“北斗”三部分示意圖。

北斗服務示意圖。

北斗導航系統“三球交會”定位原理示意圖。

          或許是因為巧合，北斗衛星導航系統與“三”結下不解之緣，蘊含一系列與“三”有關的奧秘。在北斗三號全球系統建設迎來“收官戰”之際，讓我們一起探索“北斗”的“三”的奧秘。         經過梳理，筆者總結出“北斗”與“三”有關的9個方面，涵蓋其發展戰略、系統架構、星座配置、工作原理、信號體制、服務規劃、未來愿景等。這些充分彰顯了北斗衛星導航系統作為重要的國際空間基礎設施的建設歷程、鮮明特點、獨特價值和杰出貢獻。     

    ①“三步走”戰略         北斗衛星導航系統“三步走”發展戰略為公眾所熟悉。實際上，即使不熟悉相關信息，對北斗衛星導航系統“三步走”戰略具體內涵不甚了了，人們也能從“北斗一號”“北斗二號”“北斗三號”的名稱，解讀步步為營步步高的意味。        第一步，建成北斗一號，衛星導航系統從無到有，服務自身。 1994年，北斗一號建設啟動；2000年，發射2顆地球靜止軌道（GEO）衛星，建成系統并投入使用，采用有源定位體制，為中國用戶提供定位、授時、廣域差分和短報文通信服務；2003年，發射第3顆地球靜止軌道衛星，進一步增強系統性能。 北斗一號的建成使中國成為繼美、俄之后第三個擁有衛星導航系統的國家。         第二步，建成北斗二號，服務亞太。2004年，北斗二號建設啟動；2012年，完成14顆衛星發射組網。北斗二號增加無源定位體制，創新性采用中高軌混合星座架構，服務覆蓋亞太地區。         第三步：旨在建成北斗三號，提供全球服務。2009年，北斗三號建設啟動；計劃于2020年完成30顆衛星發射組網，全面建成北斗三號系統。北斗三號繼承有源服務和無源服務兩種技術體制，為全球用戶提供基本導航、全球短報文通信和國際搜救服務，同時可為中國及周邊地區用戶提供區域短報文通信、星基增強和精密單點定位等服務。   

      ②“三部分”構成         北斗衛星導航系統是復雜完備的軟硬件體系，包括空間段、地面段和用戶段“三部分”。         空間段：“北斗”給人們留下印象最深刻的無疑是運行在九天之上的衛星，它們就是“北斗”的空間段。近年來，北斗衛星密集發射升空，形成了中國航天壯觀的景象。北斗三號的空間段由30顆衛星組成，截至目前，已經成功發射組網29顆，即將迎來發射收官戰。         地面段：北斗衛星并不能單獨將信號傳輸到終端，而是經過地面設施完成數據接收、整理、傳輸等，這就是“北斗”的地面段。該部分包括基準站、主控站、時間同步/注入站和監測站等。此外，對導航衛星之間進行星間鏈路運行管理的設施也是地面段的一部分。         用戶段：用戶段包括“北斗”及兼容其他衛星導航系統的芯片、模塊、天線等基礎產品，以及終端設備、應用系統與應用服務等。它們中有很多是消費者直接購買使用的終端產品，為人們所熟知。      

   ③“三軌道”混合         北斗衛星導航系統是由地球靜止軌道衛星、傾斜地球同步軌道衛星和地球中圓軌道衛星三種軌道衛星組成的混合導航星座。         地球靜止軌道衛星：顧名思義，這種衛星相對地球靜止，運行軌道高度約3.6萬公里，其軌道面與地球赤道面之間的夾角為0度，單星覆蓋區域較大，3顆衛星可覆蓋亞太大部分地區。         傾斜地球同步軌道衛星：軌道高度與地球靜止軌道衛星相同，其軌道面與地球赤道面之間的夾角為55度，星下點軌跡為“8”字，始終聚焦亞太地區。         地球中圓軌道衛星：軌道高度約2.15萬公里，其軌道面與地球赤道面之間的夾角為55度，繞地球旋轉運行，通過多顆衛星組網可實現全球覆蓋，“北斗”地球中圓軌道衛星星座回歸特性為7天13圈。        “北斗”獨創的三軌混合星座設計，既能實現全球覆蓋、全球服務，又可為亞太大部分地區用戶提供更高性能的定位導航授時服務。亞太大部分地區，每時可見約12至16顆衛星，全球其他地區每時可見4至6顆衛星，衛星可見性和幾何構型較好。     

    ④“三球交匯”定位         提供位置信息是導航衛星的主要服務內容之一，北斗是如何實現精準定位的呢？         導航衛星發射測距信號和導航電文，導航電文中含有衛星的位置信息。用戶接收機在某一時刻同時接收三顆以上衛星信號，測量出用戶接收機至三顆衛星的距離，通過星歷解算出的衛星的空間坐標，再利用距離交會法就解算出用戶接收機的位置。整個過程就是“三球交會”定位原理在衛星導航領域中的體現。         北斗衛星導航系統像美國的GPS，俄羅斯的格洛納斯、歐洲伽利略一樣，也是應用“三球交會”定位原理進行定位的。其具體流程是，北斗用戶接收機同時測量自身到至少三顆衛星的距離；各衛星的位置通過導航電文播發給用戶； 以衛星為球心，距離為半徑畫球面；三個球面相交得兩個點，根據地理常識排除一個不合理點即得用戶位置。      

