北斗“混搭”星座結構

　　與神舟載人航天、嫦娥探月相比，北斗衛(wèi)星導航工程，顯得非常低調。北斗雖然低調，但是技術含量并不少。而且，它與普通人的生活關系更為密切。

　　參與北斗衛(wèi)星導航系統方案設計的郭樹人，向記者介紹了北斗衛(wèi)星導航系統的幾個關鍵環(huán)節(jié)。

　　星座結構獨特：用IGSO衛(wèi)星定位

　　北斗衛(wèi)星導航系統的星座結構，和其他導航系統的星座結構有明顯區(qū)別。美國、俄羅斯的導航系統采用的是中圓軌道，衛(wèi)星均勻分布在軌道面上，都是MEO衛(wèi)星。

　　郭樹人說，這樣的對稱星座，軌道面均勻，相位也均勻，是覆蓋全球的最優(yōu)星座。

　　中國首先要組建一個區(qū)域導航服務星座。郭樹人說，北斗沒有以MEO衛(wèi)星為主。MEO衛(wèi)星繞地球旋轉，每天只有30%的時間位于中國的國土上空，其他時間不能為中國提供服務。因此，北斗更多采用了傾斜地球軌道衛(wèi)星(IGSO)、地球靜止軌道衛(wèi)星(GEO)。這兩種衛(wèi)星的活動范圍，相對固定。

　　郭樹人說，GEO同步衛(wèi)星，軌道傾角為0度，相對地面是不動的，但是只用這一種衛(wèi)星，定位有問題，因為它們有時會處于同一直線上，不能計算定點的位置。于是，還需要IGSO衛(wèi)星，這也是同步衛(wèi)星，但軌道傾角是55度。它的軌跡呈8字形，有70%-80%的時間停留在中國的國土上空。

　　用IGSO衛(wèi)星進行定位，這在世界上是第一次。

　　組網要求高：雷雨天發(fā)射衛(wèi)星

　　與之前的衛(wèi)星發(fā)射不同，北斗不是單顆衛(wèi)星，而是需要發(fā)射30余顆衛(wèi)星，組成一個網絡。星座的設計要求是，既要保證同時可以看到4顆星，但衛(wèi)星又不能離太近，要分散開，間隔越遠越好。

　　郭樹人說，衛(wèi)星組網，最關鍵的就是衛(wèi)星之間的位置關系，它們的距離必須是確定的。這就要求，衛(wèi)星發(fā)射不僅要進入軌道，還要保證進入軌道的某個位置。對于MEO和IGSO衛(wèi)星來說，這樣的要求，需要等待為數不多的發(fā)射窗口。

　　2011年7月27日5時44分，第九顆北斗導航衛(wèi)星在暴雨雷電中成功發(fā)射。

　　郭樹人說，如果是別的衛(wèi)星發(fā)射，遇到惡劣天氣就取消發(fā)射任務。當時，發(fā)射準備工作都做好了，現場人員準備撤離。發(fā)射前2小時，突降大雨，且伴隨雷電。

　　如果不進入發(fā)射程序，損失很大，很多程序是不可逆的，而且一旦錯過發(fā)射窗口，就會再等很長時間。隨后的兩個小時里，每15分鐘就進行一次天氣會商。

　　最終決定，發(fā)射。

　　在兩次雷電的間隙，火箭騰空而起。郭樹人說，火箭升空不久，就聽到了雷暴。

　　用戶救命法寶：120字短報文

　　北斗衛(wèi)星試驗系統的“有源定位”功能，被北斗衛(wèi)星導航系統繼承了下來。這讓北斗系統有了一項其他衛(wèi)星導航系統所不具備的功能——短報文功能。

　　郭樹人說，短報文是北斗導航系統的一個特色。

　　北斗的短報文每條可發(fā)送120個漢字。短短的120個字，在很多時候是“救命”的法寶。通過GPS，用戶只能知道“自己在哪”。但是通過北斗，用戶還能讓別人知道“自己在哪”。

