道家鼻祖老子，騎牛有云，“道生一，一生二，二生三，三生萬物”。北斗系統(tǒng)的發(fā)展中也蘊(yùn)含了很多與“三”有關(guān)的奧秘，包括北斗系統(tǒng)發(fā)展戰(zhàn)略、系統(tǒng)架構(gòu)、星座配置、工作原理、信號體制、服務(wù)規(guī)劃、未來愿景等等諸多方面。具體是什么呢？下面就和大家一起了解北斗系統(tǒng)里與“三”有關(guān)的奧秘。
第一步：北斗一號，解決有無
1994年，啟動北斗一號系統(tǒng)建設(shè)；2000年發(fā)射2顆地球靜止軌道(GEO)衛(wèi)星，建成系統(tǒng)并投入使用，采用有源定位體制，為中國用戶提供定位、授時、廣域差分和短報(bào)文通信服務(wù)；2003年，發(fā)射第3顆地球靜止軌道衛(wèi)星，進(jìn)一步增強(qiáng)系統(tǒng)性能。
北斗一號，中國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)從無到有，使中國成為繼美、俄之后第三個擁有衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的國家。北斗一號是探索性的第一步，初步滿足中國及周邊區(qū)域的定位導(dǎo)航授時需求。北斗一號巧妙設(shè)計(jì)了雙向短報(bào)文通信功能，這種通導(dǎo)一體化的設(shè)計(jì)，是北斗的獨(dú)創(chuàng)。
第二步：北斗二號，區(qū)域無源
2004年，啟動北斗二號系統(tǒng)建設(shè)；2012年，完成14顆衛(wèi)星、即5顆地球靜止軌道衛(wèi)星、5顆傾斜地球軌道衛(wèi)星(IGSO)和4顆中圓地球軌道衛(wèi)星(MEO)的發(fā)射組網(wǎng)。北斗二號在兼容北斗一號技術(shù)體制基礎(chǔ)上，增加無源定位體制，為亞太地區(qū)提供定位、測速、授時和短報(bào)文通信服務(wù)。
北斗二號創(chuàng)新性構(gòu)建了的5GEO+5IGSO+4MEO的中高軌混合星座架構(gòu)，為全世界衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展提出了新的中國方案。
第三步：北斗三號，全球服務(wù)
2009年，啟動北斗三號系統(tǒng)建設(shè)；2020年，全面建成北斗三號系統(tǒng)。北斗三號系統(tǒng)是由3GEO+3IGSO+24MEO構(gòu)成的混合導(dǎo)航星座，系統(tǒng)繼承有源服務(wù)和無源服務(wù)兩種技術(shù)體制，為全球用戶提供基本導(dǎo)航（定位、測速、授時）、全球短報(bào)文通信和國際搜救服務(wù)，同時可為中國及周邊地區(qū)用戶提供區(qū)域短報(bào)文通信、星基增強(qiáng)和精密單點(diǎn)定位等服務(wù)。
北斗“三步走”發(fā)展戰(zhàn)略，是在結(jié)合我國國情和不同階段技術(shù)經(jīng)濟(jì)發(fā)展實(shí)際提出的發(fā)展路線，北斗系統(tǒng)的成功實(shí)踐，走出了在區(qū)域快速形成服務(wù)能力、不斷擴(kuò)展為全球服務(wù)，具有中國特色的衛(wèi)星導(dǎo)航發(fā)展道路，豐富了世界衛(wèi)星導(dǎo)航的發(fā)展模式和發(fā)展路徑。
空間段。北斗三號系統(tǒng)空間段由3顆GEO衛(wèi)星、3顆IGSO和24顆MEO衛(wèi)星等組成。
地面段。北斗三號系統(tǒng)地面段包括主控站、時間同步/注入站和監(jiān)測站等若干地面站，以及星間鏈路運(yùn)行管理設(shè)施。
用戶段。北斗系統(tǒng)用戶段包括北斗及兼容其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的芯片、模塊、天線等基礎(chǔ)產(chǎn)品，以及終端設(shè)備、應(yīng)用系統(tǒng)與應(yīng)用服務(wù)等。
三
北斗獨(dú)創(chuàng)的“三種軌道”混合星座
北斗系統(tǒng)是由GEO衛(wèi)星、IGSO衛(wèi)星和MEO衛(wèi)星三種軌道衛(wèi)星組成的混合導(dǎo)航星座。
