大國(guó)重器 | 以北斗衛(wèi)星可視化，致敬偉大祖國(guó)

重點(diǎn)推文

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(wèi)星發(fā)射中心，我國(guó)北斗三號(hào)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)最后一顆組網(wǎng)衛(wèi)星發(fā)射升空，至此，我國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的35顆工作衛(wèi)星全部發(fā)射入網(wǎng)。從1994年到2020年，歷經(jīng)26載，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)星座部署完美收官！我國(guó)成為繼美俄后第三個(gè)擁有自主衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的國(guó)家。

（北斗單體衛(wèi)星在空態(tài)勢(shì)）

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

（全球四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)組網(wǎng)態(tài)勢(shì)）

那么北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的工作原理是什么呢？它與其他全球?qū)Ш较啾扔惺裁床煌?？為此，?shù)字冰雹制作了全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)可視化演示程序，將全球四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)射數(shù)據(jù)、空間在軌態(tài)勢(shì)、以及北斗系統(tǒng)的工作原理進(jìn)行了可視化分析和直觀展示，希望通過本文，讓大家對(duì)北斗導(dǎo)航系統(tǒng)有更深入的了解。

我們整理四大導(dǎo)航系統(tǒng)的衛(wèi)星雙行根數(shù)，基于數(shù)字冰雹的可視化產(chǎn)品平臺(tái)，復(fù)現(xiàn)了各個(gè)系統(tǒng)的空間運(yùn)行態(tài)勢(shì)。界面正中央是各全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的組網(wǎng)態(tài)勢(shì)，界面左側(cè)是各系統(tǒng)的衛(wèi)星發(fā)射時(shí)間線，右側(cè)是各系統(tǒng)的簡(jiǎn)要介紹，下方圖表分別展示的是各大導(dǎo)航系統(tǒng)的工作衛(wèi)星數(shù)量、發(fā)射時(shí)間線、逐年累計(jì)發(fā)射數(shù)量。

通過可視化手段，縱向觀察，可對(duì)某一導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)進(jìn)展進(jìn)行分析，橫向?qū)Ρ龋蓪?duì)不同導(dǎo)航系統(tǒng)工作衛(wèi)星數(shù)據(jù)差異、軌道態(tài)勢(shì)差異等情況進(jìn)行直觀對(duì)比分析。有助于幫助我們對(duì)各全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)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?qū)Ш较到y(tǒng)對(duì)比

(一)星座對(duì)比：北斗獨(dú)創(chuàng)“三種軌道”混合星座 

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)空間星座的要素主要包括星座類型、衛(wèi)星類型、衛(wèi)星數(shù)量、軌道高度等。通過可視化演示程序，可以直觀的看到，GPS、GLONASS和GALILEO的星座大體相同，只有一種軌道，衛(wèi)星均為中圓地球軌道（MEO）衛(wèi)星。

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

而中國(guó)北斗系統(tǒng)是由三種軌道衛(wèi)星組成的混合導(dǎo)航星座，比其他幾個(gè)導(dǎo)航系統(tǒng)軌道類型更多，軌道面也更多。如下圖所示，北斗系統(tǒng)涵蓋了中圓地球軌道（MEO）衛(wèi)星、傾斜地球同步軌道（IGSO）衛(wèi)星和地球靜止軌道（GEO）衛(wèi)星三種軌道類型。

（北斗系統(tǒng)星座態(tài)勢(shì)） 

1.北斗地球靜止軌道(GEO)衛(wèi)星隨地球自轉(zhuǎn)而動(dòng)

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

（地球靜止軌道（GEO）衛(wèi)星態(tài)勢(shì)）

2.中圓地球軌道(MEO)衛(wèi)星全球“奔跑”

北斗MEO衛(wèi)星軌道高度約21500km，軌道傾角為55度，繞地球旋轉(zhuǎn)運(yùn)行，通過多顆衛(wèi)星組網(wǎng)可實(shí)現(xiàn)全球覆蓋，北斗MEO星座回歸特性為7天13圈，實(shí)現(xiàn)了全球覆蓋和全球服務(wù)，承載了全球短報(bào)文通信、國(guó)際搜救等服務(wù)功能。

