不……不，如果你認(rèn)為北斗就是GPS、就是百度地圖，那么你迫切需要這本[敏感詞]上架的《北斗導(dǎo)航》。里面滿滿都是關(guān)于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的知識(shí)，帶你了解北斗的前世今生、帶你認(rèn)識(shí)北斗的星座和太空“手拉手”、帶你感受北斗的重要功用……

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《北斗導(dǎo)航》一書是中宣部主題出版重點(diǎn)出版物《中國科技之路》叢書中的重要一冊(cè)，創(chuàng)作團(tuán)隊(duì)均為北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的一線科技工作者。作為一本介紹北斗導(dǎo)航基礎(chǔ)知識(shí)的書籍，本書從衛(wèi)星導(dǎo)航發(fā)展歷程、北斗衛(wèi)星星座、衛(wèi)星發(fā)射場(chǎng)及測(cè)控網(wǎng)、自主研發(fā)、國際合作、未來展望等多個(gè)方面進(jìn)行了介紹。一定可以解答你心中關(guān)于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的問題！序共和國勛章獲得者、兩彈一星功勛獎(jiǎng)?wù)芦@得者、原北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)工程總設(shè)計(jì)師孫家棟院士對(duì)本書出版寄予厚望。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)副總設(shè)計(jì)師楊元喜院士評(píng)價(jià)本書“以樸實(shí)的語言、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)拿枋觥⑾鑼?shí)的內(nèi)容，生動(dòng)形象說明了北斗其實(shí)離大家并不遠(yuǎn)，北斗衛(wèi)星遠(yuǎn)在天邊，北斗應(yīng)用近在眼前，它早已進(jìn)入、影響并且有力地改變著我們的生活。”

大國重器北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)開通全球服務(wù)已近兩年，這究竟是個(gè)怎樣的系統(tǒng)？本書通過二維碼形式，融合了音視頻、互動(dòng)VR、沙畫等多種展現(xiàn)手法，以北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)卡通形象小北貫穿始終，力求采用輕松活潑的語言將北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)從多個(gè)角度準(zhǔn)確呈現(xiàn)，揭開北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的神秘面紗，讓更多讀者認(rèn)識(shí)北斗、了解北斗、應(yīng)用北斗。

二、獨(dú)具特色的北斗導(dǎo)航星座

北斗導(dǎo)航星座，是由幾十顆衛(wèi)星編織而成的“太空星網(wǎng)”，不停地向地球發(fā)送導(dǎo)航信號(hào)，時(shí)刻幫助地球上那些需要定位導(dǎo)航的人們。而這一張“太空星網(wǎng)”，是北斗導(dǎo)航星座設(shè)計(jì)者們潛心設(shè)計(jì)的杰作，它讓北斗導(dǎo)航不負(fù)眾望，成為了更優(yōu)秀的北斗，具備了更加優(yōu)質(zhì)的導(dǎo)航服務(wù)能力。

（一）衛(wèi)星的跑道與星座

衛(wèi)星就像賽場(chǎng)上的運(yùn)動(dòng)員，要在自己特定的跑道上奔跑。通常把衛(wèi)星的跑道叫做軌道。一說到軌道，你的腦海里首先浮現(xiàn)的一定是火車鐵軌、有軌電車、甚至是電動(dòng)玩具車的拼接軌道，這些都是能夠看得見的軌道。衛(wèi)星軌道與火車、有軌電車不同，衛(wèi)星軌道是看不見的，也不是事先鋪設(shè)的，衛(wèi)星軌道是假想的圓形或橢圓形，是衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)劃過的軌跡，如圖2-1、2-2所示。工程師們?cè)诖罂茖W(xué)家牛頓的萬有引力定律指導(dǎo)下能夠預(yù)先計(jì)算出衛(wèi)星軌道。衛(wèi)星軌道設(shè)計(jì)是衛(wèi)星系統(tǒng)設(shè)計(jì)中尤為重要的一步。

圖2-1 火車、衛(wèi)星、電車軌道

圖2-2 衛(wèi)星虛擬軌道

為了實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星導(dǎo)航的功能，需要布放多顆衛(wèi)星，有些衛(wèi)星需要布放在同一個(gè)軌道上，有些衛(wèi)星需要布放在不同的軌道上，而這些衛(wèi)星在太空中組成的系統(tǒng)，稱之為星座。星座可不簡單，星座里的每顆衛(wèi)星需要互相監(jiān)測(cè)，同時(shí)還有地面站對(duì)這些衛(wèi)星的軌道進(jìn)行監(jiān)測(cè)并指導(dǎo)它們調(diào)整，這樣才能讓星座保持隊(duì)形整齊劃一，否則星座的隊(duì)形亂了，也就沒法保證北斗服務(wù)的性能了。

三、“手拉手”的星間鏈路

2017年11月，2顆北斗衛(wèi)星在離地面兩萬多公里的高空發(fā)起對(duì)話：“太空本無路，我們之間頻繁測(cè)距和交換數(shù)據(jù)，來來往往也就成了路”。這兩顆衛(wèi)星就是北斗三號(hào)第1、第2顆組網(wǎng)衛(wèi)星，在拉開北斗全球組網(wǎng)大幕的同時(shí)，也在太空鋪設(shè)了星間鏈路（Inter-satellite Link，ISL）。

