发射到太空中环绕地球在空间轨道上运行的无人航天器[ 1 ]。中国北斗卫星导航系统（BDS）是中国自主研制的全球卫星导航系统[ 2 ]。是继美国全球定位系统（GPS）、俄罗斯格洛纳斯卫星导航系统（GLONASS）、欧洲伽利略卫星导航系统（Galileo）之后第四个成熟的卫星导航系统。该系统可提供区域导航、定位和授时能力，并具短报文通信能力。

进行卫星观测首先要选择一个良好的可长时间连续进行观测的地点。专业观测者选择合适的观测地点需要满足许多的条件，比如：晴天率高、视宁度高、光污染少、大气质量高、海拔高、气温适宜等。本文观测点为东经123.17°，北纬41.25°，海拔45.50m，由于雾霾天气较多，楼房林立，对卫星信号有遮挡，观测条件不够好。在前期实验中，对比分析获得的数据后，摸索出了在城市楼群中筛选观测点的选择规律：有计算方法和直观测量法两种。

第一种，计算分析法。测量拟观测点高度、楼间距、邻楼高度，来计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>遮蔽角的地点作为观测点，如图1所示。

第二种，直观测量法。自行研制简单易用的“观测角量角器”，它是用钢板尺、量角器和红线手工制作的。使用时，一只手将钢板尺的长端紧贴在楼房外墙，让钢板尺的另一端保持水平，闭上一只眼睛，另一只手伸直红线，眼睛瞄准，红线将“观测角量角器”中心点与邻楼房脊最高点连成一线。如图2所示，红线与90度线所夹角为本观测点的观测角，红线与0度线所夹角为本观测点的遮蔽角。

1.2 自制加长杆，扩大观测范围

本文的观测数据还显不足：遮蔽角大，观测到的卫星数量少，不利于后期数据汇总分析。为了扩大观测范围，笔者设计制作了加长杆。将北斗多模接收机伸出窗外约2m，观测结果增加2颗以上卫星。

2 數据的收集、整理和分析阶段

2.1 收集

2.1.1 前期失败的两次实验观测

在12月的周末，完成两次北斗卫星连续观测实验。第一次实验完成后，发现10小时的观测数据量小，达不到实验目的。重新设计实验记录单、星下点轨迹图和实验计划后，做实每一个实验步骤，留下真实准确的北斗卫星观测记录表，给后期的分析总结打下坚实的基础。

第二次实验进行到25小时，遇到雾霾被迫中断了。最后选定正月初四到初六进行第三次北斗观测实验。

2.1.2 修改并最终确定观测实验的目标

1）记录连续50～70个时点的北斗卫星星下点位置、信号强度等。

2）绘制北斗卫星单星轨迹图，北斗卫星的运行规律表。

3）最终推测出北斗卫星的整体布局。

2.1.3 第三次观测实验

第三次实验从2017年2月1日8：00到2017年2月5日1：00时，连续进行了90个小时，达到了预期的目标，实验成功。

2.1.4 北斗卫星观测记录

图4是《北斗卫星观测记录之一》，上面记录着观测时间、卫星的相对位置、信号强度和信号是否被利用（对号即信号优良，空格即信号弱，横线即未收到信号）。2017年2月1日9时观测接收到10颗北斗卫星信号，其中5号卫星调皮地位移。将2017年2月1日8时、9时和10时3个记录对比，可以发现北斗5号卫星在一个小时内，相对位置从 S72°W68°，跑回S80°W74°，精准地复位了。

2.2 整理

根据90小时的北斗卫星观测记录，逐个描绘出每颗卫星运行轨迹图。

图5中描绘的北斗1号到5号是地球静止轨道卫星（GEO），它们能为区域用户提供24小时连续的信息服务，还可以提供卫星无线电导航、位置报告、短报文等功能。

如图6所示，第6、7、8、9、10、13号北斗卫星是倾斜地球同步轨道卫星（IGSO），倾斜地球同步轨道卫星的周期与地球同步，他的轨道倾角约55°，与地面有相对移动星下点轨迹类似“8”。