（中圓地球軌道（MEO）衛(wèi)星態(tài)勢(shì)）

 3.北斗傾斜地球同步軌道(IGSO)衛(wèi)星呈“8”字分布

IGSO衛(wèi)星軌道高度與GEO衛(wèi)星相同，運(yùn)行周期也與地球自轉(zhuǎn)周期相同，軌道傾角為55度，星下點(diǎn)軌跡為“8”字。IGSO衛(wèi)星信號(hào)抗遮擋能力強(qiáng)，尤其在低緯度地區(qū)，其性能優(yōu)勢(shì)明顯。IGSO總是覆蓋地球上某一個(gè)區(qū)域，可與GEO衛(wèi)星搭配，形成良好的幾何構(gòu)型，一定程度上克服GEO衛(wèi)星在高緯度地區(qū)仰角過低帶來的影響。

（傾斜地球同步軌道（IGSO）態(tài)勢(shì)）

北斗獨(dú)創(chuàng)的混合星座設(shè)計(jì)，既能實(shí)現(xiàn)全球覆蓋、全球服務(wù)，又可為亞太大部分地區(qū)用戶提供更高性能的定位導(dǎo)航授時(shí)服務(wù)。

（二）從“埋頭追趕”到“引領(lǐng)超越”

（四大導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)射時(shí)間線）

此圖是四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)逐年發(fā)射的衛(wèi)星數(shù)量，黃色柱圖代表中國(guó)北斗系統(tǒng)，藍(lán)色柱圖代表美國(guó)GPS系統(tǒng)，紫色柱圖代表俄羅斯GLONASS系統(tǒng)，綠色柱圖代表歐洲GAlILEO系統(tǒng)。

從建設(shè)速度來看，世界四大系統(tǒng)中，美國(guó)GPS系統(tǒng)建設(shè)最快紀(jì)錄為一年6星，蘇聯(lián)/俄羅斯格洛納斯(GLONASS)系統(tǒng)為一年9星，歐洲伽利略(Galileo)系統(tǒng)為一年6星。中國(guó)北斗作為后起之秀，創(chuàng)下了全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)組網(wǎng)最快紀(jì)錄——1年(2018年)10箭18星！2020年北斗星座全面建成，可以說，北斗的建設(shè)速度是空前的。

（三）數(shù)量對(duì)比：組網(wǎng)工作衛(wèi)星數(shù)量最多 

在全球四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中，中國(guó)北斗系統(tǒng)擁有35顆共工作衛(wèi)星，而美國(guó) GPS、俄羅斯 GLONASS、歐洲 GALILEO是24顆工作衛(wèi)星，如下圖所示。

（各系統(tǒng)工作衛(wèi)星數(shù)量）

為什么北斗系統(tǒng)的工作衛(wèi)星數(shù)量要多于其他導(dǎo)航系統(tǒng)？主要有三方面原因：

1、北斗衛(wèi)星的軌道位置更高

根據(jù)國(guó)際規(guī)則，空間軌道資源采用先占先得，美俄等西方發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)占據(jù)大部分“地理位置”最優(yōu)的近地衛(wèi)星軌道，因此，我國(guó)的部分衛(wèi)星只能運(yùn)行在更高的軌道上。根據(jù)圓周公式就可以知道，軌道越高，周長(zhǎng)越長(zhǎng)，所需要的衛(wèi)星數(shù)量自然也就越多。  

2、北斗星座軌道種類更多

其他全球?qū)Ш较到y(tǒng)衛(wèi)星分布在單一軌道上，即中圓地球軌道(MEO)衛(wèi)星，而中國(guó)北斗全球?qū)Ш较到y(tǒng)則分布在三種不同的軌道類型上，軌道類型更多，衛(wèi)星數(shù)量自然越多。 

3、北斗需要同步衛(wèi)星軌道實(shí)現(xiàn)短報(bào)互文功能

北斗有一個(gè)其他導(dǎo)航系統(tǒng)沒有的功能，那就是“短報(bào)互文”，實(shí)現(xiàn)短報(bào)文功能的衛(wèi)星是“同步軌道衛(wèi)星”。以上三個(gè)原因便決定了北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的數(shù)量要多于其他導(dǎo)航系統(tǒng)。 

 （四大導(dǎo)航衛(wèi)星逐年累計(jì)發(fā)射數(shù)量）

此折線圖展示的是全球四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)累計(jì)發(fā)射的衛(wèi)星數(shù)量，黃色折線代表中國(guó)北斗系統(tǒng)，藍(lán)色折線代表美國(guó)GPS系統(tǒng)，紫色折線代表俄羅斯GLONASS系統(tǒng)，綠色折線代表歐洲GAlILEO系統(tǒng)。

