<p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">2020年7月31日，我國自主研發(fā)的北斗三號衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建成，在軌道上成功運行。時隔近兩年，當(dāng)我點開<span style="font-size: 18px;">https://ar.qxwz.com/?isfrom=2&from=groupmessage 鏈接呼叫，</span>手機顯示出與北斗衛(wèi)星連接的數(shù)字時，心情無比激動！</p><p class="ql-block"><br></p> <p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">一直以來，我只知道美國的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)GPS，每次跟隨兒女外出，看到他們把手機掛在駕座前，只需擁有GSP接收芯片即可使用服務(wù)，旅游導(dǎo)航十分方便。</p><p class="ql-block">定位型衛(wèi)星是一個集尖端技術(shù)、國家財力于一體的超級工程，除了美國的GPS系統(tǒng)成為導(dǎo)航領(lǐng)域的老大，還有俄羅斯GLONASS格洛納斯、 歐洲的Galileo伽利略和中國的BDS北斗，共稱為全球四大導(dǎo)航系統(tǒng)。直到中國北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的出現(xiàn)，美國GPS定位系統(tǒng)的全球壟斷地位才開始被動搖。</p><p class="ql-block"><br></p> <p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block"><b>中國為什么要發(fā)展自己的北斗？</b></p><p class="ql-block">1991年的海灣戰(zhàn)爭，那是一場高科技之戰(zhàn)<span style="font-size: 18px;">，其攻擊力之精準，被稱為外科手術(shù)式的打擊，</span>伊拉克絕設(shè)想到GPS對戰(zhàn)爭的勝利起到的重要作用。</p><p class="ql-block">1993年銀河號事件，被美方懷疑向伊朗運送化學(xué)武器原料，在公海上采取軍艦跟蹤和軍用飛機偵察，並將萬噸級集裝箱貨輪截停在印度洋國際水域，關(guān)掉了GPS導(dǎo)航系統(tǒng)，迫使銀河號停駛正常航運長達33天，美國登船檢查未果，還拒絕道歉，是中國載入史冊的一次屈辱，為80年代中國發(fā)展獨立自主的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)埋下了伏筆。</p><p class="ql-block"><br></p> <p class="ql-block"><b>北斗簡介</b></p><p class="ql-block">北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國為維護國家主權(quán)安全和犮展，自主獨立研發(fā)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，<span style="font-size:18px;">中國古代天文學(xué)家利用北斗七星找北極星作為辨別方位的依據(jù)，北</span>斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)命名意義也在于定位。<b style="font-size:18px;">北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)可在全球范圍內(nèi)全天候、全天時為各類用戶提供高精度、高可靠定位、導(dǎo)航、授時服務(wù)，并具短報文通信能力</b><span style="font-size:18px;">。它的關(guān)鍵作用是提供時間/空間基準和所有與位置相關(guān)的實時動態(tài)信息，</span>其作用遠不止軍事領(lǐng)域，在無人駕駛、測繪、航海、救災(zāi)、大面積農(nóng)業(yè)機械化耕作等眾多的科技領(lǐng)域和人民生活中發(fā)揮著無可替代的作用。 </p><p class="ql-block"><b>北斗導(dǎo)航系統(tǒng)由地面控制部分、空間衛(wèi)星星座和地面用戶設(shè)備三部分組成，經(jīng)歷了三次技術(shù)迭代。</b>2000年年底一號系統(tǒng)建成，這僅僅是一個實驗性質(zhì)的系統(tǒng)，一共只有兩顆同步靜止衛(wèi)星，位于赤道上空35,786公里處，用來測試一下衛(wèi)星之間的通訊和衛(wèi)星與地面之間的通訊。2012年12月，北斗一號最后一顆衛(wèi)星壽命到期，系統(tǒng)停止運作。