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北斗当空

2020-09-09 14:31:00 【关闭】 【打印】

  地图,不管是纸质的还是电子化的,都在我们的生活中扮演着非常重要的角色。尤其是拥有了GPS与智能移动设备的双重加持之后,即使是在陌生的城市里,我们也很少会迷路了。 

  方向和距离是绘制地图最核心的要素。古代的人们靠指南针、司南、天体方位、树木年轮、枝叶长势等等分辨方向;靠步数、交通工具的计数来计算距离。中国古代还发明过一种叫做“记里鼓车”的器械,可以通过里面的一套齿轮系统记录行驶的里程,是名副其实的“计程车”。这种纯靠人力(有时辅以马力)的地图,只要肯下功夫、精细测量,就可以得到小范围的精细地图。 

  当人们开始意识到地球是球形的,以托勒密为代表的古代科学家不仅着手计算地球的半径和周长,还开始使用经纬度来确定坐标,地球上任意一个平面上的点都可以用一组经纬度来表示。有了这套系统的辅佐,地图变得更加准确和精致,达到了前航天时代的高峰。 

  再后来,传统的绘制方法终于被人造卫星替代。1957年10月4日,苏联发射了世界上第一颗人造卫星,开创了人类的空间世纪。美国不甘落后,也于1958年发射了第一颗卫星。人们将卫星照片与地图结合,诞生了历史上第一张卫星地图。 

  经过20多年的排星布阵,2020年6月23日,中国西昌卫星发射中心,长征火箭搭载着最后一颗北斗组网卫星成功升空,随后到达距离地表约36000千米的轨道,开始稳定运行。至此,中国北斗卫星导航系统全面建成。 

  这是一个庞大的工程,堪称“天罗地网”:8万多名工作人员、300多家研发单位、前后奋战20多年,送入太空中的46颗导航卫星昼夜不停地环绕在地球周围,地面上2700多个基准站分布于大江南北建成后的北斗卫星导航系统(BDS)与美国的全球定位系统(GPS)、俄罗斯的格洛纳斯系统(GLONASS)、欧盟的伽利略系统(Galileo)并称全球四大卫星导航系统(GNSS)。 

  为什么人类需要如此多的卫星?这是个既科学又政治的问题。 

  要想获取我们在地球上的准确位置,需要在太空中布置至少3颗导航卫星,这就是“三球交会定位原理”。卫星从空中向地面发射电磁波信号,地面上的人利用导航设备接收信号,这样一发一收之间产生的时间差再乘以电磁波的传播速率(光速),便可以计算出我们与卫星的距离。当只有1颗导航卫星时,我们与卫星的距离为半径得到一个球面,球面上的任何一点都可能是我们的位置。若有2颗导航卫星,两个球面相交得到一个圆周,圆周上任何一点都可能是我们的位置。若有3颗导航卫星,三个球面相交得到A、B两个点,两点中任何一点也都可能是我们的位置。而两点之中,仅有B点位于地表附近,于是便锁定了我们唯一的位置。 

  在实际测量中会产生各种误差,往往还需要第4颗卫星的辅助。同时为了保证我们随时随地都能接收到4颗以上的导航卫星信号,环绕地球的卫星总数往往远高于4颗。例如美国GPS和俄罗斯GLONASS系统,卫星数量都在24颗以上。经此修正和处理之后,整个系统的误差一再减小,精度持续增加,可以是米级、分米级、厘米级…… 

  自2010年起,西昌卫星发射中心变得非常热闹。在不到3年的时间里,有14颗导航卫星从这里陆续发射升空。2010年发射5颗,2011年发射3颗,2012年发射6颗……同时,运算和控制等地面配套系统也铺展开来,卫星与地面的调整测试也在同步进行,一箭双星的发射技术逐渐“炉火纯青”。2017年底发射1箭2星,2018年发射9箭17星,2019年发射6箭8星,2020年发射3箭3星……不到3年时间,30颗卫星以前所未有的速率发射升空,完成组网。 

  过去几年,北斗卫星导航系统如何改变了我们的生活?你是否发现,你在手机上可以精准地找到附近的共享单车,了解外卖骑手的位置、公车距离自己还有几站……其实在看不见的地方,北斗可以精确到阅兵方阵中各型装备方队等速行进,各个飞行梯队距离误差在正负10厘米以内;可以精确到监测大坝、大桥等工程的外观变形;可以装备到各种运输工具上(目前有超过650万辆营运车辆、4万辆邮政和快递车辆、3200多座内河导航设施、2900余座海上导航设施均已装备北斗系统,成为全球最大的营运车辆动态监管系统);甚至在空气中,行踪不定的污染物被纳入环境监测信息系统,从此将逃不过北斗的“慧眼” 

北斗系统的成功建立,不仅可以产生显著的社会效益和经济效益,影响世界通讯卫星系统市场与5G技术加速融合。未来,北斗系统将向全世界开放,也会成为70多亿人生活的一部分。 

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