在這里不得不說的是俄羅斯GLONASS系統(tǒng)，從圖中可以看到，GLONASS從1982年到2020年，共發(fā)射136顆衛(wèi)星，發(fā)射數(shù)量是四大導(dǎo)航系統(tǒng)之最，究其原因，是因?yàn)樵缙谠搶?dǎo)航系統(tǒng)衛(wèi)星普遍壽命短，一度導(dǎo)致系統(tǒng)無法正常工作，遂以“補(bǔ)星計(jì)劃”增加發(fā)射數(shù)量填補(bǔ)壽命短的缺陷。

三、星間鏈路，中國(guó)智慧

受各方因素限制，北斗系統(tǒng)不像GPS一樣全球布站以支持系統(tǒng)日常運(yùn)行和控制。北斗系統(tǒng)的另一大獨(dú)特本領(lǐng)就是不需要全球布站，也能實(shí)現(xiàn)全球覆蓋和服務(wù)。因?yàn)樵诒倍啡?hào)系統(tǒng)中采用了一套其他導(dǎo)航衛(wèi)星所不具備的技術(shù)——星間鏈路。

星間鏈路是指用于衛(wèi)星之間通信的鏈路，通過星間鏈路可以實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星之間的信息傳輸和交換。北斗星間鏈路通過高-中軌、中-中軌衛(wèi)星鏈路和星-地（地面錨固站設(shè)備）鏈路，實(shí)現(xiàn)“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，通過空間段衛(wèi)星之間進(jìn)行信息傳輸并將信息數(shù)據(jù)傳到地面段若干個(gè)監(jiān)測(cè)站，再通過監(jiān)測(cè)站進(jìn)行信息處理、輸出，最終傳達(dá)到各類導(dǎo)航終端?？臻g段、地面段和用戶段三部分的協(xié)同工作，可在全球范圍內(nèi)全天候、全天時(shí)為各類用戶提供高精度、高可靠定位、導(dǎo)航、授時(shí)服務(wù)。

四、技術(shù)深耕，逐夢(mèng)航天

秉持著對(duì)航天軍工事業(yè)的熱愛，數(shù)字冰雹十余年來深耕航天軍工可視化技術(shù)領(lǐng)域，先后參與了多個(gè)國(guó)家航天科研項(xiàng)目——暗物質(zhì)衛(wèi)星“悟空” 數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)可視化、量子實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子”數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)可視化、長(zhǎng)征五號(hào)發(fā)射任務(wù)可視化...基于數(shù)字冰雹成熟完善的可視化產(chǎn)品平臺(tái)，不僅實(shí)現(xiàn)了項(xiàng)目的高效建設(shè)，還實(shí)現(xiàn)了高度的靈活性，根據(jù)用戶的業(yè)務(wù)需求變化便捷高效地進(jìn)行修改調(diào)整，修改操作所見即所得，為用戶的業(yè)務(wù)應(yīng)用提供了充分支撐，實(shí)現(xiàn)了項(xiàng)目的高效、高品質(zhì)交付，獲得了客戶的一致好評(píng)。

基于在航天軍工領(lǐng)域的多年積累，數(shù)字冰雹不斷打磨我們面向航天軍工領(lǐng)域的可視化決策產(chǎn)品，現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)資源整合，作戰(zhàn)情報(bào)數(shù)據(jù)的可視化顯示、分析、監(jiān)測(cè)、指揮研判，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的戰(zhàn)役級(jí)/戰(zhàn)術(shù)級(jí)可視化監(jiān)測(cè)、海陸空天電一體化戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境仿真、多軍兵種聯(lián)合作戰(zhàn)態(tài)勢(shì)感知等豐富功能。可廣泛應(yīng)用于作戰(zhàn)指揮顯示、作戰(zhàn)推演/論證、模擬訓(xùn)練教學(xué)、裝備論證、匯報(bào)觀摩、戰(zhàn)例分析、作戰(zhàn)任務(wù)規(guī)劃、智慧營(yíng)區(qū)管理、戰(zhàn)場(chǎng)視景仿真等領(lǐng)域。

數(shù)字冰雹作為大數(shù)據(jù)可視化行業(yè)領(lǐng)軍企業(yè)，將繼續(xù)深化科技創(chuàng)新，打造更加專業(yè)、科學(xué)、高效的可視化決策平臺(tái)，以科技的力量，助力國(guó)家航天事業(yè)發(fā)展。

衛(wèi)星數(shù)據(jù)來自公開網(wǎng)站。本文僅對(duì)視頻演示的內(nèi)容做闡述，數(shù)字冰雹不對(duì)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、可靠性、完整性和適用性等做任何保證。