2012年年底建成北斗二號系統(tǒng)，共有14顆衛(wèi)星，9顆高空同步衛(wèi)星，5顆中低空輔助衛(wèi)星。GPS的定位屬于“被動定位”，是一種單向通訊，客戶的接受器只接受來自GPS的衛(wèi)星信號，自己不發(fā)射信號，只要能同時收到4顆衛(wèi)星的信號，就可以定位，功耗小，結(jié)構(gòu)簡單。北斗2號的定位則屬于“主動定位”是雙向通訊，軍方實戰(zhàn)檢驗后發(fā)現(xiàn)一??致命的缺陷，當(dāng)客戶的接受器發(fā)出請求信號后，不僅高空的同步衛(wèi)星可以接收到這些信號，附近的電子偵察機和位于低空的眾多的間諜衛(wèi)星也全都能收到，因此不具有任何軍事意義，無法在戰(zhàn)場上使用。在這種嚴峻而又無情的事實面前，花費了20年的時間才開發(fā)出來的北斗2號被迫報廢棄置 。無奈之下，從零開始，重新設(shè)計自己的新的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。這次不再搞什么彎道超車了，而是完全模仿美國的GPS，采用被動定位，單向通訊，這就是后來人們見到的北斗3號。2020年北斗三號全面建成。目前，北斗3號的定位精度是2.5至5米，強于北斗2號的10米，這個誤差對于汽車、飛機、輪船的導(dǎo)航來說，足夠用了，但對于導(dǎo)彈制導(dǎo)來說，還是不夠的。在近 20 年，總共發(fā)射了 55顆導(dǎo)航衛(wèi)星和4顆導(dǎo)航試驗衛(wèi)星，已經(jīng)從一個定位精度幾十米，服務(wù)地區(qū)僅覆蓋中國的導(dǎo)航系統(tǒng)，變成了一個亞米級定位精度，覆蓋全球的導(dǎo)航系統(tǒng)。目前，北斗3號仍然在不斷地改進提高中，隨著科學(xué)技術(shù)的進步和工藝加工的改進，它的誤差一定會不斷縮小，其定位精度有望能夠達到1厘米的水平。</p><p class="ql-block">北斗導(dǎo)航系統(tǒng)涉及的知識面太廣，本美篇僅對衛(wèi)星軌道特性，定位原理，原子鐘做定性介紹，以一窺全北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的尖端和難度。</p> <p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block"><b>一、北斗衛(wèi)星軌道特性</b></p><p class="ql-block">北斗系統(tǒng)集成了地球靜止軌道衛(wèi)星 GEO ，傾斜地球軌道衛(wèi)星 IGSO ，中圓地球軌道衛(wèi)星 MEO ，<b>是高中軌道混合組網(wǎng)的復(fù)雜星座系統(tǒng)</b>。</p><p class="ql-block"><br></p> <p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block"><b>GEO和IGSO衛(wèi)星軌道為地球同步軌道，</b>它們的運行周期和地球自轉(zhuǎn)周期相同，即23小時56分4秒，且方向一致，衛(wèi)星在軌道上的繞行速度約為3.1公里/秒，等于地球自轉(zhuǎn)的角速度。地球軌道衛(wèi)星的運動主要由地球的引力控制，衛(wèi)星軌道越高，它移動的越慢。隨著衛(wèi)星離地球越來越近，引力的拉力越來越大，而衛(wèi)星移動的速度也越快，地球同步軌道屬于髙空軌道，<b>軌道高度為35786公里</b>，經(jīng)過計算只有處于這個高度，衛(wèi)星運行周期才能與地球自轉(zhuǎn)周期一致，軌道不一定要在赤道上方，取決于同步軌道相對于赤道平面的傾角。 </p><p class="ql-block"><br></p> <p class="ql-block"><b>（一）地球靜止軌道衛(wèi)星GEO</b></p><p class="ql-block"><b>傾角=0 的地球同步軌道，稱為地球靜止軌道，</b>由于和地球自轉(zhuǎn)方向一致，所以靜止軌道衛(wèi)星始終處在赤道固定點上空，在地面看來，靜止不動。星下點是地心與衛(wèi)星連線與地球表面的交點，GEO星下點的軌跡是固定的點。<b>北斗三號三顆GEO衛(wèi)星，分別定點于東經(jīng)80度、110.5度和140度，能夠全天候為我國及周邊亞太地區(qū)提供服務(wù)。</b>由于GEO衛(wèi)星一直處于赤道上空，它在高緯度地區(qū)的仰角較低，信號容易被山體建筑遮擋。</p><p class="ql-block"><br></p> <p class="ql-block"><b>（二）傾斜地球同步軌道衛(wèi)星IGSO</b> </p><p class="ql-block">北斗三號IGSO相對于赤道平面的<b>傾角=55°，釆用了三條軌道，各軌道平面之間相距120度</b>，每天星下點以定軌點為中心南北振蕩一次，最北可達北緯55度 ，在髙緯度地區(qū)仰角較大。在地球上的軌跡成8字形，覆蓋亞太大部分地區(qū)。衛(wèi)星IGSO軌道傾斜緩解了GEO衛(wèi)星在髙緯度地區(qū)信號質(zhì)量不佳的問題。