科技館里學(xué)航天

北斗，一個(gè)極具中國特色的名字。浩瀚宇宙，古有自然“北斗”斗轉(zhuǎn)星移、定向判季，今有人造“北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)”（以下簡稱“北斗系統(tǒng)”）服務(wù)中國、服務(wù)全球，這是中國智慧的跨時(shí)空接力。

2020 年，北斗三號系統(tǒng)全面建成并正式投入使用，為全球提供服務(wù)，這標(biāo)志著北斗系統(tǒng)工程“三步走”戰(zhàn)略圓滿收官，象征著中國北斗是世界的北斗，也是一流的北斗。

在中國科學(xué)技術(shù)館主展廳四層“問鼎太空征途”展區(qū)，有一件名為“北斗歷程”的展品，它向大家展示了北斗系統(tǒng)的發(fā)展歷程、導(dǎo)航原理、星座模型和核心部件，下面就請隨我們一起仔細(xì)觀察和體驗(yàn)吧！

為什么研發(fā)北斗？

北斗系統(tǒng)作為一個(gè)系統(tǒng)工程，完美踐行了“不積跬步，無以至千里”這句古訓(xùn)。不論是服務(wù)中國、服務(wù)亞太再到服務(wù)全球的“三步走”戰(zhàn)略，還是大跨越中間的小步快跑，北斗系統(tǒng)都做到了仰望星空、腳踏實(shí)地。展臺設(shè)置了多媒體展示區(qū)，移動滑塊選擇北斗一號、北斗二號和北斗三號并觀看相應(yīng)視頻，就可以了解到北斗系統(tǒng)的發(fā)展歷程。

大家是否思考過一個(gè)問題，有了GPS 為什么我國還要研發(fā)北斗？海灣戰(zhàn)爭讓GPS 一戰(zhàn)成名，各國均意識到必須把衛(wèi)星導(dǎo)航這把“金鑰匙”握在自己手中，以保護(hù)國家的主權(quán)和獨(dú)立，當(dāng)然也包括我國。然而北斗系統(tǒng)的建設(shè)并不是一蹴而就，充滿著艱難和挑戰(zhàn)。

故事還要從衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的定位原理說起。在原理展示區(qū)，我們移動金屬塊（導(dǎo)航設(shè)備）到不同的位置，就可以觀察到它到3 個(gè)固定點(diǎn)（衛(wèi)星）的距離變化。如果導(dǎo)航設(shè)備與3 個(gè)衛(wèi)星的距離固定，那么它的位置也就是唯一確定的，這就是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的定位原理。導(dǎo)航衛(wèi)星會向地面發(fā)射測距信號和導(dǎo)航電文，電文中含有衛(wèi)星的位置信息，告訴你現(xiàn)在是幾點(diǎn)、我在哪里。用戶接收機(jī)在某一時(shí)刻同時(shí)接收到3 顆衛(wèi)星信號，得到接收機(jī)上時(shí)間與衛(wèi)星信息時(shí)間兩者的時(shí)間差，將它乘以光速，就能得到用戶接收機(jī)與衛(wèi)星的距離。確定了用戶接收機(jī)至3 顆衛(wèi)星的距離，以衛(wèi)星為球心，距離為半徑畫球面，3 個(gè)球面相交會在空間得到兩個(gè)點(diǎn)，地面上的點(diǎn)就是用戶的真實(shí)位置。這就是全世界所有衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的基本原理——“三球定位”。當(dāng)然，由于衛(wèi)星的時(shí)鐘和用戶接收機(jī)的時(shí)鐘存在鐘差，因此實(shí)際應(yīng)用時(shí)至少需要4 顆衛(wèi)星才能完成定位。

然而當(dāng)年我國在經(jīng)費(fèi)、技術(shù)、人才等方面都十分匱乏，無法一步到位實(shí)現(xiàn)全球組網(wǎng)，結(jié)合國情，我們提出了“三步走”的發(fā)展戰(zhàn)略。作為“第一步”，北斗一號要“花小錢、辦大事”，用最少的衛(wèi)星和經(jīng)費(fèi)構(gòu)建自己的導(dǎo)航系統(tǒng)，于是采用“雙星定位”方案，解決了中國區(qū)域內(nèi)的衛(wèi)星導(dǎo)航問題，實(shí)現(xiàn)了從無到有的突破，我國也成為第三個(gè)擁有自主衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的國家。

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和衛(wèi)星通信系統(tǒng)是兩套不同的系統(tǒng)，但北斗系統(tǒng)創(chuàng)新融合了導(dǎo)航與通信能力，具有短報(bào)文通信這項(xiàng)“獨(dú)門絕技”。北斗用戶利用終端，不僅可以知道自己在哪，還能讓你知道我在哪。如今，北斗三號的短報(bào)文通信能力顯著提升，從一次發(fā)送120 個(gè)漢字提升到一次1000 多個(gè)漢字，還可發(fā)送圖片等信息，應(yīng)用場景更為豐富。

