大國重器 | 以北斗衛星可視化，致敬偉大祖國

　　一、高燃時(shí)刻回顧，北斗星耀全球

　　2020年6月23日9時(shí)43分，西昌衛星發(fā)射中心，我國北斗三號全球衛星導航系統最后一顆組網(wǎng)衛星發(fā)射升空，至此，我國北斗衛星導航系統的35顆工作衛星全部發(fā)射入網(wǎng)。

　　從1994年到2020年，歷經(jīng)26載，北斗衛星導航系統星座部署完美收官!我國成為繼美俄后第三個(gè)擁有自主衛星導航系統的國家。

　　(北斗單體衛星在空態(tài)勢)

　　目前，全球有4大衛星導航系統，包括中國的北斗衛星導航系統(BDS)、美國的全球定位系統(GPS)、歐盟的伽利略衛星導航系統(GSNS)和俄羅斯的格洛納斯衛星導航系統(GNSS)。如下圖所示。

(全球四大衛星導航系統組網(wǎng)態(tài)勢)

　　那么北斗導航系統的工作原理是什么呢?它與其他全球導航相比有什么不同呢?為此，數字冰雹制作了全球衛星導航系統可視化演示程序，將全球四大衛星導航系統的發(fā)射數據、空間在軌態(tài)勢、以及北斗系統的工作原理進(jìn)行了可視化分析和直觀(guān)展示，希望通過(guò)本文，讓大家對北斗導航系統有更深入的了解。

　　(全球衛星導航系統可視化)

　　我們整理四大導航系統的衛星雙行根數，基于數字冰雹的可視化產(chǎn)品平臺，復現了各個(gè)系統的空間運行態(tài)勢。界面正中央是各全球衛星導航系統的組網(wǎng)態(tài)勢，界面左側是各系統的衛星發(fā)射時(shí)間線(xiàn)，右側是各系統的簡(jiǎn)要介紹，下方圖表分別展示的是各大導航系統的工作衛星數量、發(fā)射時(shí)間線(xiàn)、逐年累計發(fā)射數量。

　　通過(guò)可視化手段，縱向觀(guān)察，可對某一導航系統的建設進(jìn)展進(jìn)行分析，橫向對比，可對不同導航系統工作衛星數據差異、軌道態(tài)勢差異等情況進(jìn)行直觀(guān)對比分析。有助于幫助我們對各全球衛星導航系統的發(fā)展歷程、星座特點(diǎn)等有更清晰的了解。

　　二、北斗與其他全球導航系統對比

　　(一)星座對比：北斗獨創(chuàng )“三種軌道”混合星座

　　衛星導航系統空間星座的要素主要包括星座類(lèi)型、衛星類(lèi)型、衛星數量、軌道高度等。通過(guò)可視化演示程序，可以直觀(guān)的看到，GPS、GLONASS和GALILEO的星座大體相同，只有一種軌道，衛星均為中圓地球軌道(MEO)衛星。

　　從圖中可以看到，GPS所有衛星均勻分布在6個(gè)軌道面上，GALILEO衛星和GLONASS衛星則分布在3個(gè)軌道面上。軌道是所有衛星系統建立的前提和基礎，也是衛星系統建成后能否正常工作的必要條件，太空空間資源是有限的，可以說(shuō)美國占據了更多的空間資源。

　　而中國北斗系統是由三種軌道衛星組成的混合導航星座，比其他幾個(gè)導航系統軌道類(lèi)型更多，軌道面也更多。如下圖所示，北斗系統涵蓋了中圓地球軌道(MEO)衛星、傾斜地球同步軌道(IGSO)衛星和地球靜止軌道(GEO)衛星三種軌道類(lèi)型。

（北斗系統星座態(tài)勢）

　　1.北斗地球靜止軌道( GEO) 衛星隨地球自轉而動(dòng)

　　如圖，GEO衛星始終隨地球自轉而動(dòng)，軌道高度35786km，軌道傾角為0度，單星覆蓋區域較大，3顆衛星可覆蓋亞太大部分地區。除基本定位導航授時(shí)服務(wù)外，GEO衛星還承載了區域短報文通信、精密單點(diǎn)定位、星基增強等服務(wù)功能。

　　(地球靜止軌道(GEO)衛星態(tài)勢)

　　2.中圓地球軌道(MEO)衛星全球“奔跑”

　　北斗MEO衛星軌道高度約21500km，軌道傾角為55度，繞地球旋轉運行，通過(guò)多顆衛星組網(wǎng)可實(shí)現全球覆蓋，北斗MEO星座回歸特性為7天13圈，實(shí)現了全球覆蓋和全球服務(wù)，承載了全球短報文通信、國際搜救等服務(wù)功能。

　　(中圓地球軌道(MEO)衛星態(tài)勢)

　　3.北斗傾斜地球同步軌道(IGSO)衛星呈“8”字分布

　　IGSO衛星軌道高度與GEO衛星相同，運行周期也與地球自轉周期相同，軌道傾角為55度，星下點(diǎn)軌跡為“8”字。IGSO衛星信號抗遮擋能力強，尤其在低緯度地區，其性能優(yōu)勢明顯。IGSO總是覆蓋地球上某一個(gè)區域，可與GEO衛星搭配，形成良好的幾何構型，一定程度上克服GEO衛星在高緯度地區仰角過(guò)低帶來(lái)的影響。

　　(傾斜地球同步軌道(IGSO)態(tài)勢)

　　北斗獨創(chuàng )的混合星座設計，既能實(shí)現全球覆蓋、全球服務(wù)，又可為亞太大部分地區用戶(hù)提供更高性能的定位導航授時(shí)服務(wù)。