　　汶川地震時，震區(qū)通信中斷。中國衛(wèi)星定位應用管理中心為救援部隊配備了1000多臺北斗終端機。北斗的短報文功能，讓救援部隊和指揮部的聯系保持順暢。

　　據介紹，北斗正式運行后，短報文通信的服務功能將覆蓋中國大陸及周邊地區(qū)。

　　國產原子鐘：精確到十億分之一秒

　　衛(wèi)星定位是通過測定時間來測定距離的。郭樹人說，衛(wèi)星導航系統最核心的是時間，定位的精度取決于時間的精度。北斗系統的精確時間，來源于衛(wèi)星上搭載的原子鐘。長期以來，中國星載原子鐘的研制一直備受海內外業(yè)界人士關注。

　　北斗衛(wèi)星導航系統工程副總設計師李祖洪曾透露，當時，我國準備從歐洲進口星載原子鐘，也同歐洲公司簽訂了合同。但對方提出了一個合同履行的前提條件，必須先取得瑞士政府頒發(fā)的對華銷售許可證，至于何時可以獲得許可證、能否取得許可證，對方不作任何承諾。

　　李祖洪說，當時大家已經意識到衛(wèi)星原子鐘必須依靠自己。于是，由北京大學、中科院、中國航天科技集團等多個部門空間物理、空間無線電等領域專家組成的課題組，經過兩年研究試驗，終于造出了自己的原子鐘，可以精確到十億分之一秒。

　　國家經典工程·北斗導航之揭秘

　　今年9月19日3時10分，中國在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心用“長征三號乙”運載火箭，采用一箭雙星方式，成功將第十四顆和第十五顆北斗導航衛(wèi)星發(fā)射升空并送入預定轉移軌道。與之前發(fā)射的北斗導航衛(wèi)星，一起構成“5GEO+5IGSO+4MEO”的星座結構。

　　其中，“5+5”是核心，一旦有衛(wèi)星失效或者處于在軌維修狀態(tài)，4顆中圓軌道衛(wèi)星可以起到部分替代作用。

　　北斗衛(wèi)星導航系統衛(wèi)星系統總設計師楊慧表示，對于限定區(qū)域的服務區(qū)而言，“5+5+4”的混合星座結構具有最佳的“魯棒性”和經濟性，最符合“少花錢多辦事”的原則。

　　郭樹人：艱巨在后頭

　　郭樹人辦公室里滿滿兩書架的書，都和衛(wèi)星有關?！　∷侵袊l(wèi)星導航系統管理辦公室研究員，從1993年加入北斗導航系統團隊，至今已與北斗“并肩”近20個年頭。

　　1993年，郭樹人調入北斗初建團隊工作，那時，整個團隊的核心人員不過10人左右。由于西方國家在衛(wèi)星導航系統方面對中國封鎖，中國只能靠自主研究突破關鍵技術。經過演示實驗驗證北斗系統總體方案的原理可行后，他們開始了設計之路。

　　當時才30歲出頭的郭樹人，已經是北斗系統總體方案設計的核心成員。

　　“坦誠講，一開始壓力很大。”郭樹人回憶。由于我國第一次搞北斗項目，設計沒有任何經驗可以借鑒，他每天都要和航天界的權威院士們一起開會，解答院士們的每一個疑問。

　　“我還記得第一次上臺，面對那么多德高望重的院士們，回答他們的問題時，我很緊張，他們都是航天界的泰斗。”郭樹人說。

　　答辯結束后，同事開玩笑說，他在臺上的聲音有點哆嗦。

　　郭樹人告訴記者，經過多次完善和修補，北斗的衛(wèi)星網絡結構仍然堅持了原有的思路，現在回過頭來看，這個思路是正確的，符合國家戰(zhàn)略和建設實際。

　　現在，郭樹人一周要參加北斗系統大大小小的會議5、6個，一年365天200多天都在開北斗系統的會。他曾經計算過，從1993年加入團隊到2009年，他開過的會議已經超過1000個。

　　“雖然現在北斗的進展很順利，但是艱巨的都在后頭，還有很多事情要做，絲毫不敢怠慢啊。”他笑著說。(邢世偉)