如图7所示，11、12、14号卫星属于中圆地球轨道卫星（MEO），划过南北纬55度之间的大片区域，中地球轨道的卫星运转周期在2至12小时之间，相对速度大，信息获取能力强，定位精度高。

2.3 分析

2.3.1 北斗卫星的运行规律

北斗卫星的运行规律如表1所示。

2.3.2 北斗卫星分布规律

结合观测实验数据，研究北斗卫星系统的特点如下：

1）北斗6、7、8号卫星出现在亚太地区东部上空，北斗9、10、13号卫星守护在亚洲中西部空中。因为我国领土大部分位于北半球且经度跨度大，将两组IGSO与5颗GEO卫星配合组队，保证我国和亚太地区任何时候都能观测到至少2颗IGSO、5颗GEO卫星，完美实现了三维定位，可以提供更好的定位、导航、授时服务。

2）信息传递能力强，比GPS提供的信息更丰富。IGSO卫星轨道到达南北纬55°，对我国高纬度地区进行有效的信号增强[ 3 ]。在观测中我们发现：倾斜地球同步轨道卫星比静止轨道卫星信号传递能力优越。北斗系统将6颗IGSO和5颗GEO动静结合，对高中低纬进行精度增强。

3 分析实验报告，给出北斗卫星发展建议

3.1 分析

我国MEO卫星位于21 500千米空中，美国GPS（20 200千米），俄罗斯格洛纳斯[ 4 ]（19 100千米）以及欧洲伽利略（23 222千米）。在此高度各国的人造卫星很多。《北斗卫星导航系统》提到，北斗系统计划在3个轨道倾角为55°的轨道面上布排27颗MEO卫星，即我国需要再建造发射24颗MEO卫星。

3.2 发展建议： 科技创新升级、战略创新储备

在国际卫星导航领域里，科技创新和战略创新很快，客观环境要求我们加强技术创新升级和战略创新储备，不断地提升北斗卫星的单星防御，所以结合现状，给出以下几条建议：

1）卫星外部包裹轻薄严密的防激光护甲。护甲的材料以新型陶瓷材料为主，这种无机非金属材料，在空气中可以耐受1 980℃的高温，具有在高温下强度高、硬度大、抗氧化、耐腐蚀、耐磨损、耐烧蚀等优点[ 5 ]。

2）卫星前方设智能灵盾，雷达探路、遇障碍变轨，选取最佳路径，雷达还可以发现外来撞击物，通知主星变轨避开[ 6 ]；如果攻击避不开，将盾牌移到相应位置，减少主星伤害。

3）卫星采用防激光装备。设置热感应二氧化硫气囊，非线性光电传感器和抗激光材料，以及防激光的新型聚合物基复合材料、碳-碳复合材料、陶瓷基复合材料、抗激光涂层等[7]。

總之，最终目的就是提高北斗卫星的自保能力、应变能力和抗打击能力。

4 结论

北斗卫星系统日新月异地发展，正从覆盖亚太地区向覆盖全球服务全球阶段迈进。我们期望着中国和世界越来越多地应用北斗系统，给生活增加便利和安全。

参考文献

[1]焦维新.北斗卫星导航系统[M].北京：知识产权出版社，2017.

[2]曹冲.卫星导航常用知识问答[M].北京：电子工业出版社，2010.

[3]吕伟，朱建军.北斗卫星导航系统发展综述[J].地矿测绘，2007，23（3）：29-32.

[4]王峰，张海明.复兴中的俄罗斯“格洛纳斯”全球导航系统[J].现代军事，2008（4）：42-45.

[5]马利双，苏保成.浅析军用卫星防护技术手段[J].科技风，2009（19）：213.

[6]薛进，张九渊.新型陶瓷材料的开发及应用[J].机电工程，2004，21（12）：56-60.

[7]刘必鎏，时家明，严学澄，等.激光对卫星的威胁及其防护[J].红外与激光工程，2009， 38（3）：470-475.