王寶伊

摘 要 文章采用實(shí)證研究法和文獻(xiàn)研究法，對(duì)北斗衛(wèi)星進(jìn)行90小時(shí)連續(xù)觀測(cè)，篩選合格衛(wèi)星觀測(cè)點(diǎn)，手繪單星星下點(diǎn)軌跡圖，總結(jié)北斗衛(wèi)星的特點(diǎn)。研究發(fā)現(xiàn)對(duì)于亞太地區(qū)來(lái)說(shuō)北斗衛(wèi)星分布嚴(yán)密合理，能夠提供比GPS更好的信息服務(wù)，最后給出發(fā)展建議。

關(guān)鍵詞 北斗衛(wèi)星；衛(wèi)星導(dǎo)航；觀察

中圖分類(lèi)號(hào) P228 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1674-6708（2019）232-0150-03

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國(guó)自主研發(fā)的世界級(jí)的導(dǎo)航系統(tǒng)，是我國(guó)科技水平的重要體現(xiàn)。北斗衛(wèi)星系統(tǒng)日新月異地發(fā)展有目共睹，我國(guó)的航天科學(xué)家們整體科學(xué)布局、合理擴(kuò)大觀測(cè)范圍，正從覆蓋亞太地區(qū)向覆蓋全球服務(wù)全球階段邁進(jìn)。我們期望著中國(guó)人和亞洲人越來(lái)越多地應(yīng)用北斗系統(tǒng)，給生活增加便利和安全，期望北斗衛(wèi)星覆蓋的范圍越來(lái)越廣。

1 觀測(cè)準(zhǔn)備階段

1.1 篩選觀測(cè)點(diǎn)

人造衛(wèi)星是由人類(lèi)建造，以太空飛行載具如火箭、航天飛機(jī)等發(fā)射到太空中環(huán)繞地球在空間軌道上運(yùn)行的無(wú)人航天器[ 1 ]。中國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）是中國(guó)自主研制的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)[ 2 ]。是繼美國(guó)全球定位系統(tǒng)（GPS）、俄羅斯格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GLONASS）、歐洲伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Galileo）之后第四個(gè)成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。該系統(tǒng)可提供區(qū)域?qū)Ш?、定位和授時(shí)能力，并具短報(bào)文通信能力。

進(jìn)行衛(wèi)星觀測(cè)首先要選擇一個(gè)良好的可長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)進(jìn)行觀測(cè)的地點(diǎn)。專(zhuān)業(yè)觀測(cè)者選擇合適的觀測(cè)地點(diǎn)需要滿足許多的條件，比如：晴天率高、視寧度高、光污染少、大氣質(zhì)量高、海拔高、氣溫適宜等。本文觀測(cè)點(diǎn)為東經(jīng)123.17°，北緯41.25°，海拔45.50m，由于霧霾天氣較多，樓房林立，對(duì)衛(wèi)星信號(hào)有遮擋，觀測(cè)條件不夠好。在前期實(shí)驗(yàn)中，對(duì)比分析獲得的數(shù)據(jù)后，摸索出了在城市樓群中篩選觀測(cè)點(diǎn)的選擇規(guī)律：有計(jì)算方法和直觀測(cè)量法兩種。

第一種，計(jì)算分析法。測(cè)量擬觀測(cè)點(diǎn)高度、樓間距、鄰樓高度，來(lái)計(jì)算出擬觀測(cè)點(diǎn)的觀測(cè)角和遮蔽角，選擇觀測(cè)角>45度或者觀測(cè)角>遮蔽角的地點(diǎn)作為觀測(cè)點(diǎn)，如圖1所示。

第二種，直觀測(cè)量法。自行研制簡(jiǎn)單易用的“觀測(cè)角量角器”，它是用鋼板尺、量角器和紅線手工制作的。使用時(shí)，一只手將鋼板尺的長(zhǎng)端緊貼在樓房外墻，讓鋼板尺的另一端保持水平，閉上一只眼睛，另一只手伸直紅線，眼睛瞄準(zhǔn)，紅線將“觀測(cè)角量角器”中心點(diǎn)與鄰樓房脊最高點(diǎn)連成一線。如圖2所示，紅線與90度線所夾角為本觀測(cè)點(diǎn)的觀測(cè)角，紅線與0度線所夾角為本觀測(cè)點(diǎn)的遮蔽角。