GEO衛(wèi)星相對地球靜止，軌道高度35786km，軌道傾角為0度，單星覆蓋區(qū)域較大，3顆衛(wèi)星可覆蓋亞太大部分地區(qū)。
IGSO衛(wèi)星軌道高度與GEO衛(wèi)星相同，軌道傾角為55度，星下點(diǎn)軌跡為“8”字。
北斗MEO衛(wèi)星軌道高度約21500km，軌道傾角為55度，繞地球旋轉(zhuǎn)運(yùn)行，通過多顆衛(wèi)星組網(wǎng)可實(shí)現(xiàn)全球覆蓋，北斗MEO星座回歸特性為7天13圈。
北斗獨(dú)創(chuàng)的混合星座設(shè)計(jì)，既能實(shí)現(xiàn)全球覆蓋、全球服務(wù)，又可為亞太大部分地區(qū)用戶提供更高性能的定位導(dǎo)航授時服務(wù)。亞太大部分地區(qū)，每時可見約12至16顆衛(wèi)星，全球其他地區(qū)每時可見4至6顆衛(wèi)星，衛(wèi)星可見性和幾何構(gòu)型較好。
四
衛(wèi)星導(dǎo)航的“三球交匯”原理
導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)射測距信號和導(dǎo)航電文，導(dǎo)航電文中含有衛(wèi)星的位置信息。用戶接收機(jī)在某一時刻同時接收三顆以上衛(wèi)星信號，測量出用戶接收機(jī)至三顆衛(wèi)星的距離，通過星歷解算出的衛(wèi)星的空間坐標(biāo)，利用距離交會法就解算出用戶接收機(jī)的位置。目前，國際上四大全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，美國GPS、我國北斗系統(tǒng)、俄羅斯GLONASS和歐洲Galileo的定位原理是相同的，均是采用這種三球交匯的幾何原理實(shí)現(xiàn)定位。
簡單來說：
（1） 地球上的北斗用戶接收機(jī)同時測量自身到至少三顆衛(wèi)星的距離；
（2） 各衛(wèi)星的位置通過導(dǎo)航電文播發(fā)給用戶；
（3） 以衛(wèi)星為球心，距離為半徑畫球面；
（4） 三個球面相交得兩個點(diǎn)，根據(jù)地理常識排除一個不合理點(diǎn)即得用戶位置。
五
北斗的“三頻服務(wù)”信號體制
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。使用雙頻信號可以減弱電離層延遲的影響，而使用三頻信號可以構(gòu)建更復(fù)雜模型消除電離層延遲的高階誤差。同時，使用三頻信號可提高載波相位模糊度的解算效率，理論上還可以提高載波收斂速度。正因如此，GPS系統(tǒng)也在擴(kuò)展成三頻信號系統(tǒng)。
北斗二號在B1、B2和B3三個頻段提供B1I、B2I和B3I三個公開服務(wù)信號。其中，B1頻段的中心頻率為1561.098MHz，B2為1207.14MHz，B3為1268.52MHz。
北斗三號在B1、B2和B3三個頻段提供B1I、B1C、B2a、B2b和B3I五個公開服務(wù)信號。其中B1頻段的中心頻率為1575.42MHz，B2為1176.45MHz，B3為1268.52MHz。
六
北斗定位測速授時服務(wù)的“PVT三要素”
位置信息(Position)、速度信息(Velocity)和時間信息(Time)是構(gòu)成北斗信息服務(wù)的“三要素”。
位置信息：北斗系統(tǒng)可向全球提供優(yōu)于10米的定位服務(wù)，亞太地區(qū)定位精度達(dá)到5米。北斗系統(tǒng)提供的位置信息服務(wù)，輸出結(jié)果為“精度、緯度、高程”或者“x，y，z”，不管哪種輸出形式，恰好都是“三個參量”，一個不多，一個不少。同時，通過精密單點(diǎn)定位、星基增強(qiáng)、地基增強(qiáng)等方式，可將定位精度提高到米級、分米級乃至厘米級。
速度信息：北斗系統(tǒng)提供的測速精度能力優(yōu)于0.2米/秒。
時間信息：北斗系統(tǒng)可為用戶提供優(yōu)于20ns的授時服務(wù)，在此基礎(chǔ)上利用差分授時、雙向比對等技術(shù)手段，可進(jìn)一步提升授時精度。
七
高可靠的“東三B”衛(wèi)星平臺
