北斗卫星
日前，我国成功地将第三颗“北斗”一号导航定位卫星送上太空，它的准确入轨标志着我国已成功建立了自主的卫星导航系统——第一代北斗卫星导航定位系统。不少媒体在报道这一振奋人心的消息时称一代“北斗”是“中国的ＧＰＳ”，甚至有媒体称其优于美、俄卫星导航定位系统。在公众为此欢欣鼓舞之时，“北斗”一号总设计师、国家高轨道通讯卫星首席专家、中国空间技术研究院研究员范本尧等专家却指出：一代“北斗”是区域性有源导航定位系统，与ＧＰＳ等全球定位系统有较大区别；一代“北斗”不优于ＧＰＳ，但也有后者没有的长处。
  双星定位不同于“多星”定位
  “一代‘北斗’只用双星定位，比ＧＰＳ等投资小、建成快，”范本尧说这是我国国情决定的，也对一代“北斗”的技术路线提出了特殊的要求，“所以我们的定位系统具有自己的特点。”
  美国的ＧＰＳ和俄罗斯的ＧＬＯＮＡＳＳ，都是使用２４颗卫星（ＧＰＳ还另有３颗备份卫星，ＧＬＯＮＡＳＳ则因经费问题损失了几颗卫星）组成网络。这些卫星不中断地向地面站发回精确的时间和它们的位置。ＧＰＳ接收器利用ＧＰＳ卫星发送的信号确定卫星在太空中的位置，并根据无线电波传送的时间来计算它们间的距离。等计算出至少３～４颗卫星的相对位置后，ＧＰＳ接收器就可以用三角学来算出自己的位置。每个ＧＰＳ卫星都有４个高精度的原子钟，同时还有一个实时更新的数据库，记载着其他卫星的现在位置和运行轨迹。当ＧＰＳ接收
器确定了一个卫星的位置时，它可以下载其他所有卫星的位置信息，这有助于它更快地得到所需的其他卫星的信息。
  “１９８３年，‘两弹一星’功勋奖章获得者陈芳允院士和合作者提出利用两颗同步定点卫星进行定位导航的设想，经过分析和初步实地试验，证明效果良好，”中国计量科学研究院的黄秉英研究员说，这一系统被称为“双星定位系统”。
  一代“北斗”采用的基本技术路线最初来自于陈芳允先生的“双星定位”设想，正式立项是在１９９４年。北斗卫星导航系统由空间卫星、地面控制中心站和用户终端等３部分构成。空间部分即“北斗”一号由两颗工作卫星和一颗备份卫星组成，近日发射的是备份卫星，两颗定位卫星分别发射于２０００年１０月３１日和１２月２１日。
  用户利用一代“北斗”定位的办法是这样的，首先是用户向地面中心站发出请求，地面中心站再发出信号，分别经两颗卫星反射传至用户，地面中心站通过计算两种途径所需时间即可完成定位。一代“北斗”与ＧＰＳ系统不同，对所有用户位置的计算不是在卫星上进行，而是在地面中心站完成的。因此，地面中心站可以保留全部北斗用户的位置及时间信息，并负责整个系统的监控管理。
  有源无源是关键不同点
  “一代‘北斗’采用的是有源定位，ＧＰＳ和ＧＬＯＮＡＳＳ等都是无源定位，”范本尧说，“这是它们质上的不同点。”
  所谓有源定位就用户需要通过地面中心站联系导航定位卫星，而无源定位是用户直接与卫星联络确定自己的位置。我国采用有源定位是因为单靠双星定位只能确定用户所在的两维位置，不能同时得到用户所在地的海拔高度。而地面中心站在获得卫星返回的用户两维位置后，可以根据计算机里的数据对应确定用户所在地的海拔高度。ＧＰＳ和ＧＬＯＮＡＳＳ的主要功能都是定位和授时，应该说，从用户获得这两项服务的便利和精确程度来看，一代“北斗”还处劣势。但一代“北斗”也比这两种全球定位系统多了一项功能——通讯。这样的好处是用户不必另携带一套通信设备。范本尧说，登山者不仅仅需要了解自己所处的时间和位置，与大本营联系也很重要，通过“北斗”一号及地面中心站的传输，通讯就不必通过其他的通讯卫星了，一星多用符合我国国情。ＧＰＳ和ＧＬＯＮＡＳＳ没有设计通讯功能，主要原因就在于不需要地面站中转服务的无源定位不能提供通讯服务。
  区域性基于技术水平
