新原子钟+星间链路，北斗三号的新科技将令世界期待

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制作：科了个普 出云

监制：中国科学院计算机网络信息中心

11月5日，我国第三代导航卫星——北斗三号的首批组网卫星(2颗)以“一箭双星”的发射方式顺利升空，它标志着我国开始正式建造“北斗”全球卫星导航系统。那么，北斗三号与前两代“北斗”导航卫星，即北斗一号、北斗二号有什么不同？它都采用了哪些新技术？

北斗三号发射现场 图源：网易新闻

原子钟——导航系统的心脏

铷原子钟 图源：wikipedia

我们都知道，选定一个公认的时刻起点，按照固定的时间间隔累计，这就定义了时间。但问题就在于，这个“固定的间隔”里的“固定”，在不同的时期，人们对它的要求是不一样的。

在1960年以前，人们采用地球自转的间隔作为形成时间的基础，这就是世界时，它满足了当时的需要。后来，人们发现，地球像是喜怒无常的孩子，其自转速度忽快忽慢。最后，一部分科学工作者们不得不抛弃这个并不“固定”的“固定间隔”，因为它只能达到10-7次方的精度，这对于科学研究和进步而言已经是很大的误差了。

这可给科学家出了个难题，既然不能“固定”到底该怎么办？最后，他们想到了一种折中（和稀泥）的办法。

既然对于时间的要求因人而异，那么，我们就创造一种兼有这两种优点的时间尺度好了，于是，一种新的时间尺度——协调世界时（UTC）出现了。

协调世界时的产生要注意两个方面：原子时的秒长和世界时的时刻。如此操作，协调世界时的秒长忠实地反映原子时的秒长，但规定协调世界时与世界时的时刻差保持在0.9秒以内。如果时刻差将要超过0.9秒，就在协调世界时中加上1秒或者减去1秒（即所谓“闰秒”），使用这种方法来缩小两者差距。

标准时和卫星时的差距随时间的推移不断增大 图源：中科院物理所

导航卫星的原子钟之所以被称为卫星的“心脏”，原因很简单。导航的目的在于定位，定位就需要距离，距离就需要用电磁波的传递时间乘以传递速度。

传递时间的精度把握越高，意味着定位精度越高。每一颗卫星不断发射包含其位置和精确到十亿分之一秒的时间的数字无线电信号。卫星导航系统的接收装置接收到来自于四颗卫星的信号，然后计算出在地球上的位置，误差仅为100m左右。接收装置将接收时间与卫星发射的时间进行比较，通过二者之差计算出远离卫星的距离(真空光速定义值：c0=299792458m/s，假如卫星发射时间比接收时间晚千分之一秒，那么接受装置离卫星的距离就为299337.984m)。

通过比较这个时间与其他三个已知位置的卫星的时间，接收装置便能够确定经纬度及海拔高度。由此可见，提高其原子钟的精度对卫星导航质量有不可或缺的作用。

北斗三号已经搭载了国内最先进的新一代铷原子钟，北斗卫星导航系统总设计师杨长风说，新一代铷原子钟天稳定度达到10-14量级，“这相当于300万年只有1秒误差”。

而且，原子钟的准确度在得到保证的同时，还需要兼顾稳定度。这就好比说老板说了我们五点半下班，虽然每次都监视着你加班，但每次都盯到六点，把握得很准，并且不会有上厕所叫外卖的情况。而另外一个部门的经理有时候只盯到五点，有时候又盯到六点半，这都是不可取的。

而北斗三号搭载的原子钟，相较之前的铯原子钟，其稳定性和漂移率等指标都有了极大的提升。虽然功耗上来了，但是保证了更高的精度，付出的努力都是值得的。

星间链路——可靠性与稳定性的突破

卫星导航系统的建设离不开地面基站。地面部分的作用在于观测卫星在轨情况、向导航卫星发布指令及矫正卫星姿态。通过建立基站，我们才能在地面上对卫星进行更好的实时监控。一旦卫星出现故障，更多基站意味着我们能更快对其进行回应并及时处理。这里我们将卫星导航系统在不能应用于导航与定位服务时系统对用户发出警告的能力称为导航系统的完好性。

