◎ 科技日報記者 張蓋倫
7月7日，前段時間刷屏的「北鬥三號」，出現在了高考語文試卷北京卷的作文題中。
「（北鬥衛星導航）整個系統由55顆衛星構成，每一顆都有自己的功用，它們共同織成一張『天網』，可服務全球。」題目要求考生從「每一顆都有自己的功用」切入，選取角度寫議論文。
圖源：視覺中國
角度並不刁鑽，但使用的材料確實還冒著熱氣。6月23日，第55顆北鬥導航衛星成功發射，它是北鬥三號全球衛星導航系統第三顆地球同步軌道（GEO）衛星。隨著該星進入預定工作軌道，北鬥三號全球衛星導航系統星座部署也全面完成。
接收到四顆衛星的信號即可實現定位導航
自1994年北鬥一號系統工程立項至今，我國用26年的時間實現了59顆北鬥衛星（包括55顆北鬥導航衛星和4顆北鬥導航試驗衛星）的發射。
中國工程院院士、中國衛星導航定位專家許其鳳曾介紹，衛星導航的過程可以簡要描述為：測量用戶到衛星的距離，再利用衛星的位置解算用戶的位置。為取得較高精度的導航解，就需要測量距離精確、衛星位置準確以及衛星空間分布良好(較好的空間幾何分布，可以減少位置解算中的精度衰減)。
中國航天科工集團二院研究員楊宇光告訴科技日報記者，從北鬥二號工程開始，我國採取了和GPS、俄羅斯格羅納斯以及歐洲伽利略系統相似的導航定位原理，即衛星本身不接收地面用戶信號，而是不斷向地面用戶播發自己的導航星曆。衛星只有「嘴巴」，主要「念叨」的 ，就是自己的速度、位置和時間等信息。
「理論上說，地面的用戶接收機只需要接收到四顆衛星的信號，就能將自己所處的位置和時間解算出來。」楊宇光表示，這樣的系統可以為地面上無窮多用戶來提供服務，當然，前提是保證用戶頭頂上至少能有四顆導航衛星。
在導航衛星的領域，還有一個詞叫「幾何精度因子」。這四顆衛星拉開的距離越廣，幾何精度因子越小，定位精度就越高。所以，一般來說，同一時間同一區域內用戶可見的衛星數量多，幾何精度因子小的概率就更高，定位精度也會更高。
楊宇光說，絕大多數時候，用戶可接收到信號的導航衛星，都不止四顆。「如果安裝了GPS測試類軟體你就會發現，一般情況下，你頭頂會有8-12顆導航衛星。」
三種軌道衛星助力全球定位
少數衛星故障不影響整體系統
美國的GPS、俄羅斯的格洛納斯和歐盟的伽利略系統，均採用均勻分布在3或6個軌道面的中圓軌道衛星(MEO，軌道高度約20000km)組成衛星星座。
和它們不同的是，北鬥系統由三種不同軌道構成：中圓軌道、地球同步軌道（GEO）和傾斜地球同步軌道（IGSO）。IGSO高度與GEO相同，但其軌道面與赤道面的傾角為55度。在地面上觀察，GEO衛星是靜止不動的，IGSO衛星則由南向北運動，其一天的運動軌跡如同一個大8字。
許其鳳曾介紹，在國內布設監測站，MEO衛星的可觀測弧段約為 1/3，而 GEO和 IGSO衛星可達 80%-100%。
設計導航系統星座時，在選定衛星軌道後，還要進行衛星分布設計，最好能以最少的衛星滿足覆蓋區域內任意時間、地點的導航精度。他在一篇論文中指出，仿真結果表明，良好分布的5顆GEO和5顆IGSO，共10顆衛星組成的衛星星座就可以滿足建設覆蓋亞太地區較高精度導航的要求。
以北鬥三號的30顆組網衛星為例，有24顆在中圓軌道，3顆在地球同步軌道，還有3顆在傾斜地球同步軌道。
楊宇光介紹，MEO衛星是全球組網主力，它們繞著地球「滿場跑」，可以給全球用戶提供導航服務。同時，北鬥衛星系統對亞太地區用戶還有一個精度增強。GEO衛星和IGSO衛星的發射，可有效增加亞太地區衛星可見數量，為亞太用戶提供更優質服務。
「實際上，我們的衛星導航系統設計是有很大冗餘度的。」楊宇光強調，若北鬥衛星系統中有一兩顆衛星出現故障，不會影響整體工作。而且，北鬥衛星系統內本身也含有多顆備份星。備份星可有效提高系統的可靠性和健壯性，加強北鬥導航系統連續穩定提供服務的能力。
楊宇光表示，在完成組網後，北鬥系統可在進一步提升全球導航定位授時性能和區域短報文通信服務能力的基礎上，實現全球短報文通信、國際搜救，以及覆蓋中國和周邊地區的星基增強和精密單點定位服務。
確實，55顆衛星都很重要。在不同軌道上各司其職的它們，織就我國自己的導航網絡。只是在衛星系統設計中，留出冗餘度也是必須。在作文題中出現的「北鬥衛星」，不僅是科技熱點，也是讓考生聯繫現實生活、展開聯想和想像的素材。一位專家表示，題目體現了時代特色，但也並不要求考生都成為「北鬥衛星」專家，有感而發即可。
（本報記者付毅飛對此文亦有貢獻）
來源：科技日報
編輯：劉義陽
審核：朱麗
終審：冷文生