  一代“北斗”是区域卫星导航系统，只能全天候、全天时用于中国及其周边地区；而ＧＰＳ和ＧＬＯＮＡＳＳ都是全球导航定位系统，在全球的任何一点，只要卫星信号未被遮蔽或干扰，北斗手机号定位
都能接收到三维坐标。“区域性是我国双星定位的技术特点、水平以及国家需求决定的，”范本尧说。
  ＧＰＳ和ＧＬＯＮＡＳＳ的空间部分是高度在２万千米左右的卫星组成的网络。ＧＰＳ的卫星平均分布在６个轨道平面上，ＧＬＯＮＡＳＳ卫星平均分布在３个轨道平面上，不停地绕地球旋转。这样，在全球的任何位置、任何时间都可同时观测到４颗以上的卫星，通过它们就可以获得高精度的三维定位数据。
  “北斗”一号是双星定位，轨道偏高，距离地面３万６千千米，是地球同步静止轨道卫星。之所以要在这么高的高度是因为我们只有两颗定位卫星，不能覆盖整个地球，如果在较低轨道上绕地运行，每天就要有一定时间不能监控我国所在区域。
  二代“北斗”可称“中国的ＧＰＳ”
  “我国发展二代‘北斗’不会采取一步到位的方式，也不会停掉一代，另外发展二代，”范本尧说，“我们会在一代的基础上不断补充卫星数，增加其功能，提高其整体水平。”这位将继续承担二代“北斗”设计工作的科学家说：“二代‘北斗’可以称为‘中国的ＧＰＳ’，不过它仍然会比ＧＰＳ多一个通讯的功能。”
  目前，ＧＰＳ已发展到第三代，我国将从一代“北斗”的基础直接跨到ＧＰＳ第二代的水平，
这也是二代“北斗”的目标。
  发展二代“北斗”的工作比一代要复杂得多，卫星技术、地面站的完善、用户终端的开发、关于原子钟的各项基础研究和应用研究……这是一项长期的系统工程。
  “北斗”一号第三颗卫星的准确入轨和成功定点，为发展我国二代“北斗”的关键技术提供了准备。范本尧举例说，此次定位的“北斗”一号备份卫星上新装载了用于卫星定位的激光反射器，能够参照其他星，把自身位置精确定格在几个厘米的尺度以内。这颗卫星已定位成功，表明这种技术是有效而可靠的。这样，当我们不断发射新的卫星构建二代“北斗”体系时，众多卫星就会准自己的位置，构成符合标准的网络。此外，“北斗”一号的３颗星寿命都是８年，专家正不断研究，预计下一次发射的卫星寿命就能达到１０年左右了；而目前ＧＰＳ卫星的寿命都是１２年左右，ＧＬＯＮＡＳＳ卫星的寿命则是３到５年。
  “２０世纪原子钟最辉煌的应用莫过于由它构成了全球定位系统的核心，”黄秉英说，导航星和地面站全离不开它。目前的原子钟主要有３种：铷钟、铯钟和氢钟。结构紧凑、可靠性高、寿命长的原子钟正是发展全球定位系统必需的。在结构方面，铷钟最小体积已达到６立方厘米；在频率稳定度方面，氢钟最好；而在长期频率稳定度和准确度方面，则以铯钟最佳。目前，设在中国计量科学研究院的国家授时中心使用的就是被称为“激光冷却－铯原子喷
泉频率基准”的铯钟，我国的授时基准——ＵＴＣ（ＮＩＭ）都是由它提供并不断同国际基准校正的，而“北斗”一号的时间基准也是由此而来。该院负责深入开展相关基础研究的李天初研究员说，目前他们正在开展基准钟的研究，以进一步提高其准确度，为将来的导航系统提供基础服务。“‘北斗’一号的星载钟还不是我们自己制造的，”范本尧说，“但中国科学院、北京大学以及中国空间技术研究院等单位正在开展相关应用技术的攻关。”
  “北斗”的用户终端——导航定位接收机也在进一步发展完善。“个人用的接收机大小同于‘大哥大’，车载接收机也不过书本大小，”范本尧说，“但是由于接收机的一些重要部件还需要依靠进口，目前的产量很小，价格也高过ＧＰＳ终端的许多倍。”现在国内的不少单位都在开展相关的研究。
  范本尧说，２０１０年前，集无源和有源定位于一体的我国导航定位系统——二代“北斗”将建成，届时，国民经济各领域都将从中获得更大的效益。

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