大国重器 | 以北斗卫星可视化，致敬伟大祖国

　　一、高燃时刻回顾，北斗星耀全球

　　2020年6月23日9时43分，西昌卫星发射中心，我国北斗三号全球卫星导航系统最后一颗组网卫星发射升空，至此，我国北斗卫星导航系统的35颗工作卫星全部发射入网。

　　从1994年到2020年，历经26载，北斗卫星导航系统星座部署完美收官!我国成为继美俄后第三个拥有自主卫星导航系统的国家。

　　(北斗单体卫星在空态势)

　　目前，全球有4大卫星导航系统，包括中国的北斗卫星导航系统(BDS)、美国的全球定位系统(GPS)、欧盟的伽利略卫星导航系统(GSNS)和俄罗斯的格洛纳斯卫星导航系统(GNSS)。如下图所示。

(全球四大卫星导航系统组网态势)

　　那么北斗导航系统的工作原理是什么呢?它与其他全球导航相比有什么不同呢?为此，数字冰雹制作了全球卫星导航系统可视化演示程序，将全球四大卫星导航系统的发射数据、空间在轨态势、以及北斗系统的工作原理进行了可视化分析和直观展示，希望通过本文，让大家对北斗导航系统有更深入的了解。

　　(全球卫星导航系统可视化)

　　我们整理四大导航系统的卫星双行根数，基于数字冰雹的可视化产品平台，复现了各个系统的空间运行态势。界面正中央是各全球卫星导航系统的组网态势，界面左侧是各系统的卫星发射时间线，右侧是各系统的简要介绍，下方图表分别展示的是各大导航系统的工作卫星数量、发射时间线、逐年累计发射数量。

　　通过可视化手段，纵向观察，可对某一导航系统的建设进展进行分析，横向对比，可对不同导航系统工作卫星数据差异、轨道态势差异等情况进行直观对比分析。有助于帮助我们对各全球卫星导航系统的发展历程、星座特点等有更清晰的了解。

　　二、北斗与其他全球导航系统对比

　　(一)星座对比：北斗独创“三种轨道”混合星座

　　卫星导航系统空间星座的要素主要包括星座类型、卫星类型、卫星数量、轨道高度等。通过可视化演示程序，可以直观的看到，GPS、GLONASS和GALILEO的星座大体相同，只有一种轨道，卫星均为中圆地球轨道(MEO)卫星。

　　从图中可以看到，GPS所有卫星均匀分布在6个轨道面上，GALILEO卫星和GLONASS卫星则分布在3个轨道面上。轨道是所有卫星系统建立的前提和基础，也是卫星系统建成后能否正常工作的必要条件，太空空间资源是有限的，可以说美国占据了更多的空间资源。

　　而中国北斗系统是由三种轨道卫星组成的混合导航星座，比其他几个导航系统轨道类型更多，轨道面也更多。如下图所示，北斗系统涵盖了中圆地球轨道(MEO)卫星、倾斜地球同步轨道(IGSO)卫星和地球静止轨道(GEO)卫星三种轨道类型。

（北斗系统星座态势）

　　1.北斗地球静止轨道( GEO) 卫星随地球自转而动

　　如图，GEO卫星始终随地球自转而动，轨道高度35786km，轨道倾角为0度，单星覆盖区域较大，3颗卫星可覆盖亚太大部分地区。除基本定位导航授时服务外，GEO卫星还承载了区域短报文通信、精密单点定位、星基增强等服务功能。

　　(地球静止轨道(GEO)卫星态势)

　　2.中圆地球轨道(MEO)卫星全球“奔跑”

　　北斗MEO卫星轨道高度约21500km，轨道倾角为55度，绕地球旋转运行，通过多颗卫星组网可实现全球覆盖，北斗MEO星座回归特性为7天13圈，实现了全球覆盖和全球服务，承载了全球短报文通信、国际搜救等服务功能。

　　(中圆地球轨道(MEO)卫星态势)

　　3.北斗倾斜地球同步轨道(IGSO)卫星呈“8”字分布

　　IGSO卫星轨道高度与GEO卫星相同，运行周期也与地球自转周期相同，轨道倾角为55度，星下点轨迹为“8”字。IGSO卫星信号抗遮挡能力强，尤其在低纬度地区，其性能优势明显。IGSO总是覆盖地球上某一个区域，可与GEO卫星搭配，形成良好的几何构型，一定程度上克服GEO卫星在高纬度地区仰角过低带来的影响。

　　(倾斜地球同步轨道(IGSO)态势)