　　（二）從“埋頭追趕”到“引領(lǐng)超越”

　　(四大導航衛星發(fā)射時(shí)間線(xiàn))

　　此圖是四大衛星導航系統逐年發(fā)射的衛星數量，黃色柱圖代表中國北斗系統，藍色柱圖代表美國GPS系統，紫色柱圖代表俄羅斯GLONASS系統，綠色柱圖代表歐洲GAlILEO系統。

　　從建設速度來(lái)看，世界四大系統中，美國GPS系統建設最快紀錄為一年6星，蘇聯(lián)/俄羅斯格洛納斯(GLONASS)系統為一年9星，歐洲伽利略(Galileo)系統為一年6星。中國北斗作為后起之秀，創(chuàng )下了全球衛星導航系統組網(wǎng)最快紀錄——1年(2018年)10箭18星！ 2020年北斗星座全面建成，可以說(shuō)，北斗的建設速度是空前的。

　　（三）數量對比：組網(wǎng)工作衛星數量最多

　　在全球四大衛星導航系統中，中國北斗系統擁有35顆共工作衛星，而美國 GPS、俄羅斯 GLONASS、歐洲 GALILEO是24顆工作衛星，如下圖所示。

　　(各系統工作衛星數量)

　　為什么北斗系統的工作衛星數量要多于其他導航系統?主要有三方面原因：

　　1、北斗衛星的軌道位置更高

　　根據國際規則，空間軌道資源采用先占先得，美俄等西方發(fā)達國家已經(jīng)占據大部分“地理位置”最優(yōu)的近地衛星軌道，因此，我國的部分衛星只能運行在更高的軌道上。根據圓周公式就可以知道，軌道越高，周長(cháng)越長(cháng)，所需要的衛星數量自然也就越多。

　　2、北斗星座軌道種類(lèi)更多

　　其他全球導航系統衛星分布在單一軌道上，即中圓地球軌道(MEO)衛星，而中國北斗全球導航系統則分布在三種不同的軌道類(lèi)型上，軌道類(lèi)型更多，衛星數量自然越多。

　　3、北斗需要同步衛星軌道實(shí)現短報互文功能

　　北斗有一個(gè)其他導航系統沒(méi)有的功能，那就是“短報互文”，實(shí)現短報文功能的衛星是“同步軌道衛星”。

　　以上三個(gè)原因便決定了北斗導航系統的數量要多于其他導航系統。

　　(四大導航衛星逐年累計發(fā)射數量)

　　此折線(xiàn)圖展示的是全球四大衛星導航系統累計發(fā)射的衛星數量，黃色折線(xiàn)代表中國北斗系統，藍色折線(xiàn)代表美國GPS系統，紫色折線(xiàn)代表俄羅斯GLONASS系統，綠色折線(xiàn)代表歐洲GAlILEO系統。

　　在這里不得不說(shuō)的是俄羅斯GLONASS系統，從圖中可以看到，GLONASS從1982年到2020年，共發(fā)射136顆衛星，發(fā)射數量是四大導航系統之最，究其原因，是因為早期該導航系統衛星普遍壽命短，一度導致系統無(wú)法正常工作，遂以“補星計劃”增加發(fā)射數量填補壽命短的缺陷。

　　三、星間鏈路，中國智慧

　　受各方因素限制，北斗系統不像GPS一樣全球布站以支持系統日常運行和控制。北斗系統的另一大獨特本領(lǐng)就是不需要全球布站，也能實(shí)現全球覆蓋和服務(wù)。因為在北斗三號系統中采用了一套其他導航衛星所不具備的技術(shù)——星間鏈路。

　　星間鏈路是指用于衛星之間通信的鏈路，通過(guò)星間鏈路可以實(shí)現衛星之間的信息傳輸和交換。北斗星間鏈路通過(guò)高-中軌、中-中軌衛星鏈路和星-地(地面錨固站設備)鏈路，實(shí)現“一星通，星星通”。

　　(星間鏈路工作原理可視化)

　　如圖中演示，北斗并未在全球范圍建立地面站，通過(guò)空間段衛星之間進(jìn)行信息傳輸并將信息數據傳到地面段若干個(gè)監測站，再通過(guò)監測站進(jìn)行信息處理、輸出，最終傳達到各類(lèi)導航終端?？臻g段、地面段和用戶(hù)段三部分的協(xié)同工作，可在全球范圍內全天候、全天時(shí)為各類(lèi)用戶(hù)提供高精度、高可靠定位、導航、授時(shí)服務(wù)。

　　四、技術(shù)深耕，逐夢(mèng)航天

　　秉持著(zhù)對航天軍工事業(yè)的熱愛(ài)，數字冰雹十余年來(lái)深耕航天軍工可視化技術(shù)領(lǐng)域，先后參與了多個(gè)國家航天科研項目——暗物質(zhì)衛星“悟空” 數據監測可視化、量子實(shí)驗衛星“墨子”數據監測可視化、長(cháng)征五號發(fā)射任務(wù)可視化...基于數字冰雹成熟完善的可視化產(chǎn)品平臺，不僅實(shí)現了項目的高效建設，還實(shí)現了高度的靈活性，根據用戶(hù)的業(yè)務(wù)需求變化便捷高效地進(jìn)行修改調整，修改操作所見(jiàn)即所得，為用戶(hù)的業(yè)務(wù)應用提供了充分支撐，實(shí)現了項目的高效、高品質(zhì)交付，獲得了客戶(hù)的一致好評。