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作者：“你了解北斗衛星導航系統嗎？那可是我國航天事業一張靚麗的名片。”

讀者：“北斗衛星導航系統？就是那個GPS嗎？就是那個百度地圖嗎？”

不……不，如果你認為北斗就是GPS、就是百度地圖，那么你迫切需要這本最新上架的《北斗導航》。里面滿滿都是關于北斗衛星導航系統的知識，帶你了解北斗的前世今生、帶你認識北斗的星座和太空“手拉手”、帶你感受北斗的重要功用……

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《北斗導航》一書是中宣部主題出版重點出版物《中國科技之路》叢書中的重要一冊，創作團隊均為北斗衛星導航系統的一線科技工作者。作為一本介紹北斗導航基礎知識的書籍，本書從衛星導航發展歷程、北斗衛星星座、衛星發射場及測控網、自主研發、國際合作、未來展望等多個方面進行了介紹。一定可以解答你心中關于北斗衛星導航系統的問題！序共和國勛章獲得者、兩彈一星功勛獎章獲得者、原北斗衛星導航系統工程總設計師孫家棟院士對本書出版寄予厚望。

序一

北斗衛星導航系統副總設計師楊元喜院士評價本書“以樸實的語言、嚴謹的描述、翔實的內容，生動形象說明了北斗其實離大家并不遠，北斗衛星遠在天邊，北斗應用近在眼前，它早已進入、影響并且有力地改變著我們的生活。”

序二

編輯推薦

大國重器北斗衛星導航系統開通全球服務已近兩年，這究竟是個怎樣的系統？本書通過二維碼形式，融合了音視頻、互動VR、沙畫等多種展現手法，以北斗衛星導航系統卡通形象小北貫穿始終，力求采用輕松活潑的語言將北斗衛星導航系統從多個角度準確呈現，揭開北斗衛星導航系統的神秘面紗，讓更多讀者認識北斗、了解北斗、應用北斗。

章節試讀

二、獨具特色的北斗導航星座

北斗導航星座，是由幾十顆衛星編織而成的“太空星網”，不停地向地球發送導航信號，時刻幫助地球上那些需要定位導航的人們。而這一張“太空星網”，是北斗導航星座設計者們潛心設計的杰作，它讓北斗導航不負眾望，成為了更優秀的北斗，具備了更加優質的導航服務能力。

（一）衛星的跑道與星座

衛星就像賽場上的運動員，要在自己特定的跑道上奔跑。通常把衛星的跑道叫做軌道。一說到軌道，你的腦海里首先浮現的一定是火車鐵軌、有軌電車、甚至是電動玩具車的拼接軌道，這些都是能夠看得見的軌道。衛星軌道與火車、有軌電車不同，衛星軌道是看不見的，也不是事先鋪設的，衛星軌道是假想的圓形或橢圓形，是衛星運動劃過的軌跡，如圖2-1、2-2所示。工程師們在大科學家牛頓的萬有引力定律指導下能夠預先計算出衛星軌道。衛星軌道設計是衛星系統設計中尤為重要的一步。

圖2-1 火車、衛星、電車軌道

圖2-2 衛星虛擬軌道

為了實現衛星導航的功能，需要布放多顆衛星，有些衛星需要布放在同一個軌道上，有些衛星需要布放在不同的軌道上，而這些衛星在太空中組成的系統，稱之為星座。星座可不簡單，星座里的每顆衛星需要互相監測，同時還有地面站對這些衛星的軌道進行監測并指導它們調整，這樣才能讓星座保持隊形整齊劃一，否則星座的隊形亂了，也就沒法保證北斗服務的性能了。

三、“手拉手”的星間鏈路

2017年11月，2顆北斗衛星在離地面兩萬多公里的高空發起對話：“太空本無路，我們之間頻繁測距和交換數據，來來往往也就成了路”。這兩顆衛星就是北斗三號第1、第2顆組網衛星，在拉開北斗全球組網大幕的同時，也在太空鋪設了星間鏈路（Inter-satellite Link，ISL）。

（一）星間鏈路——浩瀚星河的太空橋梁

1 什么是星間鏈路

星間鏈路是指衛星與衛星之間的鏈路，也稱為星際鏈路或交叉鏈路（Crosslink）。通俗來說，就是把衛星拉到1個微信群，可以聊天，共享位置，如圖3-1所示。星間鏈路主要用于數據中繼衛星、通信衛星星座和導航衛星星座，如美國數據中繼衛星系統（Tracking and Data Relay Satellite System， TDRSS）、銥星（Iridium）移動通信星座、第二代銥星（Iridium NEXT）移動通信星座、GPS導航衛星星座、北斗導航衛星星座等。在國際上，星間鏈路對于通信、導航衛星星座均是核心和技術制高點。在北斗導航衛星星座中，星間鏈路是在衛星之間建立的具有精密測量和數傳功能的鏈路，它是北斗系統全球服務、運行管理、自主運行和各類擴展服務應用的關鍵。

圖3-1 星間鏈路漫畫圖

在浩瀚的宇宙中，連接2顆小小衛星的“高速路”，鋪路用的不是水泥、瀝青，而是發射接收設備、天線、網絡協議實現信號的捕獲與跟蹤，利用這條“高速路”可實現衛星之間的距離測量和數據交換，如圖3-2所示。

