导航卫星系统如何运行?GPS一家独大?中国北斗已脱颖而出




地球只有月球这一颗天然卫星,但人造卫星的数量可就十分庞大了,根据统计,目前全世界总共发射的人造卫星数量超过了1000颗,占到了航天器发射总数的90%以上。
人造卫星的种类繁多,大类可分为应用卫星、科学卫星和技术实验卫星,而根据用途又可以分为测地卫星、通信卫星、气象卫星以及导航卫星等等,而这里我们要说的就是导航卫星。说到导航卫星,我们马上就会想到GPS,的确GPS是最早实现全球覆盖的导航卫星,在全世界各国被广泛使用,而现在,GPS一家独大的时代早已过去了,因为中国也有了可以覆盖全球的导航卫星,中国北斗,并且已于2020年6月23日完成了最后一颗卫星的发射,实现了全球组网,至此,中国卫星已经可以照耀全球。

那么中国北斗与GPS有何不同?为何能在GPS一家独大的背景下脱颖而出?我们先要从导航卫星的运行说起。
在地球外围存在着三种不同的轨道模式,第一就是我们最为熟悉的近地轨道,近地轨道大约位于地球表面2000公里左右,大量的卫星运行于近地轨道,其中也包括我们最为熟悉的国际空间站。由于国际空间站与地表的距离较近,所以在天气晴朗的夜晚,如果空间站的太阳能电池板将太阳光反射到我们所在的位置,我们就可以用肉眼看到它。
在近地轨道之上,是中地球轨道,这一轨道位于地表2000公里之上,导航卫星就是运行于这一轨道之上,当今世界上的四大导航卫星系统都是如此。是的,世界上的导航卫星并不仅有美国的GPS和中国北斗,还有俄罗斯的格洛纳斯导航卫星系统以及欧洲的伽利略导航卫星系统。

在中地球轨道之上,是静止轨道,它位于赤道上方35786公里处,这一轨道的特点就是它的高度是精确且固定的。
静止轨道的高度之所以如此精确,是因为在这一轨道上运行的卫星与地球保持相对静止,如果从地球上观察,位于静止轨道的卫星所处的位置始终保持不变,要接受静止轨道卫星发射的信号非常方便,地面接收天线只要对准卫星所在的位置,理论上永远不用调整。
让卫星在静止轨道上运行有一个最大的优点,就是覆盖范围广,只需要有三颗卫星运行于静止轨道,那么就可以形成对全球的覆盖,所以通信卫星通常运行于静止轨道。既然三颗卫星就可以覆盖全球,为什么导航卫星不运行在这里呢?因为静止轨道位于赤道上方35786公里处,距离地球太远了,所以定位精度必然下降,而且发射难度也相对较大。

导航卫星为什么不运行于近地轨道呢?近地轨道距离地球最近,导航精度自然没的说,发射难度也低,唯一的问题是要想让导航卫星运行在近地轨道并覆盖全球,得需要几百颗,保守一点估计也要在200颗以上,这太贵了。
静止轨道和近地轨道都不行,所以中地球轨道就成为了最好的选择,将卫星送入中地球轨道的难度适中,导航精度也完全够用,最重要的是只需要几十颗卫星就可以实现全球覆盖。最终美国的GPS导航卫星系统在中地球轨道使用了24颗导航卫星实现了全球组网。既然已经有了GPS,为什么中、俄、欧还要发展自己的导航卫星系统呢?原因很简单,美国只向全球开放了GPS的民用模式,而军用模式是保密了,而两者精度差了10倍以上。

说到中国北斗的发展历程,可以分为三步。
第一步是北斗一号,它由两颗卫星和两颗备份卫星组成,覆盖范围大概只有中国全境、印度以及蒙古国周边地区。第二步是北斗二号系统,它由24颗卫星所组成,北斗二号系统组网完成之后,北斗系统就实现了对东南亚以及澳洲的覆盖。最后就是第三步了,也就是北斗三号系统,北斗三号系统一共发射了31颗卫星,和北斗二号的24颗卫星加在一起总共55颗,从此实现了对全球的整体覆盖,而北斗一号的4颗卫星已经在之前停止工作退出了历史的舞台。
而就在中国北斗已经与GPS并驾齐驱之时,欧洲的伽利略系统和俄罗斯的格洛纳斯系统还止步不前。根据频率先到先得的国际原则,频率已经被GPS和中国北斗占据了,于是中国提出了频率共用理念,破解了欧盟没有频率的尴尬,之后又与俄罗斯的格洛纳斯系统展开了兼容测试。山水高深,在于仙龙;国之大小,在于风范。

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