新原子鐘+星間鏈路，北斗三號新科技將令世界期待

出品：科普中國

制作：科了個普出云

監制：中國科學院計算機網絡信息中心

11月5日，我國第三代導航衛星——北斗三號的首批組網衛星(2顆)以“一箭雙星”的發射方式順利升空，它標志著我國開始正式建造“北斗”全球衛星導航系統。那么，北斗三號與前兩代“北斗”導航衛星，即北斗一號、北斗二號有什么不同？它都采用了哪些新技術？

北斗三號發射現場圖源：網易新聞

原子鐘——導航系統的心臟

銣原子鐘圖源：wikipedia

我們都知道，選定一個公認的時刻起點，按照固定的時間間隔累計，這就定義了時間。但問題就在于，這個“固定的間隔”里的“固定”，在不同的時期，人們對它的要求是不一樣的。

在1960年以前，人們采用地球自轉的間隔作為形成時間的基礎，這就是世界時，它滿足了當時的需要。后來，人們發現，地球像是喜怒無常的孩子，其自轉速度忽快忽慢。最后，一部分科學工作者們不得不拋棄這個并不“固定”的“固定間隔”，因為它只能達到10-7次方的精度，這對于科學研究和進步而言已經是很大的誤差了。

這可給科學家出了個難題，既然不能“固定”到底該怎么辦？最后，他們想到了一種折中（和稀泥）的辦法。

既然對于時間的要求因人而異，那么，我們就創造一種兼有這兩種優點的時間尺度好了，于是，一種新的時間尺度——協調世界時（UTC）出現了。

協調世界時的產生要注意兩個方面：原子時的秒長和世界時的時刻。如此操作，協調世界時的秒長忠實地反映原子時的秒長，但規定協調世界時與世界時的時刻差保持在0.9秒以內。如果時刻差將要超過0.9秒，就在協調世界時中加上1秒或者減去1秒（即所謂“閏秒”），使用這種方法來縮小兩者差距。

標準時和衛星時的差距隨時間的推移不斷增大圖源：中科院物理所

導航衛星的原子鐘之所以被稱為衛星的“心臟”，原因很簡單。導航的目的在于定位，定位就需要距離，距離就需要用電磁波的傳遞時間乘以傳遞速度。

傳遞時間的精度把握越高，意味著定位精度越高。每一顆衛星不斷發射包含其位置和精確到十億分之一秒的時間的數字無線電信號。衛星導航系統的接收裝置接收到來自于四顆衛星的信號，然后計算出在地球上的位置，誤差僅為100m左右。接收裝置將接收時間與衛星發射的時間進行比較，通過二者之差計算出遠離衛星的距離(真空光速定義值：c0=299792458m/s，假如衛星發射時間比接收時間晚千分之一秒，那么接受裝置離衛星的距離就為299337.984m)。

通過比較這個時間與其他三個已知位置的衛星的時間，接收裝置便能夠確定經緯度及海拔高度。由此可見，提高其原子鐘的精度對衛星導航質量有不可或缺的作用。

北斗三號已經搭載了國內最先進的新一代銣原子鐘，北斗衛星導航系統總設計師楊長風說，新一代銣原子鐘天穩定度達到10-14量級，“這相當于300萬年只有1秒誤差”。

而且，原子鐘的準確度在得到保證的同時，還需要兼顧穩定度。這就好比說老板說了我們五點半下班，雖然每次都監視著你加班，但每次都盯到六點，把握得很準，并且不會有上廁所叫外賣的情況。而另外一個部門的經理有時候只盯到五點，有時候又盯到六點半，這都是不可取的。

而北斗三號搭載的原子鐘，相較之前的銫原子鐘，其穩定性和漂移率等指標都有了極大的提升。雖然功耗上來了，但是保證了更高的精度，付出的努力都是值得的。

星間鏈路——可靠性與穩定性的突破

衛星導航系統的建設離不開地面基站。地面部分的作用在于觀測衛星在軌情況、向導航衛星發布指令及矯正衛星姿態。通過建立基站，我們才能在地面上對衛星進行更好的實時監控。一旦衛星出現故障，更多基站意味著我們能更快對其進行回應并及時處理。這里我們將衛星導航系統在不能應用于導航與定位服務時系統對用戶發出警告的能力稱為導航系統的完好性。