因此，上述兩類衛(wèi)星的組合使用，能為我國全國的用戶提供高精度、連續(xù)性服務(wù)。</p><p class="ql-block"><br></p> <p class="ql-block"><b>（三）中圓軌道衛(wèi)星MEO</b></p><p class="ql-block">中圓軌道衛(wèi)星MEO是衛(wèi)星<span style="font-size: 18px;">導(dǎo)航系統(tǒng)使用的通用軌道，也</span>是北斗三號全球組網(wǎng)的核心。<b>釆用24顆MEO衛(wèi)星均勻分布在三個軌道面上，各軌道平面之間相距120度，軌道傾角55度，軌道高度為21500公里</b>，屬中空軌道，周期12個小時左右，和地球自轉(zhuǎn)周期不同步，星下點軌跡為波浪線，由西向東不斷的運動覆蓋全球。</p><p class="ql-block">圖為三種衛(wèi)星星下點軌跡</p><p class="ql-block"><br></p> <p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block"><b>北斗系統(tǒng)具有以下特點</b>:</p><p class="ql-block"><b>一是北斗系統(tǒng)空間段采用三種軌道衛(wèi)星組成的混合星座，功能互補</b>，與其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)相比高軌衛(wèi)星更多，抗遮擋能力強，尤其低緯度地區(qū)性能特點更為明顯。</p><p class="ql-block"><br></p> <p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">從北斗導(dǎo)航系統(tǒng)提供的可見星數(shù)分布圖，北美一般是6～10顆，亜太地區(qū)是16顆。我在舊金山灣區(qū)收到了8～11顆，葉楊老師在新加坡收到了22顆，北斗真是太棒了！</p><p class="ql-block"><br></p> <p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block"><b>二是北斗系統(tǒng)能夠通過多頻信號組合使用等方式提高服務(wù)精度</b>。</p><p class="ql-block">北斗系統(tǒng)是全球第一個提供三頻信號服務(wù)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，GPS使用的是雙頻信號，這是北斗的后發(fā)優(yōu)勢。 </p><p class="ql-block"><b>三是北斗系統(tǒng)創(chuàng)新融合了導(dǎo)航與通信能力，具有實時導(dǎo)航、快速定位、精確授時、位置報告和短報文通信服務(wù)五大功能。</b></p><p class="ql-block"><b>?</b></p> <p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block"><b><span class="ql-cursor">?</span>二、北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng) </b>Global Navigation Satellite System(GNSS）<b>原理</b></p><p class="ql-block">衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的原理，都是通過軌道上的衛(wèi)星向地面的設(shè)備播報包括衛(wèi)星星歷（為隨時間而變的衛(wèi)星精確位置或軌跡表）、精準的時間和位置信號、鐘差和電離層模型參數(shù)。設(shè)備通過解算信號，推算自己相對衛(wèi)星的距離。</p><p class="ql-block">請看下圖，衛(wèi)星A和接收器D是三維空間中的兩點，欲求它們之間的距離S，可以通過二點做平行于坐標(biāo)軸的六面體，根據(jù)勾股定理，衛(wèi)星A和接收受D之間的距離即AD線的長度，為三維座標(biāo)相減的平方和的開方。</p><p class="ql-block"><br></p> <p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block"><span style="font-size: 18px;">另外，還可以利用電磁波傳送的速度和傳輸時間的乘積求衛(wèi)星和手機接收機之間的距離；</span></p><p class="ql-block"><span style="font-size: 18px;"> </span><b style="font-size: 18px;"> s=c(t-t1) </b></p><p class="ql-block"><span style="font-size: 18px;">式中，t1為信息發(fā)射的時刻，t為手機的接收時間，信息傳輸時間為</span>t－t1，</p><p class="ql-block">電磁波傳播速度為光速 c＝3.00×108 m/s，每秒30萬公里。