　　北斗独创的混合星座设计，既能实现全球覆盖、全球服务，又可为亚太大部分地区用户提供更高性能的定位导航授时服务。

　　（二）从“埋头追赶”到“引领超越”

　　(四大导航卫星发射时间线)

　　此图是四大卫星导航系统逐年发射的卫星数量，黄色柱图代表中国北斗系统，蓝色柱图代表美国GPS系统，紫色柱图代表俄罗斯GLONASS系统，绿色柱图代表欧洲GAlILEO系统。

　　从建设速度来看，世界四大系统中，美国GPS系统建设最快纪录为一年6星，苏联/俄罗斯格洛纳斯(GLONASS)系统为一年9星，欧洲伽利略(Galileo)系统为一年6星。中国北斗作为后起之秀，创下了全球卫星导航系统组网最快纪录——1年(2018年)10箭18星！ 2020年北斗星座全面建成，可以说，北斗的建设速度是空前的。

　　（三）数量对比：组网工作卫星数量最多

　　在全球四大卫星导航系统中，中国北斗系统拥有35颗共工作卫星，而美国 GPS、俄罗斯 GLONASS、欧洲 GALILEO是24颗工作卫星，如下图所示。

　　(各系统工作卫星数量)

　　为什么北斗系统的工作卫星数量要多于其他导航系统?主要有三方面原因：

　　1、北斗卫星的轨道位置更高

　　根据国际规则，空间轨道资源采用先占先得，美俄等西方发达国家已经占据大部分“地理位置”最优的近地卫星轨道，因此，我国的部分卫星只能运行在更高的轨道上。根据圆周公式就可以知道，轨道越高，周长越长，所需要的卫星数量自然也就越多。

　　2、北斗星座轨道种类更多

　　其他全球导航系统卫星分布在单一轨道上，即中圆地球轨道(MEO)卫星，而中国北斗全球导航系统则分布在三种不同的轨道类型上，轨道类型更多，卫星数量自然越多。

　　3、北斗需要同步卫星轨道实现短报互文功能

　　北斗有一个其他导航系统没有的功能，那就是“短报互文”，实现短报文功能的卫星是“同步轨道卫星”。

　　以上三个原因便决定了北斗导航系统的数量要多于其他导航系统。

　　(四大导航卫星逐年累计发射数量)

　　此折线图展示的是全球四大卫星导航系统累计发射的卫星数量，黄色折线代表中国北斗系统，蓝色折线代表美国GPS系统，紫色折线代表俄罗斯GLONASS系统，绿色折线代表欧洲GAlILEO系统。

　　在这里不得不说的是俄罗斯GLONASS系统，从图中可以看到，GLONASS从1982年到2020年，共发射136颗卫星，发射数量是四大导航系统之最，究其原因，是因为早期该导航系统卫星普遍寿命短，一度导致系统无法正常工作，遂以“补星计划”增加发射数量填补寿命短的缺陷。

　　三、星间链路，中国智慧

　　受各方因素限制，北斗系统不像GPS一样全球布站以支持系统日常运行和控制。北斗系统的另一大独特本领就是不需要全球布站，也能实现全球覆盖和服务。因为在北斗三号系统中采用了一套其他导航卫星所不具备的技术——星间链路。

　　星间链路是指用于卫星之间通信的链路，通过星间链路可以实现卫星之间的信息传输和交换。北斗星间链路通过高-中轨、中-中轨卫星链路和星-地(地面锚固站设备)链路，实现“一星通，星星通”。

　　(星间链路工作原理可视化)

　　如图中演示，北斗并未在全球范围建立地面站，通过空间段卫星之间进行信息传输并将信息数据传到地面段若干个监测站，再通过监测站进行信息处理、输出，最终传达到各类导航终端。空间段、地面段和用户段三部分的协同工作，可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠定位、导航、授时服务。

　　四、技术深耕，逐梦航天

　　秉持着对航天军工事业的热爱，数字冰雹十余年来深耕航天军工可视化技术领域，先后参与了多个国家航天科研项目——暗物质卫星“悟空” 数据监测可视化、量子实验卫星“墨子”数据监测可视化、长征五号发射任务可视化...基于数字冰雹成熟完善的可视化产品平台，不仅实现了项目的高效建设，还实现了高度的灵活性，根据用户的业务需求变化便捷高效地进行修改调整，修改操作所见即所得，为用户的业务应用提供了充分支撑，实现了项目的高效、高品质交付，获得了客户的一致好评。