（一）星間鏈路——浩瀚星河的太空橋梁

1 什么是星間鏈路

 星間鏈路是指衛(wèi)星與衛(wèi)星之間的鏈路，也稱為星際鏈路或交叉鏈路（Crosslink）。通俗來說，就是把衛(wèi)星拉到1個(gè)微信群，可以聊天，共享位置，如圖3-1所示。星間鏈路主要用于數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星、通信衛(wèi)星星座和導(dǎo)航衛(wèi)星星座，如美國數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)（Tracking and Data Relay Satellite System， TDRSS）、銥星（Iridium）移動(dòng)通信星座、第二代銥星（Iridium NEXT）移動(dòng)通信星座、GPS導(dǎo)航衛(wèi)星星座、北斗導(dǎo)航衛(wèi)星星座等。在國際上，星間鏈路對(duì)于通信、導(dǎo)航衛(wèi)星星座均是核心和技術(shù)制高點(diǎn)。在北斗導(dǎo)航衛(wèi)星星座中，星間鏈路是在衛(wèi)星之間建立的具有精密測(cè)量和數(shù)傳功能的鏈路，它是北斗系統(tǒng)全球服務(wù)、運(yùn)行管理、自主運(yùn)行和各類擴(kuò)展服務(wù)應(yīng)用的關(guān)鍵。

圖3-1 星間鏈路漫畫圖

在浩瀚的宇宙中，連接2顆小小衛(wèi)星的“高速路”，鋪路用的不是水泥、瀝青，而是發(fā)射接收設(shè)備、天線、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議實(shí)現(xiàn)信號(hào)的捕獲與跟蹤，利用這條“高速路”可實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星之間的距離測(cè)量和數(shù)據(jù)交換，如圖3-2所示。

圖3- 2  星間鏈路“高速路”漫畫圖

自20世紀(jì)80年代，美國科學(xué)家就開始考慮設(shè)計(jì)導(dǎo)航衛(wèi)星星間鏈路。20世紀(jì)90年代，美國GPS在BLOCK IIR衛(wèi)星上就已經(jīng)安裝了星間鏈路設(shè)備，GPS星間鏈路采用了UHF頻段（250-290MHz）、寬波束天線，具備星間雙向測(cè)距與數(shù)據(jù)交換功能。在美國新一代GPS III衛(wèi)星中，星間鏈路可能會(huì)采用更高工作頻段，以大幅提升測(cè)距精度和通信速率。

我國北斗一號(hào)和北斗二號(hào)為區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，均沒有設(shè)計(jì)星間鏈路。在北斗三號(hào)的建設(shè)和發(fā)展中，為實(shí)現(xiàn)北斗系統(tǒng)從區(qū)域向全球的擴(kuò)展，在地面站資源受限無法全球布站的情況下，發(fā)展星間鏈路技術(shù)具有非常重要的戰(zhàn)略意義。在北斗導(dǎo)航衛(wèi)星之間建立星間鏈路，可實(shí)現(xiàn)星間數(shù)據(jù)傳輸和精密測(cè)量，大幅提高北斗衛(wèi)星的測(cè)定軌精度，提升導(dǎo)航電文注入頻度，并減少對(duì)海外布站的依賴，有效降低系統(tǒng)的運(yùn)行管理成本。2015年3月30日，第17顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)射成功，擁有我國自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的星間鏈路在北斗新一代試驗(yàn)衛(wèi)星上首次亮相。目前，北斗三號(hào)所有衛(wèi)星均配置星間鏈路載荷，并完成了星間鏈路全球組網(wǎng)。

導(dǎo)航衛(wèi)星星間鏈路通常有3種建鏈方式：（1）參照GPS在MEO衛(wèi)星之間建立中-中軌星間鏈路，GEO、IGSO和MEO高低衛(wèi)星之間不建立高-中軌星間鏈路；（2）在GEO、IGSO與MEO衛(wèi)星之間建立高-中軌星間鏈路，MEO衛(wèi)星之間不建立中-中軌星間鏈路；（3）在GEO、IGSO和MEO衛(wèi)星之間均建立高-中軌、中-中軌星間鏈路。北斗三號(hào)30顆衛(wèi)星都配置星間鏈路設(shè)備，采用第3種建鏈方式，借助Ka頻段實(shí)現(xiàn)中-中軌、高-中軌星間鏈路，同時(shí)地面站上配備有星間鏈路設(shè)備，可與空間星座實(shí)現(xiàn)星-地建鏈，“一星通，星星通”，如圖3-3所示。

圖3- 3 北斗三號(hào)衛(wèi)星建鏈?zhǔn)疽鈭D

導(dǎo)航衛(wèi)星星座星間鏈路涉及衛(wèi)星空間段網(wǎng)絡(luò)，既有通信數(shù)據(jù)傳輸又有高精度測(cè)量要求，既有關(guān)鍵單機(jī)設(shè)計(jì)又有系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，難度極高。目前，僅北斗三號(hào)全球系統(tǒng)星間鏈路達(dá)到了全系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)、并實(shí)現(xiàn)了常態(tài)化運(yùn)行，美國GPS尚未全系統(tǒng)運(yùn)行、俄羅斯GLONASS只在GLONASS-K衛(wèi)星上進(jìn)行了在軌試驗(yàn)，歐洲Galileo系統(tǒng)、印度NavIC系統(tǒng)、日本QZSS系統(tǒng)尚未實(shí)現(xiàn)星間鏈路。



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