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北斗全球导航定位系统组网成功,连美国都惧怕的黑科技

2022-06-22 22:04:49


2020年6月23日,北斗三号最后一颗全球组网卫星发射升空在最后一刻组网卫星发射成功后,标志着北斗全球导航定位系统的正式建成,中国也拥有了和美国GPS齐名的导航系统。


北斗导航定位系统使用的卫星

从古至今,人类对大自然导航定位有着天然的需求,无论是日常生活还是行军战争,均离不开导航定位。西汉著名将领李广就是因为在战场上两次迷失方向,最终导致与主力部队失散,作战不利,终生与封侯无缘。落得个"冯唐易老,李广难封"的千年遗憾。由此可见导航定位的重要性。但是由于地球曲率的影响,人类看的始终不够远,所以人类一直希望拥有一双站得高,看得远的"千里眼"。但是受限于古代科学技术,人们始终无法拥有真正的"千里眼"。

人类第一颗卫星的发射为卫星导航提供了基础

直到1957年,苏联发射了人类第一颗人造卫星,人类才觉得拥有"千里眼"的机会来了。当时美国霍普金斯大学的两位教授在接收苏联卫星信号时,意外发现了卫星与接收设备之间可以形成多普勒频移效应,而这种奇妙的效应是可以用来导航定位的。在他们的建议下,美国在1964年组建了全球第一个卫星导航系统,也就是GPS导航系统的雏形,子午仪导航系统。这套系统由6颗卫星组成,主要提供给美国海军使用。

美国子午仪卫星导航系统

在美国海军的使用过程中,逐渐发现了卫星导航定位具有无可比拟的优越性,同时也发现子午仪导航定位系统存在巨大的技术缺陷和不足,为此美国军队急需一款更加完善,更加先进的卫星导航定位系统。为此,美国海军实验室提出了全球定位网的宏大计划。按照当时的设想,该计划由12-18颗人造卫星构成,轨道高度在1万千米。与此同时,美国空军也出台了一套方案。最终美国国防部为了节省科研费用,提高科研效率,将海军与空军的两种方案合二为一,1973年美国的GPS计划正式出炉。

最初的GPS导航系统由24颗人造卫星组成,所有的卫星被划分在三个轨道上,每个轨道上部署8颗。这样做的目的是确保地球上的每一个目标都能观测到6-9颗人造卫星,从而提高整套导航系统的稳定性与精确度。美国的GPS导航系统建设工作分为三个阶段。1978年,美国国防部在加利福尼亚州的范登堡空军基地将GPS导航系统的首批4颗试验卫星发射升空,随后科研人员对地面信号接收站等一系列设施进行了测试,取得了预期的效果。从1979年到1984年,美国国防部又陆续发射了7颗试验人造卫星,并对导航系统的精确度进行了测试,结果发现其精确度超过了当初的预期,科研人员非常满意。随后在1989年到1993之间,美国又发射了剩余的13颗人造卫星,GPS导航系统最初设定的24颗卫星全部升空,标志着GPS导航系统的初步建成。

美国GPS导航定位系统

由于当初GPS导航系统是由美国国防部主导研发的,其初衷也是为美国军队提供导航定位服务。不过随着冷战结束,苏联对美国的威胁消失之后,美国军方开始将许多军工技术解密,提供给民用,GPS导航定位服务便是其中之一。2000年美国宣布GPS军用和民用分开发展,取消GPS定位精度的限制,同时提高了民用导航定位的精确度,使得GPS导航系统的信号强度和精确度得到了极大的改善。凭借全天候、高精度和自动测量的技术优点,GPS民用导航服务迅速杀入了各个应用市场。由于GPS导航系统起步早,技术领先,功能相对齐全,几乎垄断了全球民用导航定位市场,每年可以为美国带去上千亿美元的收入。

鉴于巨大的国防需求和广阔的民用市场前景,同时也为了避免导航定位技术受制于人,中国也决定自主研发构建属于自己的全球导航定位系统。1994年,中国启动了北斗导航定位系统的建设。2000年10月31,中国第一颗用于导航定位的卫星北斗-1A在西昌航天中心发射成功,同年12月21日,第二颗导航定位卫星北斗-1B发射升空。这2颗地球静止轨道卫星组成了最初的北斗一号导航定位系统。卫星采用的是有源定位体制,可以为中国用户提供定位、授时、广域差分和短报文通信服务。

中国北斗一号导航系统

在第一阶段建设工作完成后,科研人员对北斗一号导航系统进行了诸多技术测试,证明其是一个可靠的导航系统。2003年,北斗二号导航定位系统建设工作开始,卫星发射的频率也随之加快。2007年4月11日,北斗二号导航系统的第一颗卫星北斗导航卫星(M1)在西昌航天中心发射成功。北斗二号导航系统的建设一共持续了11年,从2007年4月11日开始,到2018年7月10日结束,北斗二号导航系统一共发射了21颗卫星。在北斗二号导航系统所有卫星发射完成后,其覆盖范围和导航定位精度比北斗一号有了大幅度提升。定位精度从20米提升至10米,时间精度达到10纳秒,覆盖范围扩大至亚太地区的大部分区域,初步拥有了全球导航定位系统的雏形。

北斗二号卫星轨道示意图

在北斗二号取得成功后,中国航天人马不停蹄地开始了北斗三号导航系统的建设。当初的规划是在2009年开始,同期发射19颗组网卫星,到2018年基本完成,达到向全球用户提供导航定位服务的目标。2020年6月23日,是一个伟大的时刻。中国在西昌航天中心用长征三号乙运载火箭,发射了北斗三号导航系统中的最后一颗全球组网卫星,至此北斗三号全球卫星导航系统全球组网正式完成。中国航天人的全球导航系统梦想也正式完成。一路走来,充满了坎坷和困难,但是在成功的那一刻,所有的付出都是值得的。

2020年6月23日,北斗三号最后一颗全球组网卫星发射升空

在最后一刻组网卫星发射成功后,标志着北斗全球导航定位系统的正式建成,中国也拥有了和美国GPS齐名的导航系统。相比美国的GPS全球导航系统,中国的北斗具有明显的后发技术优势,美国GPS导航卫星使用的双频信号,而中国的北斗系统使用的是三频信号。相比双频信号,三频信号的导航卫星可靠性更高,抗干扰能力能力更强,可以更加适应太空复杂的光电磁环境。而且三频导航信号更稳定更好,精度也更高。此外北斗导航系统还有非常有特色的短文播报功能,这项功能对于远洋捕捞的渔民、海上勘探人员、户外工作者等群体,是非常有价值的。

北斗全球导航定位系统运行图

我国北斗导航系统的正式建成,堪称中国实施改革开放40余年来,和建国70多年来,取得的最伟大的科技成果之一。未来北斗导航系统将在交通运输、网络通信、水文监测、气象预报、救急救灾、国防科技等领域发挥重要作用。同时基于北斗导航系统的电子便携设备将走进千家万户,为消费者带去众多生活便利。此外北斗导航系统的建成,将打破美国在全球导航定位领域一家独大的垄断局面,从此全球用户可供选择的产品与服务将会更丰富。同时在导航定位万亿美元的市场上,将会出现一个全新的竞争者和领导者。难怪就连美国前中情局副局长、代理局长约翰·麦克劳克林访华也承认,中国诸多新科技成果中,最头疼的其实是中国的北斗。你了解中国的黑科技吗?大家有什么看法,欢迎给我留言!