大國重器 | 以北斗衛星可視化，致敬偉大祖國

　　一、高燃時刻回顧，北斗星耀全球

　　2020年6月23日9時43分，西昌衛星發射中心，我國北斗三號全球衛星導航系統最后一顆組網衛星發射升空，至此，我國北斗衛星導航系統的35顆工作衛星全部發射入網。

　　從1994年到2020年，歷經26載，北斗衛星導航系統星座部署完美收官!我國成為繼美俄后第三個擁有自主衛星導航系統的國家。

　　(北斗單體衛星在空態勢)

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

(全球四大衛星導航系統組網態勢)

　　那么北斗導航系統的工作原理是什么呢?它與其他全球導航相比有什么不同呢?為此，數字冰雹制作了全球衛星導航系統可視化演示程序，將全球四大衛星導航系統的發射數據、空間在軌態勢、以及北斗系統的工作原理進行了可視化分析和直觀展示，希望通過本文，讓大家對北斗導航系統有更深入的了解。

　　(全球衛星導航系統可視化)

　　我們整理四大導航系統的衛星雙行根數，基于數字冰雹的可視化產品平臺，復現了各個系統的空間運行態勢。界面正中央是各全球衛星導航系統的組網態勢，界面左側是各系統的衛星發射時間線，右側是各系統的簡要介紹，下方圖表分別展示的是各大導航系統的工作衛星數量、發射時間線、逐年累計發射數量。

　　通過可視化手段，縱向觀察，可對某一導航系統的建設進展進行分析，橫向對比，可對不同導航系統工作衛星數據差異、軌道態勢差異等情況進行直觀對比分析。有助于幫助我們對各全球衛星導航系統的發展歷程、星座特點等有更清晰的了解。

　　二、北斗與其他全球導航系統對比

　　(一)星座對比：北斗獨創“三種軌道”混合星座

　　衛星導航系統空間星座的要素主要包括星座類型、衛星類型、衛星數量、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，衛星均為中圓地球軌道(MEO)衛星。

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

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

（北斗系統星座態勢）

　　1.北斗地球靜止軌道( GEO) 衛星隨地球自轉而動

　　如圖，GEO衛星始終隨地球自轉而動，軌道高度35786km，軌道傾角為0度，單星覆蓋區域較大，3顆衛星可覆蓋亞太大部分地區。除基本定位導航授時服務外，GEO衛星還承載了區域短報文通信、精密單點定位、星基增強等服務功能。

　　(地球靜止軌道(GEO)衛星態勢)

　　2.中圓地球軌道(MEO)衛星全球“奔跑”

　　北斗MEO衛星軌道高度約21500km，軌道傾角為55度，繞地球旋轉運行，通過多顆衛星組網可實現全球覆蓋，北斗MEO星座回歸特性為7天13圈，實現了全球覆蓋和全球服務，承載了全球短報文通信、國際搜救等服務功能。

　　(中圓地球軌道(MEO)衛星態勢)

　　3.北斗傾斜地球同步軌道(IGSO)衛星呈“8”字分布

　　IGSO衛星軌道高度與GEO衛星相同，運行周期也與地球自轉周期相同，軌道傾角為55度，星下點軌跡為“8”字。IGSO衛星信號抗遮擋能力強，尤其在低緯度地區，其性能優勢明顯。IGSO總是覆蓋地球上某一個區域，可與GEO衛星搭配，形成良好的幾何構型，一定程度上克服GEO衛星在高緯度地區仰角過低帶來的影響。

　　(傾斜地球同步軌道(IGSO)態勢)

　　北斗獨創的混合星座設計，既能實現全球覆蓋、全球服務，又可為亞太大部分地區用戶提供更高性能的定位導航授時服務。

　　（二）從“埋頭追趕”到“引領超越”

　　(四大導航衛星發射時間線)

　　此圖是四大衛星導航系統逐年發射的衛星數量，黃色柱圖代表中國北斗系統，藍色柱圖代表美國GPS系統，紫色柱圖代表俄羅斯GLONASS系統，綠色柱圖代表歐洲GAlILEO系統。