一般而言，在其他條件類似的情況下，建立的地面基站越多，高軌道衛星越多，其完好性也越大。由于較早起步，GPS在全球已經建立相當規模基站。相比而言，北斗的基站數量少很多。于是，為了加強北斗三號的完好性，我們采用了星間鏈路的方案。

衛星定位的示意圖圖源：今日北斗

星間鏈路的概念并不新鮮，GPS也采用了這一技術，叫做Crosslink。該技術的大概原理是通過衛星間的相互通信，對衛星的運行狀態進行實時監控和調整。這就縮減了對地面基站的依賴度，并加強其完好性。通過該技術，GPS星座可以在失去地面支持情況下仍舊維持一段時間的正常運轉。

但是GPS的Crosslink采用的是波束角較寬的UHF（UltraHighFrequency）頻段。理論上來說，當兩個衛星進行通信時，波束角越寬，意味著發送信息的范圍就越寬，衛星在發出信息時有更大幾率將信息發送給非目標衛星，這樣就容易造成信息泄露。而北斗采用Ka星間鏈路（Ka波段是電磁頻譜的微波波段的一部分，Ka波段的頻率范圍為26.5-40GHz。Ka代表著K的正上方(K-above)，Ka波段大致上的頻率范圍是30/20GHz。Ka頻段具有可用帶寬，干擾少，設備體積小的特點。常用于衛星通信），Ka頻率高，波束角相對比較小，也就是說能夠保證本衛星發出的信號只被想讓接收信號的衛星接收，不會發到別的衛星那兒，保密性得到加強。同時，更高的頻率也意味著衛星間通信的效率可以更高。所以，北斗三號的性能在未來的發展非常值得世界期待。

結語

回顧北斗發展歷程：2000年，我國發射了兩顆“北斗一號”衛星，結束了第一階段的建設。第一代北斗的建設，其實圍繞的就是“雙星定位”的問題。但它雖然實現了定位，但定位精度很低，區域定位大概只有20米的精度，相較當時的格洛納斯有一定差距，更不必說GPS。

但是新一代北斗卻意義重大，它的誕生徹底打破了美俄定位兩家強的局面，也驗證了理論的可實現性。2006年11月，中國對外宣布，將在今后幾年內發射導航衛星，開發自己的全球衛星導航和定位系統。

從2007年開始，我國開始北斗第二代衛星的組網，自2007年起發射第一顆“北斗二號”衛星，后續每一顆衛星的發射周期越來越短，而且2008年的汶川大地震在北斗的幫助下，災區救援的效率十分之高，把握住了黃金的72小時，減少了地震所造成的生命財產損失。到2012年，我國陸續發射12顆“北斗二號”衛星，基本覆蓋亞太地區，完成了第二階段的建設。

按照《中國北斗衛星導航系統》白皮書所言，到2020年前后，我國將建成北斗全球系統，向全球提供服務,完成30多顆組網衛星發射，實現全球服務能力。加強與其它衛星導航系統間的溝通，推動衛星導航技術的兼容性應用，是發展衛星導航系統的重要課題。GPS、北斗、格洛納斯、伽利略等系統建成以后，導航衛星將達到100顆以上，這也就意味著全球用戶可以接收到更多的可用衛星信號。能夠受到的衛星信號越多，也就意味著得到更高的定位精度。北斗將以一個開放的心態去積極融入定位導航系統的大家庭，服務全人類。

北斗衛星在2012年前達到的服務覆蓋范圍圖源：wikipedia

圖源：wikipedia

全球衛星定位系統（GPS），伽利略定位系統（Galileo）和北斗衛星導航系統（BDS 曾用名COMPASS）的頻率使用分布圖; E1淺紅色波段目前暫未探測到有訊號，從圖上不難看出北斗和其他導航系統的頻段有一定重合。這無疑為未來衛星間相互兼容提供了便利。

從倍受排擠充滿屈辱，到忍辱負重篳路藍縷，再到穩扎穩打。超越了時間的跨度，凝聚的是我國航天人的心血和付出。從“東方紅一號的發射開始”，他們用盡一生的長度，去跋涉尋找，去真誠刻畫。中國航天事業一路走來，新中國的力量正在變得更加強大。時隔多年，東方紅一號仍舊在既定軌道上，播送著東方紅的樂曲。不過，如今的它，已不再孤單。