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block"><br></p> <p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">雖然x1, y1, z1,t1,為巳知，但用一個方程無法求解4個未知數(shù)x，y，z（經(jīng)度、緯度以及海拔髙度）和信號接收時間t, 所以必須寫出4個方程，聯(lián)立確定手機接收器在三維空間 中地球上的位置x,y,z,和時間t這4個未知數(shù)。所以需要與4顆衛(wèi)星聯(lián)系，取得它們的坐標(biāo)和時間信息（x1,y1,z1,t1) (x2,y2,z2,t2) ( x3,y3,z3,t3) ( x4 ,y4,z4,t4），手機接收機根據(jù)同一時間接收到衛(wèi)星播報的信號，計算出自己的位置，實現(xiàn)三維空間定位。</p><p class="ql-block"><br></p> <p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">衛(wèi)星定位的原理是很簡單，而麻煩的在于誤差，因為是光速傳輸，時間誤差哪怕只有0.0001秒，距離誤差也會高達30公里。因此，<span style="font-size: 18px;">精確計量電磁波在空中傳輸?shù)臅r間就顯得尤為重要。例如光在空氣中的傳播速度會減慢，</span>衛(wèi)星大氣電離層有數(shù)千公里厚， 存在大量被電離的電子和各種正負離子，微波在穿透電離層時，隨電離子密度會產(chǎn)生不同程度的延時和能量衰減。在對流層，受到地面溫度的影響也會產(chǎn)生一些折射帶來傳輸延遲。由于大氣層的不穩(wěn)定性，會對衛(wèi)星信號傳輸造成非定常干擾，在地表附近，由于各種建筑、山體、水面的影響，衛(wèi)星信號可能被反射或折射多徑效應(yīng)產(chǎn)生延遲。在衛(wèi)星信號發(fā)射側(cè)和接收側(cè)，也有很多系統(tǒng)相關(guān)的誤差，比如時鐘偏差、處理延遲等。</p><p class="ql-block"><br></p> <p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">一般用差分定位的方法進行修正，簡單來說就是手機(接收器）的時鐘誤差可利用已知精確三維坐標(biāo)的附近地面基準臺，基準站和手機同時接收同一時間、同一衛(wèi)星發(fā)射的信號，基準站所獲得的觀測值與手機信息進行比較，知道手機大概有多少誤差，得到差分改正值，及時傳遞給給手機進行修正。現(xiàn)在一般的衛(wèi)星定位都要求定位精度在10米范圍以內(nèi)。</p><p class="ql-block"><br></p> <p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block"><b>三、原子鐘</b></p><p class="ql-block">導(dǎo)航的核心是時間測量，在信號傳播速度光速已知的前提下，時間測量越精密，位置解算就越精確。沒有高精度的時頻，衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)就不可能實現(xiàn)高精度的導(dǎo)航與定位。所以，導(dǎo)航衛(wèi)星上面的原子鐘也是一個命門。無論鐘以何種形態(tài)呈現(xiàn)，它都是以物體在特定條件下的振蕩頻率來刻畫時間的長短。石英晶體受到電池的電力影響時，就會產(chǎn)生規(guī)律的振動，每振動2.3萬次，就會是1秒，這就有了石英鐘。目前，最好的石英鐘，每天的計時能精準到十萬分之一秒，也就是經(jīng)過差不多270年才差1秒。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block"><span style="font-size: 18px;">在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中，1納秒（十億分之一秒）的時間誤差將導(dǎo)致0.3米的距離誤差。要實現(xiàn)如此精密的時間測量</span>，就得用原子鐘利用原子吸收或釋放能量時發(fā)出的電磁波固定頻率來計時。這種電磁波非常穩(wěn)定，再加上一系列精密的儀器進行控制，原子鐘的計時就可以非常準<span style="font-size: 18px;">精細</span>，除了全球定位系統(tǒng)，互聯(lián)網(wǎng)的同步，格林威冶時間和北京時間的時間基準也都是<b>以銫原子Cs133基態(tài)的兩個超精細能級間躍遷對應(yīng)的頻率 </b><b style="font-size: 18px;">f=9,192,631,770 Hz，做標(biāo)準，前題是銫原子必須在絕對零度時是靜止的，所在的環(huán)境是零磁場、海平面。