北斗卫星“天空之城”是如何建成的？

本文来自微信公众号：造就（ID：xingshu100），演讲者：沈苑，中科院微小卫星创新研究院导航所副所长、北斗星航卫星副总指挥，文字：汉岚，视频：视频组，头图来自：央视新闻

今天9时43分，北斗系统第五十五颗导航卫星，暨北斗三号最后一颗全球组网卫星成功发射，至此北斗三号全球卫星导航系统星座部署全面完成！

北斗三号“收官之星”发射成功

北斗三号“收官之星”发射成功，意味着我国北斗三号系统可以在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠定位、导航、授时服务。北斗的性能只是其价值一方面的体现，更重要的意义在于我国建成了自主可控的卫星导航系统，北斗也将成为一张国家名片。

在造就的舞台上，中科院微小卫星创新研究院导航所副所长、北斗星航卫星副总指挥沈苑说过：“谁都无法阻止中国北斗卫星在太空建立‘群聊’！”

接到邀请函的时候，我正在大凉山深处的西昌卫星发射中心。就在1月12号早上7点18分，我们中国用一箭双星的方式成功发射了一组北斗导航卫星。这两颗北斗导航卫星将为全球用户提供服务。

在我们的传统认知里，北斗是由天空中的天枢、天璇、天玑、天权、玉衡、开阳、瑶光这七颗星组成。而今天我们所说的北斗是中国北斗卫星导航系统，它是中国自主研发建设的全球卫星导航系统。

目前全世界范围内，能够被称为「全球系统」的，只有中国的北斗、美国的GPS、俄罗斯的GLONASS，还有欧盟的伽利略系统。

可以说，一个完善的卫星导航系统是一个国家综合实力的最佳展示。

全球卫星导航系统和区域卫星导航系统

除此之外，北斗系统是全球范围内首次实现混合的异构星座。美国的GPS和欧洲的伽利略都是地球中远轨道卫星，而北斗是由GEO、IGSO和MEO混合的星座。它既能实现全球覆盖，同时由于部分卫星定点在中国国土上空，因此能够为本土提供更高精度、更好性能的服务。

我们还研发成功了自主知识产权的导航信号，可以在更短的时间内，提供更优质的信号，提升定位的速度与精度。

天空之城是怎样建成的？

北斗的建设过程非常漫长。

从1994年形成雏形，到2000年北斗一号建成使用，开启了我们俗称的北斗三步走的第一步。

北斗的三步走

第二步我们称它为北斗二号。它由14颗卫星组成，有30多个地面站。我们在2012年的12月27号正式宣布向亚太地区提供十米级的定位、测速、授时等功能。

第三步是北斗三号，也就是真正意义上的北斗全球系统。这项工作是从2009年开始启动。去年的11月5号，我们发射了第一组北斗三号双星，1月12号发射的是第二组。今年，还要发射18颗MEO卫星，2020年要完成全部的三十五颗卫星的发射和部署，具备向全球用户提供服务的能力。

通过发射三十多颗卫星，我们将在空中织成一座叫做北斗的天空之城。

北斗天空之城的建成意味着什么？

从北斗二号到北斗三号，不仅仅是卫星数量的增加，而是将服务区域从局部扩展到全球，并实现与GPS、GLONASS和伽利略的兼容互操作。此外，精度也从区域系统的10米精度提升到了2.5-5米。

大家都知道时间是定位的基准，星载的时频就是导航卫星最根本的指标。北斗三号卫星配备了更高精度的氢原子钟和铷原子钟。

我们都知道，机器表的时间是有误差的，每一天可能会偏差一秒。石英表可能好一点，每一天偏差在0.1秒。而铷原子钟每一万秒的偏差在十乘以负十四次方，氢原子钟精度更高，万秒偏差在十乘十的负十五次方秒。

北斗的“最强心脏”

也就是说，每三百万年到一千万年才偏差一秒。称它为最强心脏，不过分吧？

让宇宙中的两颗尘埃私聊

就像人体一样，我们除了需要一个强大的心脏，也要有非常畅通的经络。

卫星在天上，并不是一个失去联系的风筝。地面随时需要向卫星上注一些数据，纠正它的一些偏差等等，来确保整个系统长期稳定地运行。为此，GPS在全球范围内部署了很多地面站，来构建全球系统。

但北斗在区域拓展过程中，碰到的第一个拦路虎是如何去海外建站。海外建站周期长、国际上的协调难度大，似乎是一个短期内无法攻克的难关。于是，我们的科研人员就将目光投向了空中。

北斗导航卫星的星间链路

既然很难在其他国土上建设地面站，为什么不把这项工作放到卫星上去做呢？这就是我们北斗导航卫星的星间链路。简单来讲，就是通过在卫星间打通一条通道，让卫星和卫星之间能够星探星、手拉手。

在浩瀚的宇宙，两颗卫星在各自的轨道上相距5万到7万公里，仿佛就是两颗尘埃。我们北斗的星间链路技术让这样两颗尘埃，在一百毫秒里，相互捕获、锁定，并且发送信号。它们可以经常交互时间的信息，交互轨道的信息。

北斗让宇宙中的两颗尘埃私聊

基于星间链路的北斗，能够在一段时间内，通过相互校准来维持自主运行。这就是我们将来要说的自主导航的能力。

卫星也能装载APP

做软件的都知道，Bug是修不完的，其实这句话同样适用于我们卫星研制行业。在有限的时间内，我们很难拍胸脯说我们把所有问题都解决了，卫星上天后就不会再有问题了，这做不到。

通常卫星发射时的功能是什么样的，它就是什么样的。假设它在轨出现问题了怎么办？对不起，没有办法。

现在，我们在北斗上实现了在轨重构的功能。这意味除了固件以外，其他的像CPU、DSP、SPGA都能够在轨重构。

与时俱进的卫星

也就是说，当卫星上天后暴露出一些新问题后，我们可以让系统自己升级，不断地给自己打补丁。

假如我们的用户提出了新的要求，也不用重新发射一颗卫星。可以在地面实现新功能，测试验证好了，再上注上去，相当于给我们的卫星也装载了个新的APP。

我们的征途，是更远的星辰大海

传统的导航经常会把我们往水沟里导，通过北斗实现更高精度定位后，这样的情况将不再发生。随着北斗系统的建成与投入使用，精准农业也将成为可能。

“墨子号”量子科学实验卫星

还有一个画面，大家可以畅想下。白天道路上是川流不息的人群车辆，到了晚上，基于北斗系统，一辆辆无人配送的车辆昼夜不息地工作，等我们早上醒来，包裹就已经出现在我们的面前。

北斗这样一座天空之城将改变我们的生活，改善我们的体验和生活方式。

沈苑在造就演讲

从神话传说里面的嫦娥奔月，到万物飞天，再到现在已经在实施的火星探索计划……几千年以来，人类从来没有放弃过对宇宙的探索，这个脚步也不会停止。北斗导航系统将为人类走向更远的星辰大海提供梦想的天梯。

本文来自微信公众号：造就（ID：xingshu100），演讲者：沈苑，中科院微小卫星创新研究院导航所副所长、北斗星航卫星副总指挥