“東三B”導(dǎo)航平臺為高可靠長壽命平臺，是我國自主研制的新一代高軌導(dǎo)航衛(wèi)星平臺，采用了綜合電子、高效能源和熱控、鋰離子蓄電池、FDIR等先進(jìn)技術(shù)，為有效載荷提供了更大的空間。“東三B” 平臺導(dǎo)航衛(wèi)星重量為5400公斤，設(shè)計(jì)壽命12年，配置了多種載荷，提供包括RNSS、區(qū)域短報(bào)文通信、星基增強(qiáng)、精密單點(diǎn)定位等多種服務(wù)，功能強(qiáng)大、集成度高。
八
北斗專列：“長征三號”系列運(yùn)載火箭
長征三號系列火箭因其入軌精度高、軌道選擇多、適應(yīng)能力強(qiáng)，成為發(fā)射北斗導(dǎo)航衛(wèi)星的“專屬列車”。12年間，長征三號系列火箭用38次成功發(fā)射的優(yōu)異表現(xiàn)，將53顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星送入預(yù)定軌道。
九
北斗系統(tǒng)的“三大特色”
一是空間段采用三種軌道衛(wèi)星組成混合星座，與其它衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)相比高軌衛(wèi)星更多，抗遮擋能力強(qiáng)，尤其在低緯度地區(qū)性能優(yōu)勢更為明顯。
二是提供多個頻點(diǎn)的導(dǎo)航信號，能夠通過多頻信號組合使用等方式提高服務(wù)精度。
三是創(chuàng)新融合了導(dǎo)航與通信功能，具備基本導(dǎo)航、短報(bào)文通信、國際搜救、星基增強(qiáng)和精密單點(diǎn)定位等多種服務(wù)能力，系統(tǒng)功能高度集成，實(shí)現(xiàn)了集約高效。
秉承“中國的北斗，世界的北斗，一流的北斗”發(fā)展理念，堅(jiān)持“自主、開放、兼容、漸進(jìn)”的原則，我國穩(wěn)步推進(jìn)北斗系統(tǒng)建設(shè)發(fā)展。北斗系統(tǒng)為經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展提供世界一流水平的時空信息保障，同時也是中國貢獻(xiàn)給世界的全球公共服務(wù)產(chǎn)品。中國愿與世界各國共享北斗系統(tǒng)建設(shè)發(fā)展成果，促進(jìn)全球衛(wèi)星導(dǎo)航事業(yè)蓬勃發(fā)展，為服務(wù)全球、造福人類貢獻(xiàn)中國智慧和力量。
“三個更加”指引北斗未來發(fā)展
2018年底，聯(lián)合國全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)國際委員會第十三屆大會在我國舉行，習(xí)近平主席向大會致賀信：中國高度重視衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)發(fā)展，積極開展國際合作。北斗系統(tǒng)已成為中國實(shí)施改革開放40年來取得的重要成就之一，2035年前還將建設(shè)完善更加泛在、更加融合、更加智能的綜合時空體系。中國愿同各國共享北斗系統(tǒng)建設(shè)發(fā)展成果，共促全球衛(wèi)星導(dǎo)航事業(yè)蓬勃發(fā)展。希望與會代表深化交流、集思廣益，為全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)更好服務(wù)全球、造福人類貢獻(xiàn)智慧和力量。
北斗系統(tǒng)一路走來，從北斗一號、北斗二號到北斗三號，未來，我們還將建設(shè)完善的北斗綜合時空體系，這里面北斗“三”的奧秘還等待我們進(jìn)一步去挖掘、去探索、去創(chuàng)造！
三生萬物，萬物互聯(lián)。在北斗系統(tǒng)的作用下，互聯(lián)互通會更加緊密、更加智能，萬物互聯(lián)時代將全面開啟。我們將以習(xí)主席提出的“三個更加”為指引，在星辰大海的征途上接續(xù)奮斗、砥礪前行，讓中國夢、北斗夢煥發(fā)更加絢爛的時代光彩和更多奧秘的光芒！
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