1.2 自制加長(zhǎng)桿，擴(kuò)大觀測(cè)范圍

本文的觀測(cè)數(shù)據(jù)還顯不足：遮蔽角大，觀測(cè)到的衛(wèi)星數(shù)量少，不利于后期數(shù)據(jù)匯總分析。為了擴(kuò)大觀測(cè)范圍，筆者設(shè)計(jì)制作了加長(zhǎng)桿。將北斗多模接收機(jī)伸出窗外約2m，觀測(cè)結(jié)果增加2顆以上衛(wèi)星。

2 數(shù)據(jù)的收集、整理和分析階段

2.1 收集

2.1.1 前期失敗的兩次實(shí)驗(yàn)觀測(cè)

在12月的周末，完成兩次北斗衛(wèi)星連續(xù)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)。第一次實(shí)驗(yàn)完成后，發(fā)現(xiàn)10小時(shí)的觀測(cè)數(shù)據(jù)量小，達(dá)不到實(shí)驗(yàn)?zāi)康?。重新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)記錄單、星下點(diǎn)軌跡圖和實(shí)驗(yàn)計(jì)劃后，做實(shí)每一個(gè)實(shí)驗(yàn)步驟，留下真實(shí)準(zhǔn)確的北斗衛(wèi)星觀測(cè)記錄表，給后期的分析總結(jié)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

第二次實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到25小時(shí)，遇到霧霾被迫中斷了。最后選定正月初四到初六進(jìn)行第三次北斗觀測(cè)實(shí)驗(yàn)。

2.1.2 修改并最終確定觀測(cè)實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)

1）記錄連續(xù)50～70個(gè)時(shí)點(diǎn)的北斗衛(wèi)星星下點(diǎn)位置、信號(hào)強(qiáng)度等。

2）繪制北斗衛(wèi)星單星軌跡圖，北斗衛(wèi)星的運(yùn)行規(guī)律表。

3）最終推測(cè)出北斗衛(wèi)星的整體布局。

2.1.3 第三次觀測(cè)實(shí)驗(yàn)

第三次實(shí)驗(yàn)從2017年2月1日8：00到2017年2月5日1：00時(shí)，連續(xù)進(jìn)行了90個(gè)小時(shí)，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)，實(shí)驗(yàn)成功。

2.1.4 北斗衛(wèi)星觀測(cè)記錄

圖4是《北斗衛(wèi)星觀測(cè)記錄之一》，上面記錄著觀測(cè)時(shí)間、衛(wèi)星的相對(duì)位置、信號(hào)強(qiáng)度和信號(hào)是否被利用（對(duì)號(hào)即信號(hào)優(yōu)良，空格即信號(hào)弱，橫線即未收到信號(hào)）。2017年2月1日9時(shí)觀測(cè)接收到10顆北斗衛(wèi)星信號(hào)，其中5號(hào)衛(wèi)星調(diào)皮地位移。將2017年2月1日8時(shí)、9時(shí)和10時(shí)3個(gè)記錄對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)北斗5號(hào)衛(wèi)星在一個(gè)小時(shí)內(nèi)，相對(duì)位置從 S72°W68°，跑回S80°W74°，精準(zhǔn)地復(fù)位了。

2.2 整理

根據(jù)90小時(shí)的北斗衛(wèi)星觀測(cè)記錄，逐個(gè)描繪出每顆衛(wèi)星運(yùn)行軌跡圖。

圖5中描繪的北斗1號(hào)到5號(hào)是地球靜止軌道衛(wèi)星（GEO），它們能為區(qū)域用戶提供24小時(shí)連續(xù)的信息服務(wù)，還可以提供衛(wèi)星無(wú)線電導(dǎo)航、位置報(bào)告、短報(bào)文等功能。

如圖6所示，第6、7、8、9、10、13號(hào)北斗衛(wèi)星是傾斜地球同步軌道衛(wèi)星（IGSO），傾斜地球同步軌道衛(wèi)星的周期與地球同步，他的軌道傾角約55°，與地面有相對(duì)移動(dòng)星下點(diǎn)軌跡類(lèi)似“8”。

如圖7所示，11、12、14號(hào)衛(wèi)星屬于中圓地球軌道衛(wèi)星（MEO），劃過(guò)南北緯55度之間的大片區(qū)域，中地球軌道的衛(wèi)星運(yùn)轉(zhuǎn)周期在2至12小時(shí)之間，相對(duì)速度大，信息獲取能力強(qiáng)，定位精度高。