   ⑤“三要素”服務         定位或者提供位置信息是北斗衛星導航系統主要服務之一，除此之外，它還有兩大服務即提供速度信息和時間信息，以上構成了“北斗”信息服務的“三要素”。         位置信息：北斗衛星導航系統提供的位置信息服務輸出結果為“經度、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”。關于“北斗”提供的位置信息的精確度，總體而言，“北斗”可向全球提供優于10米的定位服務，某些區域比如亞太地區定位精度更高，達到5米。同時，通過精密單點定位、星基增強、地基增強等方式，“北斗”定位精度可提高到米級、分米級乃至厘米級。         速度信息：北斗衛星導航系統提供的測速精度能力優于0.2米/秒。         時間信息：北斗衛星導航系統可為用戶提供優于20納秒的授時服務，在此基礎上利用差分授時、雙向比對等技術手段，可進一步提升授時精度。   

      ⑥“東三B”平臺          北斗衛星導航系統的優異性能在很大程度上源于衛星的研制平臺，東方紅三號B平臺，簡稱“東三B”平臺。北斗三號導航衛星的地球靜止軌道衛星和傾斜地球同步軌道衛星就是基于“東三B”平臺研制而成。這是中國自主研制的新一代高軌導航衛星平臺，采用了綜合電子、高效能源和熱控、鋰離子蓄電池、FDIR（故障檢測、隔離和系統重構）等先進技術，為有效載荷提供了更大空間。“東三B” 平臺助力衛星減重增壽，使導航衛星重量進一步降低，設計壽命可達12年，為其配置了多種載荷，提供包括衛星無線電導航系統、區域短報文通信、星基增強、精密單點定位等多種服務，功能更強大、集成度更高。         “東三B”平臺由中國航天科技集團公司五院通信衛星事業部抓總研制。2013年3月，該平臺電推進分系統真實點火試驗圓滿完成，標志著其研制工作取得突破性進展。2017年4月，“東三B”平臺全配置首發星實踐十三號發射升空，突破了電推進、Ka通信載荷、高軌激光通信等制約中國航天技術跨越發展的一系列關鍵技術，在軌實現對“東三B”平臺功能和性能指標考核。     

    ⑦“長征三號”專列         人們注意到，在中國長征火箭家族中，每次出動完成北斗衛星發射任務的都是長征三號系列火箭，這也使其贏得了北斗衛星飛天“專屬列車”的雅號。         長征三號是在長征二號的基礎上發展起來的三級火箭，具有入軌精度高、軌道選擇多、適應能力強等特點。12年間，長征三號系列火箭承擔了近40次北斗衛星發射任務，成功將50多顆北斗導航衛星精確送入預定軌道。         第55顆北斗衛星即北斗三號最后一顆組網衛星的發射任務仍然由長征三號系列中乙型火箭擔綱完成。近日，該火箭在迫近點火發射前的測試階段時發現了技術問題，使得原發射計劃未能如期進行，而下一次的具體發射時間等待檢測研究后確定。這次意外讓人頗感遺憾，但只是使北斗三號收官星升空推遲一下。我們相信，保持超高發射成功率的長征三號一定能經受住考驗，很快解決技術問題，搭載北斗三號收官星一飛沖天。    

     ⑧“三特色”鮮明         中國“北斗”是國際衛星導航系統大家庭的成員之一，與美國的GPS，俄羅斯的格洛納斯、歐洲伽利略導航系統相比，有鮮明的“三特色”。         一是空間段采用三種軌道衛星組成混合星座，與其它衛星導航系統相比高軌衛星更多，抗遮擋能力強，尤其在低緯度地區性能優勢更為明顯。         二是提供多個頻點的導航信號，能夠通過多頻信號組合使用等方式提高服務精度。         三是創新融合了導航與通信功能，具備基本導航、短報文通信、國際搜救、星基增強和精密單點定位等多種服務能力，系統功能高度集成，實現了集約高效。        “北斗”特色彰顯其服務優勢，表明其是具有世界一流水平的太空基礎設施，能夠為國際社會提供優質的全球公共服務產品。“北斗”因此受到了世界各國民眾的熱烈歡迎和青睞，各類裝備北斗服務的終端在全球銷售火爆，“北斗”這一特色鮮明的中文詞匯逐漸成為世界流行語。  

       ⑨“三更加”愿景         人類認識不斷進步，科技發展永無止境。北斗三號全球系統建設收官在即，但是對于中國“北斗”而言，只是進入新的、更高的發展階段，邁向新的征程。         邁向新征程的“北斗”有什么發展愿景？對此，在2018年底召開的聯合國全球衛星導航系統國際委員會第十三屆大會上，習近平主席在致大會的賀信中進行了闡釋和回答。他表示，2035年前，中國將建設完善“更加泛在、更加融合、更加智能”的北斗綜合時空體系，并表達了同各國共享“北斗”系統建設發展成果，共促全球衛星導航事業蓬勃發展的美好愿望。         2000年，北斗一號系統首顆衛星成功飛天。20年彈指一揮間，“北斗”完成了從“北斗一號雙星定位、聚焦中國”到“北斗三號三軌合璧、服務全球”的歷史性跨越。未來，我們將奮力向著建設完善以“三更加”為特征的北斗綜合時空體系挺進。      

     加油，“北斗”！