圖3- 2 星間鏈路“高速路”漫畫圖

自20世紀80年代，美國科學家就開始考慮設計導航衛星星間鏈路。20世紀90年代，美國GPS在BLOCK IIR衛星上就已經安裝了星間鏈路設備，GPS星間鏈路采用了UHF頻段（250-290MHz）、寬波束天線，具備星間雙向測距與數據交換功能。在美國新一代GPS III衛星中，星間鏈路可能會采用更高工作頻段，以大幅提升測距精度和通信速率。

我國北斗一號和北斗二號為區域衛星導航系統，均沒有設計星間鏈路。在北斗三號的建設和發展中，為實現北斗系統從區域向全球的擴展，在地面站資源受限無法全球布站的情況下，發展星間鏈路技術具有非常重要的戰略意義。在北斗導航衛星之間建立星間鏈路，可實現星間數據傳輸和精密測量，大幅提高北斗衛星的測定軌精度，提升導航電文注入頻度，并減少對海外布站的依賴，有效降低系統的運行管理成本。2015年3月30日，第17顆北斗導航衛星發射成功，擁有我國自主知識產權的星間鏈路在北斗新一代試驗衛星上首次亮相。目前，北斗三號所有衛星均配置星間鏈路載荷，并完成了星間鏈路全球組網。

導航衛星星間鏈路通常有3種建鏈方式：（1）參照GPS在MEO衛星之間建立中-中軌星間鏈路，GEO、IGSO和MEO高低衛星之間不建立高-中軌星間鏈路；（2）在GEO、IGSO與MEO衛星之間建立高-中軌星間鏈路，MEO衛星之間不建立中-中軌星間鏈路；（3）在GEO、IGSO和MEO衛星之間均建立高-中軌、中-中軌星間鏈路。北斗三號30顆衛星都配置星間鏈路設備，采用第3種建鏈方式，借助Ka頻段實現中-中軌、高-中軌星間鏈路，同時地面站上配備有星間鏈路設備，可與空間星座實現星-地建鏈，“一星通，星星通”，如圖3-3所示。

圖3- 3 北斗三號衛星建鏈示意圖

導航衛星星座星間鏈路涉及衛星空間段網絡，既有通信數據傳輸又有高精度測量要求，既有關鍵單機設計又有系統網絡設計，難度極高。目前，僅北斗三號全球系統星間鏈路達到了全系統運行狀態、并實現了常態化運行，美國GPS尚未全系統運行、俄羅斯GLONASS只在GLONASS-K衛星上進行了在軌試驗，歐洲Galileo系統、印度NavIC系統、日本QZSS系統尚未實現星間鏈路。

作者簡介

楊元喜，江蘇省泰州市人，工學博士，中國科學院院士，西安測繪研究所研究員。現任北斗全球衛星導航系統副總設計師。長期從事大地測量與衛星導航研究，創造性地提出了相關觀測抗差估計系列理論，建立了全新的自適應動態導航定位理論體系；主持完成了多項大型國家大地測量工程。先后獲得國家科學技術進步獎二等獎2項，省部級科學技術進步獎特等獎1項、一等獎6項。發表論文300余篇，其中SCI收錄６0余篇；出版學術專著2部，合著3部。曾獲求是杰出青年實用工程獎、何梁何利科技進步獎——地球科學獎、航天基金會“錢學森杰出貢獻獎”。2003年當選國際大地測量學會會士，2018年當選美國導航協會會士。

盧鋆，河南省開封市人，工學博士，北京跟蹤與通信技術研究所高級工程師。現任北斗地面試驗驗證系統副總設計師、國家北斗重大專項國際合作專家組副組長、中國衛星導航年會組委會副秘書長。長期從事北斗系統總體設計、試驗驗證和國際合作等工作。中國航天科普大使，中國科協“科普中國·我是科學家”顧問。獲多項省部級科技進步成果獎，申請專利和國家標準10余項，發表論文30余篇。

張弓，中國空間技術研究院高級工程師。現任北斗衛星總體主任設計師。長期從事北斗衛星總體設計及型號研制工作。獲省部級科技進步獎3項，發表論文 10 余篇，授權專利20余項。

高為廣，北京跟蹤與通信技術研究所副研究員。現任北斗全球衛星導航系統總設計師助理、地面試驗驗證系統總設計師、應用推廣與環境保障專家組副組長。獲省部級科技進步獎 10余項，發表論文60余篇。

郭樹人，北京跟蹤與通信技術研究所研究員。現任北斗全球衛星導航系統副總設計師、專家委員會秘書長、地面試驗驗證系統總指揮、體系總體專家組組長。獲國家科技進步特等獎 1項、省部級科技進步獎 10余項，獲北斗二號衛星建設突出貢獻個人稱號。

張爽娜，中國空間技術研究院研究員。現任航天恒星科技有限公司項目經理。長期從事北斗系統應用解決方案設計與推廣等工作。發表論文 20 余篇，授權專利 20余項。

來源：中國衛星導航年會

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