為什么北斗系統(tǒng)有3 種軌道？

在保留北斗特色的同時(shí)，北斗二號邁出了提升性能的“第二步”：服務(wù)亞太。然而，北斗二號系統(tǒng)剛剛確立，就經(jīng)歷了一場驚心動魄的搶占頻率戰(zhàn)。北斗二號首顆衛(wèi)星肩負(fù)著重要使命——與時(shí)間賽跑，好在我們成功發(fā)射衛(wèi)星并傳回了信號，此時(shí)距離國際電聯(lián)規(guī)定的頻率失效時(shí)限不足4 小時(shí)，這也驗(yàn)證了中國的原子鐘已達(dá)到世界先進(jìn)水平，不會受制于人。那一刻，常年沉默的“北斗人”放聲地哭、放聲地笑。中國人，終究把星空資源牢牢掌握在了自己手中。

北斗二號構(gòu)建了“5GEO+5IGSO+4MEO”的混合星座架構(gòu)，為全世界衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展提供了全新范式。區(qū)別于其他全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的單一軌道（MEO），北斗采用3種軌道（GEO、IGSO、MEO）衛(wèi)星組成混合星座，這是中國獨(dú)創(chuàng)、世界首創(chuàng)。混合星座中的每一顆“星”都各司其職、相互配合、共同合作。GEO 衛(wèi)星（吉星，地球靜止軌道衛(wèi)星）站得高、覆蓋廣，始終隨著地球自轉(zhuǎn)而動，在城市、峽谷、山區(qū)等具有十分明顯的應(yīng)用優(yōu)勢。IGSO 衛(wèi)星（愛星，傾斜地球同步軌道衛(wèi)星）愛漫步、走“8”字，尤其在低緯度地區(qū)，其性能優(yōu)勢明顯。MEO 衛(wèi)星（萌星，中圓地球軌道衛(wèi)星）全球轉(zhuǎn)、動得快，是北斗全球組網(wǎng)的主力隊(duì)員，不辭辛勞地繞著地球滿場跑。

北斗系統(tǒng)建設(shè)發(fā)展按照“三步走”戰(zhàn)略實(shí)施，星座的建設(shè)也從覆蓋我國到覆蓋亞太，再到覆蓋全球，循序漸進(jìn)、逐步擴(kuò)展。北斗星座發(fā)展的過程，就是北斗系統(tǒng)“三步走”發(fā)展的過程，也是“三步走”戰(zhàn)略最具代表性的呈現(xiàn)。

北斗系統(tǒng)到底有多強(qiáng)大？

站在前兩代星座的肩膀上，北斗三號邁出了自信而堅(jiān)定的“第三步”——服務(wù)全球。通過仔細(xì)觀察展臺中央的星座模型，我們可以發(fā)現(xiàn)北斗三號繼承并發(fā)展了“混合星座”：地球靜止軌道衛(wèi)星3 顆、傾斜地球同步軌道衛(wèi)星3 顆、中圓地球軌道衛(wèi)星24 顆。這一次，“萌星”迎來了高光時(shí)刻。北斗三號能夠?qū)崿F(xiàn)全球組網(wǎng)，主要是首創(chuàng)了導(dǎo)航星座星間鏈路技術(shù)。星間鏈路就像衛(wèi)星的“微信群”，讓它們可以通過星載設(shè)備聊天和共享位置，大家“口耳相傳”，很快就能知道所有衛(wèi)星與自己的相對位置，不用去國外建地面站，也能實(shí)現(xiàn)對全球的覆蓋，同時(shí)還提高了效率。

今日之北斗攻克了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的星載原子鐘、行波管、自主定軌、時(shí)間同步等關(guān)鍵技術(shù)難題，研發(fā)了“中國芯”，實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星核心器部件國產(chǎn)化率100%，可提供多種服務(wù)，滿足用戶的多樣化需求。其中，向全球用戶提供定位導(dǎo)航授時(shí)、國際搜救、全球短報(bào)文通信等3種全球服務(wù)；向亞太地區(qū)提供區(qū)域短報(bào)文通信、星基增強(qiáng)、精密單點(diǎn)定位、地基增強(qiáng)等4 種區(qū)域服務(wù)。在全球范圍內(nèi)，北斗的廣泛應(yīng)用賦能各行各業(yè)，深刻改變著人們的生產(chǎn)生活方式。

探索浩瀚宇宙時(shí)空是中華民族的千年夢想，從夜觀“北斗”到建用“北斗”，從仰望星空到經(jīng)緯時(shí)空，我國創(chuàng)造了中國北斗閃耀蒼穹的奇跡。“自主創(chuàng)新、開放融合、萬眾一心、追求卓越”的新時(shí)代北斗精神，將繼續(xù)推動北斗全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)書寫人類時(shí)空文明的新篇章。