紧追北斗!SpaceX发射第三颗GPSIII卫星

2020-07-01 14:01:37来源:今日头条

 
        8天后,紧随我国北斗三号组网收官卫星的成功发射,北京时间2020年7月1日凌晨(弗洛里达当地时间6月30日下午),美国卡角发射场,GPSIII第三颗卫星搭载SpaceX公司猎鹰9号运载火箭成功发射。
 
Space X公司猎鹰9号火箭
 
        我国的北斗三号系统启动建设于2009年,于2020年6月23日已完成组网。GPSIII,即美国第三代全球卫星导航系统,启动建设于2000年,其卫星项目由美国著名航空航天公司洛克希德·马丁负责开发,单颗造价高达5亿美元,首颗已于2018年完成发射,初期计划在2023前完成总计十颗GPSIII卫星的发射。
 
       
        已经完成组网的北斗三号和GPS三代相比我们到底是处于领先还是落后,通过如下几点核心技术的对比,或许我们不难得到答案。
 
        定位精度之比
 
        北斗三号的定位精度:全球范围服务的精度是10米,亚太地区可达5米。亚太地区精度的提高得益于我们独创的三种轨道混合应用,将全球服务和地域增强有机的结合。
 
        GPS三代的定位精度由二代的5-10米提高到1米,和欧洲的伽利略卫星导航系统持平。
上面说的定位精度都是针对民用需求,对于军用,在辅助装置的加持增强下,全球四大导航系统都能轻松实现厘米,甚至毫米级的定位精度。
 
北斗卫星导航系统为地面提供服务示意图
 
        厘米级定位精度的意义:
 
        有科学家做过这样一个模拟实验。在完成一次精准打击任务过程中,定位精度同弹数量、当量的关系是:
        (1)当定位精度提高1倍,相当于提高弹数量3倍,当量提高7倍;
 
        (2)当定位精度提高2倍,相当于提高弹数量8倍,当量提高26倍;
 
        (3)当定位精度提高3倍,相当于提高弹数量15倍,当量提高63倍;
 
        看了这个,相信大家也就能理解各国不断提高导航定位精度的意义了!
 
东风26
 
卫星定位的“心脏”—原子钟之比
 
 
        以铯的固有频率作为基准频率定义1秒的长度
 
        北斗三号:采用铷原子钟搭配氢原子钟的完美自主解决方案。铷原子钟体积小、能耗低,频率稳定度,较北斗二号提高10倍,定位精度和授时精度均提高一个量级,它的缺点是有一定老化率。同时北斗三号还配置了精度高、稳定性好的氢原子钟,它的缺点是体积大能耗高。
 
        GPS三代卫星:使用的是依旧是铯原子钟,众所周知,铯的固有频率是各系统中的基准频率,可用于世界准时钟的计量。铯原子钟精度和稳定性极高,几乎无老化,当然缺点也很明显,价格昂贵,能耗高、体积大也在所难免。
 
        卫星是怎么实现定位的?
 
        我们知道,在一个三维空间中通常用(X,Y,Z)来表示一个点的位置,如果我们把地球、地球上的人和物体、导航卫星放在一个大的三维空间中,这样形成一个以地心为原点的坐标系。
 
        每个卫星的坐标是已知的,卫星到地球上人和物体的距离可以通过光速和时间的乘积得到,这样根据空间几何的相关公式,我们就可以得到坐标和两点距离之间的方程式,因为一个坐标有三个未知参数,所以理论上需要三颗卫星组成一个方程组就能求出(X,Y,Z),但由于卫星(原子钟)和地面(石英钟)时间精度的差异(例如地面显示的接收卫星信号的时间是12:00:02,但由于精度差异,地面接收卫星信号的真实时间是12:00:01),为了消除这个误差,还需要引入第四颗卫星再列一个方程式,就能准确解得(X,Y,Z)的具体值,也就知道了我们的位置。
 
        从导航卫星定位的过程我们也能看出影响导航卫星定位精度的因素,一般有:卫星上原子钟时间的准确度、卫星的空间分布、接收端信号的延迟情况等。
 
 
多颗卫星定位
 
        抗干扰能力对比
 
        北斗则采用了我国首创三种(中圆轨道+地球静止轨道+倾斜地球同步轨道)混合轨道,加上我国自主研发的抗干扰载荷,极大的增强了卫星的抗干扰能力,同时北斗系统和其他导航系统的兼容和数据共享进一步提升其抗干扰能力。
 
GPS三代,新增加的M码(军码)的配置,官方通告称抗干扰能力比二代提高了8倍。
 
 
        GPSIII卫星
 
        双向通信功能对比
 
        北斗三号是目前世界上第一个融合定位、授时和报文通信为一体的卫星导航系统。当我们身陷险境时,仅仅知道我们在那往往是不够的,我们还需要救援人员知道我们的精确位置,这时北斗的短报文通信就显得格外珍贵。
 
        无独有偶,不知道是参考咱们的北斗还是纯属巧合,GPS 三代卫星也将配置双向通信的功能。
 
    猎鹰9号运载火箭
 
        GPS虽然已经普遍应用到我们生活生产当中,但作为后起之秀的北斗三号,我们确实也不差,有些方面确实也处于国际领先水平比如独创混合轨道星座、短报文通信等,但在核心技术如原子钟、运行稳定性、民用普遍化等方面还有一定的优化空间。同时我们也坚信,今后在更多的关键技术领域我们都可以实现全面的领先。

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