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北斗系统实现全球组网:让中国的卫星来守护中国的天空

2020-10-20Sue

课堂内外(高中版) 2020年9期
关键词:导航系统北斗单车

文/ Sue

2020年6月23日9点43分,在西昌卫星发射基地,“北斗三号”卫星导航系统成功发射最后一颗卫星。现在,太空中有55颗北斗导航卫星,正围绕地球,昼夜飞行,为地面上2700多个基准站发射信号,改变着无数人的生活方式。

三球交会定位原理

从20世纪80年代提出设想,到1994年“北斗一号”工程建设正式启动,并于2000年发射2颗地球静止轨道(GEO)卫星,到2004年“北斗二号”正式立项,再到如今最后一颗“北斗三号”卫星成功发射,完成全球组网,这项庞大的航天工程,历时30多年,终于转入长期管理模式。

北斗系统(BDS)和美国全球定位系统(GPS)、俄罗斯格洛纳斯卫星系统(GLONASS)、欧盟伽利略卫星导航系统(Galileo)并称为“全球四大卫星导航系统(GNSS)”。北斗系统由于是我国自主研发的卫星导航系统,且可以为全球用户提供全天候、全天时、高精度的定位、导航和授时服务而备受全球瞩目。

全球卫星导航系统是一项庞大、繁琐、精密的航天工程,起步较晚的北斗系统是如何赶超、实现的呢?

要想实现定位功能,首先要在太空中至少布置3颗导航卫星。它们不断地向地球发射电磁波信号,我们利用导航设备接收信号,信号在一发一收之间产生的时间差乘以电磁波的传播速度(等同于光速),便可以计算出我们与卫星的距离。

这3颗导航卫星所构成的三个球面相交后,可得到A、B两交点,A、B点都可能是我们的位置。而两点之中,仅有B点位于地表附近,于是便锁定了我们唯一的位置。如果只有一两颗卫星,是做不到这一点的。这就是卫星导航的秘密,即三球交会定位原理。

实现从无到有的跨越

在实际操作中,各种各样的误差不可避免。为消除误差,往往还需要第4颗卫星的辅助。而为了保证时刻接收到4颗及以上卫星的信号,卫星总数往往要远远多于4颗。美国GPS系统和俄罗斯GLONASS系统的导航卫星数量都在24颗以上,也是这个道理。

然而,这对当时国内的技术条件而言,几乎是不可能实现的梦想。那么能不能用更少的卫星完成目标?中国科学院院士、“两弹一星功勋奖章”获得者陈芳允给出了答案:由两颗卫星组成的双星定位系统。

他提出,在地面设置一个导航系统的“大脑”,即地面控制中心,利用地面控制中心,人们可以在地球周围设置一个虚拟的球体,并通过控制中心、卫星、用户三者之间的交互,计算得到用户的位置。

可即使只需要两颗卫星,这也是一项极其艰难复杂的工程。从1994年方案获得正式立项,到2000年“北斗一号”的两颗卫星成功入轨,无数科研人员奋战6年,终于梦想成真,中国的导航系统实现了从无到有的跨越。

从“北斗一号”到“北斗三号”

这一蹒跚起步的过程中,自然是困难重重。比如,导航系统需要用到精度极高的原子钟。研发“北斗一号”时,我国并不具备这方面的生产能力,只好从国外进口。但到“北斗二号”时期,采购渠道遭到封锁,无奈,科学家们只能从零开始研制原子钟。

太空资源,讲究先到先得。美国和俄罗斯的人造卫星已经占据了导航的黄金频段和轨道,这使得优质太空资源日益稀缺,研发工作越发显得时间紧、任务重。

2004年,“北斗二号”立项。为了获得专属频道,科研人员专门向国际电信联盟提出申请,但应要求,在申请通过后的7年内,“北斗二号”卫星必须实现发射入轨和信号接收,否则相关资源将被回收。这意味着,科学家们必须在7年内争分夺秒、万无一失地完成“北斗二号”的研发任务。

北斗系统的研发之路异常艰难,但科学家们没有放弃。他们拥有一份无比坚定的信念:让中国的卫星来守护中国的天空。于是,从“北斗一号”的首星发射到“北斗三号”的末星入轨,我们看到无数科学家们不曾退却,步步为营,努力拼搏,最终收获成功的身影。

2020年6月23日,北斗系统成功完成全球组网!这一系统将被广泛应用于电力、金融、通信、交通、农业、测绘、减灾救灾等生产和生活的方方面面,更重要的是,中国可以彻底摆脱对全球定位系统(GPS)的依赖。

现在,有300多个单位正为之孜孜不倦地工作。8万多名“北斗人”将一起同心协力,用中国自主研发的卫星导航系统,创造出拥有无限可能的新未来。

那些被“北斗”改变的生活

北斗全球组网成功,不单是我国航天史上的一次里程碑事件,它也将从此深刻地改变我们的日常生活。从衣食住行到每一口呼吸,我们的生活被北斗“承包”了。

●外卖秒达美滋滋

当外卖平台遇上北斗系统,“阿宅”们的生活就更加美滋滋了。配备了北斗车载终端和手环,外卖小哥便可获得最佳的配送方案。北斗系统实现了车、人、货信息的实时调度,送餐效率立马提升。

●谁知盘中餐也有卫星守护

如今,装有北斗导航系统的无人收割机可以奔驰在广袤的田野之上,满载农民伯伯丰收的喜悦。随后,这些被收割下来的粮食,又将通过装载了北斗导航系统的汽车运送到华夏大地的每一个角落,最终运到你的手中。谁知盘中餐,竟也有了卫星的守护。

●揪住空气里的PM2.5

北斗的定位精度极高,可以实现分米、毫米级别的定位,更小的东西也能被北斗“看见”。比如,它可以将空气里行踪不定的污染物纳入环境监测信息系统,也就是说,没有一颗PM2.5能逃出北斗的“慧眼”。保障我们呼吸的每一口空气都是清新的,北斗做到了。

●等公交再也不心焦

地面公交搭载上北斗导航系统,不仅能合理地调动整座城市的每一辆公交车,提高运行效率,还能对到站公交进行实时预报,准确率达到95%。从此以后,每当你到达公交站,抬头一看实时时刻表,就能知道自己想坐的公交车什么时候抵达了。

●一秒找到共享单车

用过共享单车的人,或许都曾有过这样的经历——骑车五分钟,找车一刻钟。现在,北斗可以避免这样尴尬的事情发生。共享单车将通过北斗提供的亚米级高精度定位,向租借人提供精准的单车位置。即使在高架桥下、楼宇间、树荫下等信号遮挡的地方,定位也不会“漂移”。

●“路痴”们的特效药

据统计,2020年第一季度,在中国市场申请入网的智能手机中,超过75%支持北斗定位。只要你拥有一只置入了北斗芯片的手机,就可以收到北斗卫星的导航信号。驾车出门,它可以帮你精准地躲避拥堵,选择最佳路线。有了这样的手机,再迷糊的路痴也很难再迷路。

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