　　從建設速度來看，世界四大系統中，美國GPS系統建設最快紀錄為一年6星，蘇聯/俄羅斯格洛納斯(GLONASS)系統為一年9星，歐洲伽利略(Galileo)系統為一年6星。中國北斗作為后起之秀，創下了全球衛星導航系統組網最快紀錄——1年(2018年)10箭18星！ 2020年北斗星座全面建成，可以說，北斗的建設速度是空前的。

　　（三）數量對比：組網工作衛星數量最多

　　在全球四大衛星導航系統中，中國北斗系統擁有35顆共工作衛星，而美國 GPS、俄羅斯 GLONASS、歐洲 GALILEO是24顆工作衛星，如下圖所示。

　　(各系統工作衛星數量)

　　為什么北斗系統的工作衛星數量要多于其他導航系統?主要有三方面原因：

　　1、北斗衛星的軌道位置更高

　　根據國際規則，空間軌道資源采用先占先得，美俄等西方發達國家已經占據大部分“地理位置”最優的近地衛星軌道，因此，我國的部分衛星只能運行在更高的軌道上。根據圓周公式就可以知道，軌道越高，周長越長，所需要的衛星數量自然也就越多。

　　2、北斗星座軌道種類更多

　　其他全球導航系統衛星分布在單一軌道上，即中圓地球軌道(MEO)衛星，而中國北斗全球導航系統則分布在三種不同的軌道類型上，軌道類型更多，衛星數量自然越多。

　　3、北斗需要同步衛星軌道實現短報互文功能

　　北斗有一個其他導航系統沒有的功能，那就是“短報互文”，實現短報文功能的衛星是“同步軌道衛星”。

　　以上三個原因便決定了北斗導航系統的數量要多于其他導航系統。

　　(四大導航衛星逐年累計發射數量)

　　此折線圖展示的是全球四大衛星導航系統累計發射的衛星數量，黃色折線代表中國北斗系統，藍色折線代表美國GPS系統，紫色折線代表俄羅斯GLONASS系統，綠色折線代表歐洲GAlILEO系統。

　　在這里不得不說的是俄羅斯GLONASS系統，從圖中可以看到，GLONASS從1982年到2020年，共發射136顆衛星，發射數量是四大導航系統之最，究其原因，是因為早期該導航系統衛星普遍壽命短，一度導致系統無法正常工作，遂以“補星計劃”增加發射數量填補壽命短的缺陷。

　　三、星間鏈路，中國智慧

　　受各方因素限制，北斗系統不像GPS一樣全球布站以支持系統日常運行和控制。北斗系統的另一大獨特本領就是不需要全球布站，也能實現全球覆蓋和服務。因為在北斗三號系統中采用了一套其他導航衛星所不具備的技術——星間鏈路。

　　星間鏈路是指用于衛星之間通信的鏈路，通過星間鏈路可以實現衛星之間的信息傳輸和交換。北斗星間鏈路通過高-中軌、中-中軌衛星鏈路和星-地(地面錨固站設備)鏈路，實現“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，通過空間段衛星之間進行信息傳輸并將信息數據傳到地面段若干個監測站，再通過監測站進行信息處理、輸出，最終傳達到各類導航終端。空間段、地面段和用戶段三部分的協同工作，可在全球范圍內全天候、全天時為各類用戶提供高精度、高可靠定位、導航、授時服務。

　　四、技術深耕，逐夢航天

　　秉持著對航天軍工事業的熱愛，數字冰雹十余年來深耕航天軍工可視化技術領域，先后參與了多個國家航天科研項目——暗物質衛星“悟空” 數據監測可視化、量子實驗衛星“墨子”數據監測可視化、長征五號發射任務可視化...基于數字冰雹成熟完善的可視化產品平臺，不僅實現了項目的高效建設，還實現了高度的靈活性，根據用戶的業務需求變化便捷高效地進行修改調整，修改操作所見即所得，為用戶的業務應用提供了充分支撐，實現了項目的高效、高品質交付，獲得了客戶的一致好評。