斗转星移：中国卫星导航技术（五）：曲折前行

中国自主卫星导航系统的建设于1994年正式立项，经过二十多年建设者们辛勤的努力和无私的付出，“北斗”系统作为中国自主卫星导航系统的“名片”跻身世界高科技成就之林，尤其是近些年，北斗导航系统“火山喷发式”的进步，让中国终于可以挺直腰板“叫板”美国的GPS了。北斗的诞生与进步，是中国现代科技强大实力的缩影，同时也是北斗精神的有力彰显。然而，在北斗诞生之前的时代，我们却只能依赖美国GPS系统提供的服务，自己的喉咙被他人攥在手中。回首北斗成功路上的披荆斩棘，一幅壮丽的画卷在我们眼前徐徐展开，其中既有学习也有赶超，既有苦难更有辉煌。

第五节 曲折前行

20世纪70年代，美国开始研制全球定位系统，即GPS，饶是科技高度发达的美国也用了20年的时间，耗资200亿美元，才于1994年全面建成，是什么原因导致美国历时20年才建成这套定位系统？说到底还是难在如何才能科学合理、布局严密、不留死角的安放每一颗卫星于最精确的位置，从而形成一张能全面覆盖地球的大网的方案设计上。在经过20年的努力之后，美国奠定了其在全球定位系统建设的霸主地位，无论在军事还是民用方面，GPS的卫星组网方案都能实现如影随形，不管什么时候，也无论身处何方，我们的头顶上都会有4颗GPS卫星发射来的信号，它可以准确地告诉你所在的位置，这与我们主观接受与否没有任何关系，用仓央嘉措的一句诗来表达就是“你见，或者不见我，我就在那里，不悲不喜......”。这一科技成果的实现，不由得使人感叹于世界之大和地球之小。所以，四大导航系统的组网方式都经过了一番精心的规划。

北斗一号、北斗二号以GPS卫星组网成果为目标奋起直追，从实验系统开始起步，将优势科技力量集中在地区组网的攻坚上。起初，北斗一号家庭落户太空后，在第一时间实现了定位，但由于其家庭成员少，导致“圈地”面积局限，信号发射的普及面太小。所以，一直有存在另一些悬而未决的问题：怎么样才能合理的布放每一颗参与组网的卫星？在优化卫星星座设计后，又怎么能科学的划分每个家庭的服务区域？在北斗一号家庭成功组网并运行之后，中国把北斗二号家庭的建设目标也就是服务区域扩大到覆盖亚太地区，这是一个稳步推进的策略，而不是像美国那样可以凭借其强大的科技实力和经济实力实施GPS卫星全球组网策略的一步到位，从而在尽短时间、最大范围的服务全球。而且，GPS在布局和组网的过程中充分发挥了美国在全球的地缘优势，例如在太平洋的夏威夷岛、印度洋上的迪戈加西亚岛和大西洋的阿松森岛等均设有地面监测站，同时与多国共享NGA监测站。这样的考量不仅仅为了美国自身，同时也为GPS的全球服务奠定了基础。

然而，在全球布设基站对于中国来讲是一件很困难的事，所以如果中国采取GPS的布展方案，将会极大得局限北斗全球导航的功能拓展。比如，如果卫星飞到了基站范围以外，地面有限的观测站就会与卫星失联，同时也无法通过卫星与地面链路进行时间同步。

因此，为了实现全球导航，需要考虑很多的问题并针对现有的国情“对症下药”。首先一个很基本的问题就是确定实现全球组网的卫星数量。首先GPS和北斗使用的卫星数量并不一致：GPS发射了24颗卫星完成了全球组网，而对于北斗三号来说，最终共使用了35颗。这种差异来自何处？