2.3 分析

2.3.1 北斗衛(wèi)星的運(yùn)行規(guī)律

北斗衛(wèi)星的運(yùn)行規(guī)律如表1所示。

2.3.2 北斗衛(wèi)星分布規(guī)律

結(jié)合觀測(cè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，研究北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的特點(diǎn)如下：

1）北斗6、7、8號(hào)衛(wèi)星出現(xiàn)在亞太地區(qū)東部上空，北斗9、10、13號(hào)衛(wèi)星守護(hù)在亞洲中西部空中。因?yàn)槲覈?guó)領(lǐng)土大部分位于北半球且經(jīng)度跨度大，將兩組IGSO與5顆GEO衛(wèi)星配合組隊(duì)，保證我國(guó)和亞太地區(qū)任何時(shí)候都能觀測(cè)到至少2顆IGSO、5顆GEO衛(wèi)星，完美實(shí)現(xiàn)了三維定位，可以提供更好的定位、導(dǎo)航、授時(shí)服務(wù)。

2）信息傳遞能力強(qiáng)，比GPS提供的信息更豐富。IGSO衛(wèi)星軌道到達(dá)南北緯55°，對(duì)我國(guó)高緯度地區(qū)進(jìn)行有效的信號(hào)增強(qiáng)[ 3 ]。在觀測(cè)中我們發(fā)現(xiàn)：傾斜地球同步軌道衛(wèi)星比靜止軌道衛(wèi)星信號(hào)傳遞能力優(yōu)越。北斗系統(tǒng)將6顆IGSO和5顆GEO動(dòng)靜結(jié)合，對(duì)高中低緯進(jìn)行精度增強(qiáng)。

3 分析實(shí)驗(yàn)報(bào)告，給出北斗衛(wèi)星發(fā)展建議

3.1 分析

我國(guó)MEO衛(wèi)星位于21 500千米空中，美國(guó)GPS（20 200千米），俄羅斯格洛納斯[ 4 ]（19 100千米）以及歐洲伽利略（23 222千米）。在此高度各國(guó)的人造衛(wèi)星很多?！侗倍沸l(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)》提到，北斗系統(tǒng)計(jì)劃在3個(gè)軌道傾角為55°的軌道面上布排27顆MEO衛(wèi)星，即我國(guó)需要再建造發(fā)射24顆MEO衛(wèi)星。

3.2 發(fā)展建議： 科技創(chuàng)新升級(jí)、戰(zhàn)略創(chuàng)新儲(chǔ)備

在國(guó)際衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域里，科技創(chuàng)新和戰(zhàn)略創(chuàng)新很快，客觀環(huán)境要求我們加強(qiáng)技術(shù)創(chuàng)新升級(jí)和戰(zhàn)略創(chuàng)新儲(chǔ)備，不斷地提升北斗衛(wèi)星的單星防御，所以結(jié)合現(xiàn)狀，給出以下幾條建議：

1）衛(wèi)星外部包裹輕薄嚴(yán)密的防激光護(hù)甲。護(hù)甲的材料以新型陶瓷材料為主，這種無(wú)機(jī)非金屬材料，在空氣中可以耐受1 980℃的高溫，具有在高溫下強(qiáng)度高、硬度大、抗氧化、耐腐蝕、耐磨損、耐燒蝕等優(yōu)點(diǎn)[ 5 ]。

2）衛(wèi)星前方設(shè)智能靈盾，雷達(dá)探路、遇障礙變軌，選取最佳路徑，雷達(dá)還可以發(fā)現(xiàn)外來(lái)撞擊物，通知主星變軌避開(kāi)[ 6 ]；如果攻擊避不開(kāi)，將盾牌移到相應(yīng)位置，減少主星傷害。

3）衛(wèi)星采用防激光裝備。設(shè)置熱感應(yīng)二氧化硫氣囊，非線性光電傳感器和抗激光材料，以及防激光的新型聚合物基復(fù)合材料、碳-碳復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料、抗激光涂層等[7]。

總之，最終目的就是提高北斗衛(wèi)星的自保能力、應(yīng)變能力和抗打擊能力。

4 結(jié)論

北斗衛(wèi)星系統(tǒng)日新月異地發(fā)展，正從覆蓋亞太地區(qū)向覆蓋全球服務(wù)全球階段邁進(jìn)。我們期望著中國(guó)和世界越來(lái)越多地應(yīng)用北斗系統(tǒng)，給生活增加便利和安全。

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