霸道总裁失去北斗的一天
发布时间:2020-07-31
出品:科普中国
制作:探探星空
监制:中国科学院计算机网络信息中心
 

   2020731日上午1030分,北斗三号全球卫星导航系统建成暨开通仪式在人民大会堂举行。

  图片来源:央视新闻微博

  北斗系统的发展,其实与我们的日常生活息息相关。

北斗能怎样服务于普通大众?

  普通人的生活已经离不开导航卫星了,北斗也在迅速融入,为大家提供更好的服务。地图导航、共享单车/打车、快递查询等这些便利都离不开北斗的定位作用

  

  依赖卫星导航的无人机和农用机械已经在逐步颠覆传统农业形式(图源:Pixabay

  交通系统高精度时刻表、国家大型电网输电、金融系统超高频交易、通讯终端永远准确的时间,都有北斗原子钟的身影。

  大型基建工程,高铁、大桥、机场建设,都需要北斗定位。

  农林牧渔,交通运输、水文监测、气象预报、地理测绘、森林防火、电力调度、救灾减灾、应急搜救,面积测算等,都需要高精度卫星定位服务。

  而目前很多新技术,例如自动驾驶、无人码头,自动化农业,无人机植保等,也离不开北斗的强大支撑。

为什么北斗能服务无限个用户?

  北斗三号是一种无源定位系统,每一颗导航卫星的本质就是告诉你这么一个事情:现在几点了(时间ts),我在哪里(xsyszs)。当你(接收机)收到信号时,可以通过比对,得到接收机上时间与接收到的卫星信息显示时间之间的差值,这个差值乘以光速就是你和卫星之间的距离。还有一个方法是数中间隔了多少个信号波长。卫星由于有专门的科学家维持,它的位置极其精确,误差在1厘米级别;卫星上搭载的钟是原子钟,几百万年才可能错1秒,因此,它的所有信息几乎可以被认为无误差。

  那么你只需要解出四个参数:在地球上的三维坐标xyz和钟差t(毕竟用户的石英钟不可能和原子钟精度相比,需要把它的误差做一个未知数解出来)。观测到四个卫星,就可以构建四个方程,解出四个未知数。

  

  用户只需接收到四颗卫星信号,即可精确确定自身位置和时间(图源:doi.org/10.9790/0661-17333441

  所以,对卫星而言,永远只做一件事情:往地面发信号,一直在说我在哪儿,几点了,卫星不需要做任何辅助你的计算。用户只要能收到信号进行解算即可,与这些卫星没有任何交流,也不消耗它们任何一丝能量,这也就意味着,理论上用户量是无限的。而且,每一位用户都可以享受米级定位精度和纳秒级授时精度。

  

  2020614日全球可以看见的北斗卫星数量分布图,可以看出能实现全球定位(>3),且亚太地区数量更大、定位精度更高(图源:北斗办)

北斗有哪些特色绝活?

  不仅如此,北斗有一系列特色技术

  星间链路技术,各个卫星之间可以彼此通信联络。这样仅需在中国境内对卫星进行主控、监控和信息注入,既解决了全球建站安全性的问题,也可以降低运营成本,卫星之间可以互为校正,也有助于提高服务质量,增强抗干扰能力。

  

  2008年汶川地震灾难时,15勇士在通信完全中断的情况下完成了“惊天一跳”,他们就带有北斗系统接收机(图源:央视网)

  短报文系统,通过卫星实现天地双向通信,而其他几个系统仅能单向接收卫星信号。这意味着卫星可以向拥有此项授权服务的接收机发送专属讯息,特殊环境(大洋,荒漠,深山、极地)、灾难救援和军用环境下价值意义巨大。

  部分北斗卫星还携带了国际Cospas-Sarsat卫星辅助搜索和应急救援计划的有效载荷,在发生紧急情况时,可以参与国际合作的应急救灾工作中。

  人类已经进入卫星导航的时代,且永远无法离开导航卫星了。

  本文文字内容主要来自太空精酿文章《二十六载终组网,十问北斗你真行》,编辑有调整

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