◎ 科技日報記者 張蓋倫

7月7日，前段時間刷屏的“北斗三號”，出現(xiàn)在了高考語文試卷北京卷的作文題中。

“（北斗衛(wèi)星導(dǎo)航）整個系統(tǒng)由55顆衛(wèi)星構(gòu)成，每一顆都有自己的功用，它們共同織成一張‘天網(wǎng)’，可服務(wù)全球?！鳖}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。

角度并不刁鉆，但使用的材料確實還冒著熱氣。6月23日，第55顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星成功發(fā)射，它是北斗三號全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)第三顆地球同步軌道（GEO）衛(wèi)星。隨著該星進(jìn)入預(yù)定工作軌道，北斗三號全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)星座部署也全面完成。

接收到四顆衛(wèi)星的信號即可實現(xiàn)定位導(dǎo)航

自1994年北斗一號系統(tǒng)工程立項至今，我國用26年的時間實現(xiàn)了59顆北斗衛(wèi)星（包括55顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星和4顆北斗導(dǎo)航試驗衛(wèi)星）的發(fā)射。

中國工程院院士、中國衛(wèi)星導(dǎo)航定位專家許其鳳曾介紹，衛(wèi)星導(dǎo)航的過程可以簡要描述為：測量用戶到衛(wèi)星的距離，再利用衛(wèi)星的位置解算用戶的位置。為取得較高精度的導(dǎo)航解，就需要測量距離精確、衛(wèi)星位置準(zhǔn)確以及衛(wèi)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(tuán)二院研究員楊宇光告訴科技日報記者，從北斗二號工程開始，我國采取了和GPS、俄羅斯格羅納斯以及歐洲伽利略系統(tǒng)相似的導(dǎo)航定位原理，即衛(wèi)星本身不接收地面用戶信號，而是不斷向地面用戶播發(fā)自己的導(dǎo)航星歷。衛(wèi)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(wèi)星的信號，就能將自己所處的位置和時間解算出來?！睏钣罟獗硎?，這樣的系統(tǒng)可以為地面上無窮多用戶來提供服務(wù)，當(dāng)然，前提是保證用戶頭頂上至少能有四顆導(dǎo)航衛(wèi)星。

在導(dǎo)航衛(wèi)星的領(lǐng)域，還有一個詞叫“幾何精度因子”。這四顆衛(wèi)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(qū)域內(nèi)用戶可見的衛(wèi)星數(shù)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(shù)時候，用戶可接收到信號的導(dǎo)航衛(wèi)星，都不止四顆?！叭绻惭b了GPS測試類軟件你就會發(fā)現(xiàn)，一般情況下，你頭頂會有8-12顆導(dǎo)航衛(wèi)星。”

三種軌道衛(wèi)星助力全球定位

少數(shù)衛(wèi)星故障不影響整體系統(tǒng)

美國的GPS、俄羅斯的格洛納斯和歐盟的伽利略系統(tǒng)，均采用均勻分布在3或6個軌道面的中圓軌道衛(wèi)星(MEO，軌道高度約20000km)組成衛(wèi)星星座。

和它們不同的是，北斗系統(tǒng)由三種不同軌道構(gòu)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(wèi)星是靜止不動的，IGSO衛(wèi)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(nèi)布設(shè)監(jiān)測站，MEO衛(wèi)星的可觀測弧段約為 1/3，而 GEO和 IGSO衛(wèi)星可達(dá) 80%-100%。

設(shè)計導(dǎo)航系統(tǒng)星座時，在選定衛(wèi)星軌道后，還要進(jìn)行衛(wèi)星分布設(shè)計，最好能以最少的衛(wèi)星滿足覆蓋區(qū)域內(nèi)任意時間、地點的導(dǎo)航精度。他在一篇論文中指出，仿真結(jié)果表明，良好分布的5顆GEO和5顆IGSO，共10顆衛(wèi)星組成的衛(wèi)星星座就可以滿足建設(shè)覆蓋亞太地區(qū)較高精度導(dǎo)航的要求。

以北斗三號的30顆組網(wǎng)衛(wèi)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(wèi)星是全球組網(wǎng)主力，它們繞著地球“滿場跑”，可以給全球用戶提供導(dǎo)航服務(wù)。同時，北斗衛(wèi)星系統(tǒng)對亞太地區(qū)用戶還有一個精度增強。GEO衛(wèi)星和IGSO衛(wèi)星的發(fā)射，可有效增加亞太地區(qū)衛(wèi)星可見數(shù)量，為亞太用戶提供更優(yōu)質(zhì)服務(wù)。

“實際上，我們的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計是有很大冗余度的?！睏钣罟鈴娬{(diào)，若北斗衛(wèi)星系統(tǒng)中有一兩顆衛(wèi)星出現(xiàn)故障，不會影響整體工作。而且，北斗衛(wèi)星系統(tǒng)內(nèi)本身也含有多顆備份星。備份星可有效提高系統(tǒng)的可靠性和健壯性，加強北斗導(dǎo)航系統(tǒng)連續(xù)穩(wěn)定提供服務(wù)的能力。

楊宇光表示，在完成組網(wǎng)后，北斗系統(tǒng)可在進(jìn)一步提升全球?qū)Ш蕉ㄎ皇跁r性能和區(qū)域短報文通信服務(wù)能力的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)全球短報文通信、國際搜救，以及覆蓋中國和周邊地區(qū)的星基增強和精密單點定位服務(wù)。

確實，55顆衛(wèi)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(dǎo)航網(wǎng)絡(luò)。只是在衛(wèi)星系統(tǒng)設(shè)計中，留出冗余度也是必須。在作文題中出現(xiàn)的“北斗衛(wèi)星”，不僅是科技熱點，也是讓考生聯(lián)系現(xiàn)實生活、展開聯(lián)想和想象的素材。一位專家表示，題目體現(xiàn)了時代特色，但也并不要求考生都成為“北斗衛(wèi)星”專家，有感而發(fā)即可。

（本報記者付毅飛對此文亦有貢獻(xiàn)）