一般而言，在其他条件类似的情况下，建立的地面基站越多，高轨道卫星越多，其完好性也越大。由于较早起步，GPS在全球已经建立相当规模基站。相比而言，北斗的基站数量少很多。于是，为了加强北斗三号的完好性，我们采用了星间链路的方案。

卫星定位的示意图 图源：今日北斗

星间链路的概念并不新鲜，GPS也采用了这一技术，叫做Crosslink。该技术的大概原理是通过卫星间的相互通信，对卫星的运行状态进行实时监控和调整。这就缩减了对地面基站的依赖度，并加强其完好性。通过该技术，GPS星座可以在失去地面支持情况下仍旧维持一段时间的正常运转。

但是GPS的Crosslink采用的是波束角较宽的UHF（Ultra High Frequency）频段。理论上来说，当两个卫星进行通信时，波束角越宽，意味着发送信息的范围就越宽，卫星在发出信息时有更大几率将信息发送给非目标卫星，这样就容易造成信息泄露。而北斗采用Ka星间链路（Ka波段是电磁频谱的微波波段的一部分，Ka波段的频率范围为26.5-40GHz。Ka代表着K的正上方(K-above)，Ka波段大致上的频率范围是30/20GHz。Ka频段具有可用带宽，干扰少，设备体积小的特点。常用于卫星通信），Ka频率高，波束角相对比较小，也就是说能够保证本卫星发出的信号只被想让接收信号的卫星接收，不会发到别的卫星那儿，保密性得到加强。同时，更高的频率也意味着卫星间通信的效率可以更高。所以，北斗三号的性能在未来的发展非常值得世界期待。

结语

回顾北斗发展历程：2000年，我国发射了两颗“北斗一号”卫星，结束了第一阶段的建设。第一代北斗的建设，其实围绕的就是“双星定位”的问题。但它虽然实现了定位，但定位精度很低，区域定位大概只有20米的精度，相较当时的格洛纳斯有一定差距，更不必说GPS。

但是新一代北斗却意义重大，它的诞生彻底打破了美俄定位两家强的局面，也验证了理论的可实现性。2006年11月，中国对外宣布，将在今后几年内发射导航卫星，开发自己的全球卫星导航和定位系统。

从2007年开始，我国开始北斗第二代卫星的组网，自2007年起发射第一颗“北斗二号”卫星，后续每一颗卫星的发射周期越来越短，而且2008年的汶川大地震在北斗的帮助下，灾区救援的效率十分之高，把握住了黄金的72小时，减少了地震所造成的生命财产损失。到2012年，我国陆续发射12颗“北斗二号”卫星，基本覆盖亚太地区，完成了第二阶段的建设。

按照《中国北斗卫星导航系统》白皮书所言，到2020年前后，我国将建成北斗全球系统，向全球提供服务,完成30多颗组网卫星发射，实现全球服务能力。加强与其它卫星导航系统间的沟通，推动卫星导航技术的兼容性应用，是发展卫星导航系统的重要课题。GPS、北斗、格洛纳斯、伽利略等系统建成以后，导航卫星将达到100颗以上，这也就意味着全球用户可以接收到更多的可用卫星信号。能够受到的卫星信号越多，也就意味着得到更高的定位精度。北斗将以一个开放的心态去积极融入定位导航系统的大家庭，服务全人类。

北斗卫星在2012年前达到的服务覆盖范围 图源：wikipedia

图源：wikipedia

全球卫星定位系统（GPS），伽利略定位系统（Galileo）和北斗卫星导航系统（BDS 曾用名COMPASS）的频率使用分布图; E1浅红色波段目前暂未探测到有讯号，从图上不难看出北斗和其他导航系统的频段有一定重合。这无疑为未来卫星间相互兼容提供了便利。

从倍受排挤充满屈辱，到忍辱负重筚路蓝缕，再到稳扎稳打。超越了时间的跨度，凝聚的是我国航天人的心血和付出。从“东方红一号的发射开始”，他们用尽一生的长度，去跋涉寻找，去真诚刻画。中国航天事业一路走来，新中国的力量正在变得更加强大。时隔多年，东方红一号仍旧在既定轨道上，播送着东方红的乐曲。不过，如今的它，已不再孤单。

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