不同的轨道高度和轨道面倾斜角等决定来卫星的不同功能。根据轨道的高度，使用的卫星种类也不同。一般在赤道面上方使用地球同步轨道卫星（GEO卫星）。地球上方的轨道是卫星的黄金轨道，因为GEO卫星不仅可以跟地球自转保持同步，同时仅三颗GEO就可以覆盖除南北两极以外的大部分地区，因此这条轨道上排列了各种类型的卫星，例如通讯卫星、“风云系列”等气象卫星等，当然也包括导航卫星。除了有源导航，GEO卫星可以为用户提供短报文服务与无源定位功能。

另一种卫星是倾斜地球同步轨道卫星（IGSO卫星），它是地球同步轨道卫星（GSO卫星）的一种。地球同步轨道和静止轨道一样，卫星轨道周期同样与地球自转匹配，而且轨道高度相同。但是同步轨道与赤道并不重合或平行，其轨道面通常与赤道面呈夹角。对于北斗导航卫星使用的IGSO卫星轨道倾角大约为55度左右，因此这使得在地球上看到的卫星运行轨迹通常是一个8字。第三种卫星是中圆轨道卫星（MEO卫星），它是实现全球导航系统的重要一环。

GPS在设计之初采用了六轨面的卫星轨道设计，这些卫星几乎全部采用了MEO卫星。MEO卫星是一种运行于介于同步轨道和地轨道之间轨道高度的卫星，大多数的导航卫星都属于这种卫星。其中，有一个中圆轨道对于导航系统特别重要，即高度在大约20200千米的、轨道周期约为12小时的轨道。这一轨道上的MEO卫星每天会经过赤道上的相同两个点。导航卫星使用这条轨道有很多好处，例如相比于GEO和IGSO卫星，发射一颗MEO卫星有更可控的成本优势以及更强的高纬度覆盖能力等。经过GPS系统的成功运行，最终仅使用MEO卫星就可以完全实现在地球的任何地方都可以接收到至少四颗MEO卫星信号的全球导航。但是在卫星使用数量方面，则需要24颗才得以实现全球导航。

北斗系统设计方案则采用了三轨道面的设计（伽利略和GLONASS也一样）以及选择了27颗MEO卫星+5颗GEO卫星+3颗IGSO卫星的组合。增加的卫星具备定位能力增强的作用。这样的方案可以在一定程度上增强了区域导航能力，因此丰富了北斗的应用场景，比如服务于更强大的民航导航。现在完成组网的北斗三号系统相比于GPS在中国及周边亚太区域有更加出色的区域导航精度。

在最初发射北斗二号的过程中，首先发射了5颗GEO卫星和3颗IGSO卫星。这样的发射方案使得卫星的利用率很高，加入的IGSO可以帮助导航系统立即投入使用。除此之外，GEO卫星因为相对星下点是不变的，因此具有稳定的跟踪和监测功能。

提到上面的卫星跟踪和监测，不得不介绍一下运用于北斗导航中的星链技术（inter-satellite service）。星间链路在卫星组网过程中发挥了重要作用。那何为星间链路？星间链路是指“在人造卫星之间提供链路的无线电通信业务”。卫星之间传递什么信息呢？这根据卫星的种类而异。但是卫星的控制和状态监测都是很重要的。以GPS为例，其通过广布全球的监测站（地面段）检测卫星的状态是否完好、运行是否正常。但之前就谈到过，这种方案对于北斗来说难以实现，因此北斗系统加入了星间链路功能来实现卫星之间的相互通信。这样，脱离了地面站的监控，北斗卫星之间可以实现相互校时、测距等目的，且相较于地面站监控，星间链路的执行时间更短。因此，例如出现了卫星轨道偏离的情况，星间链路可以让卫星更快回归正轨。同时值得一提的是，卫星在轨完好性自主监测功能也是北斗系统首次实现的。而不仅仅是北斗卫星，星间链路技术也被运用到了其他类型的卫星，例如美国的跟踪和数据中继卫星、中国的“天链”等，这项技术对于组建未来的天机综合信息网具有更加重大的意义。