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本文陈述所有内容,皆有可靠来源赘述在文章结尾。
美国GPS系统,仅靠二十几颗卫星就覆盖全球,但中国的北斗系统,主力工作星却多达35颗,很多人好奇,这多出来的卫星,是不是因为我们技术不如人家,只能靠数量去取胜。
北斗卫星
其实事实并非这么简单,这背后,其实有着我国必须独立自主研发导航系统的原因,以及我们为实现独立和可靠而采取的策略所决定的,而并不是简简单单的技术好坏的问题。
北斗为何开始
想象一下,我们在茫茫大海上正常航行,突然间,指引方向的信号被远程关闭了,1993年,“银河号”事件就是这样,狠狠让中国吃了亏。
一艘中国商船,在公海上无端遭受指控和盘查,而且在这种时候,船上非常重要的导航系统GPS信号说没就没。
银河号合照
那一刻,远洋巨轮因导航受制瞬间瘫痪,巨大的经济损失与受制于人的屈辱感交织,这深刻的教训让中国醒悟。
核心技术受制于人,国家安全和经济命脉便悬于他人之手,随时可被扼住咽喉,因此建立自主导航系统势在必行。
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“北斗”的星光,正是源于这种切肤之痛的决心,这是关乎国家主权和民族尊严的选择,别无退路。
起步晚,如何找位置
下定决心要上天,却发现太空的位置,早就被占得差不多了,全球卫星导航系统最喜欢的轨道,是离地面大约两万公里的中地球轨道(MEO)。
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几十年前,美国发射GPS时,是第一个全球首个导航系统,那些几何构型最理想、能让卫星效率最大化的位置,自然都被GPS根据国际规则,先到先得占了。
而这些非常好的位置让GPS可以用相对较少的24颗卫星就实现了全球覆盖,而当中国开始建设北斗时,好位置已经都有了卫星。
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因此我们只能退而求其次,去那些相对没那么理想的位置,要在这些次优的位置上实现同样甚至更好的覆盖效果,卫星数量自然要多一些。
定位之外的智慧
北斗卫星的数量多,不仅仅是为了弥补轨道劣势,更是因为它从一开始就不局限于定位,GPS主要功能就是告诉你所在的位置,是负责接收信号的。
但北斗设计之初,就想让你不光能知道我们的位置,还有个非常独特的功能,双向通信服务,即便你在茫茫大海、雪域高原,地面没信号,也能通过北斗向外发送短信息。
北斗导航功能
这个“主动发送”的能力,并不是基本定位自带的,它需要专门的卫星、专门的设备来支持,这些额外增加的功能需求,当然就需要更多的卫星来承载和实现。
所以,多的这些星里,有一部分是身兼“信使”角色的,是GPS没有的能力。
独特的星座布局
北斗的卫星布置也跟GPS不一样,GPS主打一种轨道(MEO),相对比较“纯粹”,北斗则是混合型,除了MEO卫星,它还用了地球静止轨道卫星(GEO)和倾斜地球同步轨道卫星(IGSO)。
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地球静止轨道卫星,就是相对地面基本不动,能长时间悬停在一个区域上空,而IGSO卫星则画着特殊的“8”字轨迹。
非MEO卫星(GEO和IGSO)的好处是能极大地增强北斗在中国及亚太区域的服务性能,让我们自己用起来感觉特别好、特别稳。
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但这也有个代价:为了同时实现全球覆盖这个大目标,并且利用好这些GEO/IGSO卫星的区域增强特性,整个系统的星座设计就比只用最优MEO轨道要复杂。
而且,GEO/IGSO卫星对于实现全球覆盖来说,效率不如最优的MEO卫星高,北斗特意在这些GEO和IGSO轨道上部署一批卫星,就是为了中国本土和亚太地区的信号覆盖和精度!
北斗卫星发射图
这种为本土用户提供最优服务的策略,确保在最需要的区域拥有最好的信号强度和可靠性,这种区域性的增强服务,同样需要额外数量的卫星去实现,是北斗“定制化”服务的结果。
安全与韧性
最后一方面是,中国的航天工程,有个非常深刻的理念叫“万无一失”,而落实到北斗系统上,就是对系统的可靠性和抗风险能力要求极高。
这就意味着系统需要很强的冗余设计,简单解释,就是配置了不少备份的内容,我们看到39颗在轨,并非39颗都是同时在执行主任务的“主力”。
北斗导航系统
一部分是时刻准备着的“备份星”,主力卫星出了问题,或者寿命到了,替补就能立刻上去,确保服务不中断,性能不下降。
这种宁可多准备几颗星,也要确保极端可靠性的思路,为系统上了好几道“保险”,自然也让卫星总数显得更多了。
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这些多的卫星,体现的是对系统生存能力和持续服务能力的极致追求,北斗卫星数量多于GPS,绝不是一句简单的“技术不行,靠数量堆”。
它是中国作为后发国家,在国际轨道资源被先行占据的现实下,为了满足国家战略需求、打破外部依赖、提供更多独特服务。
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这些独特服务包括通信功能,通过混合星座聚焦核心区域,同时追求最高级别系统可靠性和韧性,每一颗多出来的卫星,都有它独特的功能和使命。
星空下的较量,早已超越了简单的卫星数量比拼,真正比的是技术深度、信号精度、抗干扰能力、系统韧性、以及与地面基础设施、新兴技术融合的智能化程度。
北斗工作设计
北斗在亚太区域的高精度服务已经有目共睹,其新型信号设计也在抗干扰等领域展现出潜力,“银河号”事件的屈辱到北斗组网全球,是中国人自主创新的生动写照。
北斗系统用稍多一些的卫星,在轨道资源受限的情况下,不仅实现了稳定的全球覆盖,提供了独特的短报文功能,尤其是在我们自己和亚太区域展现了强大的性能。
中国航天
更重要的是,它保障了我国最重要的导航定位能力完全自主可控,安全可靠,这是我们根据自己的国情和需求,走出的一条聪明、务实、有中国特色的发展道路。
参考资料
北晚在线——2025.05.21——锐评|北斗的眼界,可没GPS那么窄
中国工程院院刊——2021.07.20——美国GPS的前生今世