6月23日,北鬥家族最後一顆全球組網衛星成功發射,標誌著我國提前半年全面完成北鬥全球衛星導航系統星座部署。
對於北鬥全球導航定位系統，已經有了很多解讀。但為什麼北鬥三代需要35顆星？導航定位的原理究竟又是怎樣的？核心部件之一的星載原子鐘到底是起到什麼作用？為什麼電磁波頻率如此珍貴？
今天，我們將為大家好好解讀一下，北鬥系統中一些很「低調」的知識。
北鬥系統是怎麼分工的
衛星導航系統是由一定數量的衛星分布在環繞地球的軌道上組成。在地球上任意一個位置，最少需要4顆衛星，才可以對它的空間位置和時間進行準確測定。
為了達到這個目的，需要精確設計衛星的分布，其中包括衛星的運行高度、傾角、軌道等信息，這就叫做「衛星星座」。
北鬥三號導航系統裡的中圓軌道衛星（MEO）軌道高度約2.1萬公裡，並採用了3個軌道的設計，每個軌道上有9顆衛星。
除了27顆MEO，北鬥三號還有5顆地球同步軌道（GEO）衛星，和3顆傾斜地球同步軌道（IGSO）衛星。
GEO軌道高度在約3.6萬公裡，圍繞地球旋轉的周期恰好等於地球自轉周期（24小時），並且這個軌道就在赤道的正上方。這樣的衛星，在地球上看是靜止不動的。此次發射的就是一顆GEO衛星。
IGSO的軌道高度也是3.6萬公裡，所以它的運轉周期也是24小時。但它的軌道和赤道有一個夾角，所以是「傾斜」的。從地球上看，IGSO衛星會呈8字形運動。
理論上，27顆MEO就可實現全球定位，那為什麼北鬥三號需要額外的GEO和IGSO衛星呢？
因為這些衛星可以保證提供更精確的導航定位服務。
衛星導航的原理，其實是衛星發射一個電磁波信號到用戶手裡的設備上，這中間需要一段傳播時間。通過時間乘以光速，就能測出用戶和衛星之間的距離。如果知道衛星的精確位置，通過3顆衛星的測距，就可以求出用戶的三維坐標。
這裡的前提條件是——「已知衛星的精確位置」。這個位置就需要地面監測站來觀測。
然而，數量眾多的MEO，就像日月星辰一樣在旋轉。如果要隨時監測到所有的MEO衛星，就需要監測站全球分布。
中國則主要把監測站設在中國境內。但在中國境內的監測站，只能觀察到MEO衛星全弧段的40%。而觀察不到的部分，位置計算就會出現較大誤差、使定位精度大打折扣。
這就是為什麼，我們的北鬥系統首先發射的是GEO和IGSO，因為這兩種衛星都能在中國境內隨時被「看見」，從而規避必須在全球布監測站的問題。
那麼後來發射的MEO的監測問題如何解決？我們的科學家放了一個「大招」：星間鏈路。在衛星之間搭起「橋梁」，彼此間能進行通信和測距，互相監督、自動保持隊形。
這樣就大大減少了對地面監測系統的依賴。即便地面站點全部失效，北鬥系統仍然可以通過星間鏈路保持自主運行長達60天之久。
而時間長了，衛星也會退役或出現故障，所以未來北鬥還是會繼續發射系列衛星升空，保證衛星系統萬一遇到特殊情況能及時有「替補」。
星載電子鐘是用來幹嘛的
衛星測距是通過傳播時間乘以光速來計算的，由於光速是30萬公裡每秒，如果時間測量誤差1微秒，距離誤差就高達300米！
所以衛星的「對表」非常重要。但這種「對表」主要靠精度能達到千萬年誤差一秒的原子鐘。
那什麼是原子鐘？原子從高能級到低能級躍遷時，會發射出電磁波。這種電磁波的特徵頻率，叫做「共振頻率」。每種原子的共振頻率是固定的。
正因原子的共振頻率如此穩定，所以就可以當做一種高精度的「節拍器」，科學家就此發明了「原子鐘」。
但短時間內造不出原子鐘該怎麼辦？GEO和IGSO這兩種衛星就再度發揮了作用。
因為GEO和 IGSO衛星，在我們國內的地面監測站就可以隨時被「看見」，也就意味著隨時都可以「對表」，這樣就降低了過去對星載原子鐘的技術要求，給我國發展高精度原子鐘爭取了時間。目前，我國的原子鐘技術已經非常成熟。
為什麼頻率資源這麼寶貴
衛星導航還要用到頻率資源。但電磁波的頻率資源，就像石油一樣是有限、不可再生的。
全世界所有需要發射電磁波通信的行業，都會佔據其中的一部分頻段。比如，無線電廣播、移動通信等。
根據國際電信聯盟（ITU）的規定，衛星導航系統能使用的頻率範圍只有5個。
這就好比，一條走廊被劃成很多小段，每個小段裡有一張長凳，分別貼了標籤。衛星導航系統只分到了五張長凳，想要開發衛星導航系統，必須坐在這5張凳子上才行。
根據ITU的規矩，使用這些凳子要事先申請，「先到先得」。最先搶佔位置的是美國和俄羅斯。美國的GPS系統佔據了其中兩張凳子的正中間。俄羅斯的格洛納斯系統佔據了另外兩張凳子的正中間。
於是只剩下一張空的長凳，以及其他4張凳子的邊角可以坐了。
歐洲的伽利略系統和中國的北鬥系統，都想佔據剩下那張空凳子的黃金位置。
但是ITU還有一個規定，在申請獲得通過以後的7年之內，必須完成衛星發射入軌，並使用這個頻率，否則資源會被回收。
2000年4月18日，中國的申請獲得通過，在接下來的7年裡，科學家夜以繼日地奮鬥，攻克各種難關，終於在2007年4月17日晚八點，成功接收到信號。而彼時距離頻率資源截止時間僅剩4小時！
之後，在中國科研人員的不斷努力下，我們在各方面都實現了後來居上，也就此為北鬥系統爭取到了寶貴的電磁波頻段。
考考你
【來源：錢江晚報】
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