1s定義為銫原子振動9,192,631,770次的時間。</b>目前銫原子鐘的計時精度已達到3千萬年不差1秒。</p><p class="ql-block"><br></p> <p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block"><b>（一）原子的固有頻率和能級能量的關(guān)系</b></p><p class="ql-block">眾所周知，電子在特定的軌道上繞核作圓周運動，在不同的軌道上原子處于不同的能量狀態(tài)，因而原子的能量是不連續(xù)的、離核愈遠能量愈高。能量最低的狀態(tài)叫基態(tài)，其他的狀態(tài)叫激發(fā)態(tài)。當(dāng)電子在這些軌道上運動時原子不發(fā)射也不吸收能量，只有當(dāng)電子從一個軌道躍遷到另一個軌道時原子才發(fā)射或吸收能量，犮射和吸收電磁波。<span style="font-size: 18px;">這種電磁波的特征頻率對應(yīng)了分立能態(tài)二軌道之間的能量差，理想情況下是固定不變的，又稱為原子的固有共振頻率。</span></p><p class="ql-block"><b>能量E和電磁波頻率f之間有以下普朗克關(guān)系；E＝hf</b></p><p class="ql-block">E＝E2一E1，為兩個軌道能量之差，普朗克常數(shù) h=6.62607015 × 10-34 m2 kg / s ，f為電磁波的頻率。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block"><b>（二）冷卻的原子集聚到能量最低級的同一量子態(tài)</b></p><p class="ql-block">在常溫狀態(tài)下的任何物質(zhì)的原子都做著無規(guī)則的熱運動，如果想要讓原子不動，就要繼續(xù)降低溫度，奪走原子的能量，成為冷原子。給原子降溫可不是一件容易的事。1997年，華裔科學(xué)家朱棣文，因“開創(chuàng)了用激光冷卻和捕獲原子的方法”獲得諾貝爾物理學(xué)獎。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">假如溫度能夠降低到絕對零度-273.15℃，所有的原子和分子都會停止熱運動，呈現(xiàn)玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)，所有的原子似乎都變成了同一個原子，集聚到能量最低的同一量子態(tài)，由于原子的振動接近停止，<b>其性能會發(fā)生很大改變</b>，這種狀態(tài)1924年被愛因斯坦提出，到1995年才被科學(xué)家實現(xiàn)。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block"><br></p> <p class="ql-block"><b>處于量子態(tài)的原子</b>，其中的電子和原子核的電磁多極矩之間的相互作用下<b>出現(xiàn)了基態(tài)軌跡分裂為兩個超精細結(jié)構(gòu)能級</b>。精準的，沒有任何抖動的單頻，銫Cs 133 ，其中精細能級對應(yīng)的頻率是f=9,192,631,770 Hz，所以1s就定義為振動9,192,631,770次的時間。</p><p class="ql-block"><br></p> <p class="ql-block"><b>（三）原子鐘原理簡介</b></p><p class="ql-block">在這種時鐘里，一束處于某一特定“超精細狀態(tài)”的原子束<span style="font-size: 18px;">，由于基態(tài)兩能級間的距離比較小，</span>所以可以認為銫原子平均分布在基態(tài)兩子能級上（F=3，F(xiàn)=4）。<span style="font-size: 18px;">有狀態(tài)較低的和較高的兩種能級，通過磁場的時候會發(fā)生不同的偏轉(zhuǎn)，所以很好區(qū)分出來。低能級的原子受到跟他頻率一致的微波照射，就能夠通過共振將能級提升上去，如果升不成髙能級能從后面的耙子判斷出來，</span>通過一個反饋回路，調(diào)整石英振蕩器的頻率直到所有的原子完成了躍遷。<b>原 子鐘就是利用振蕩場的頻率即保持與原子的共振頻率完全相同的頻率作為產(chǎn)生時間脈沖的節(jié)拍器 </b>。先是讓石英鐘工作起來，精確的輸出時間。產(chǎn)生的電荷被轉(zhuǎn)化頻率正好是91.9億赫茲的微波，與經(jīng)過篩選全部是低能級狀態(tài)的銫原子通過。如果石英振蕩器隨著時間的累積開始產(chǎn)生誤差，它所生成的微波也就不可能達到91.9億赫茲，加反饋微調(diào)鎖定頻率。制作思路大致就是這樣。用在原子鐘里的元素有氫 、銫 、銣等。 </p><p class="ql-block"><br></p> <p class="ql-block"> 一一全文完一一</p>