北斗衛星九十小時觀測紀實

王寶伊

摘 要 文章采用實證研究法和文獻研究法，對北斗衛星進行90小時連續觀測，篩選合格衛星觀測點，手繪單星星下點軌跡圖，總結北斗衛星的特點。研究發現對于亞太地區來說北斗衛星分布嚴密合理，能夠提供比GPS更好的信息服務，最后給出發展建議。

關鍵詞 北斗衛星；衛星導航；觀察

中圖分類號 P228 文獻標識碼 A 文章編號 1674-6708（2019）232-0150-03

北斗衛星導航系統是我國自主研發的世界級的導航系統，是我國科技水平的重要體現。北斗衛星系統日新月異地發展有目共睹，我國的航天科學家們整體科學布局、合理擴大觀測范圍，正從覆蓋亞太地區向覆蓋全球服務全球階段邁進。我們期望著中國人和亞洲人越來越多地應用北斗系統，給生活增加便利和安全，期望北斗衛星覆蓋的范圍越來越廣。

1 觀測準備階段

1.1 篩選觀測點

人造衛星是由人類建造，以太空飛行載具如火箭、航天飛機等發射到太空中環繞地球在空間軌道上運行的無人航天器[ 1 ]。中國北斗衛星導航系統（BDS）是中國自主研制的全球衛星導航系統[ 2 ]。是繼美國全球定位系統（GPS）、俄羅斯格洛納斯衛星導航系統（GLONASS）、歐洲伽利略衛星導航系統（Galileo）之后第四個成熟的衛星導航系統。該系統可提供區域導航、定位和授時能力，并具短報文通信能力。

進行衛星觀測首先要選擇一個良好的可長時間連續進行觀測的地點。專業觀測者選擇合適的觀測地點需要滿足許多的條件，比如：晴天率高、視寧度高、光污染少、大氣質量高、海拔高、氣溫適宜等。本文觀測點為東經123.17°，北緯41.25°，海拔45.50m，由于霧霾天氣較多，樓房林立，對衛星信號有遮擋，觀測條件不夠好。在前期實驗中，對比分析獲得的數據后，摸索出了在城市樓群中篩選觀測點的選擇規律：有計算方法和直觀測量法兩種。

第一種，計算分析法。測量擬觀測點高度、樓間距、鄰樓高度，來計算出擬觀測點的觀測角和遮蔽角，選擇觀測角>45度或者觀測角>遮蔽角的地點作為觀測點，如圖1所示。

第二種，直觀測量法。自行研制簡單易用的“觀測角量角器”，它是用鋼板尺、量角器和紅線手工制作的。使用時，一只手將鋼板尺的長端緊貼在樓房外墻，讓鋼板尺的另一端保持水平，閉上一只眼睛，另一只手伸直紅線，眼睛瞄準，紅線將“觀測角量角器”中心點與鄰樓房脊最高點連成一線。如圖2所示，紅線與90度線所夾角為本觀測點的觀測角，紅線與0度線所夾角為本觀測點的遮蔽角。

1.2 自制加長桿，擴大觀測范圍

本文的觀測數據還顯不足：遮蔽角大，觀測到的衛星數量少，不利于后期數據匯總分析。為了擴大觀測范圍，筆者設計制作了加長桿。將北斗多模接收機伸出窗外約2m，觀測結果增加2顆以上衛星。

2 數據的收集、整理和分析階段

2.1 收集

2.1.1 前期失敗的兩次實驗觀測

在12月的周末，完成兩次北斗衛星連續觀測實驗。第一次實驗完成后，發現10小時的觀測數據量小，達不到實驗目的。重新設計實驗記錄單、星下點軌跡圖和實驗計劃后，做實每一個實驗步驟，留下真實準確的北斗衛星觀測記錄表，給后期的分析總結打下堅實的基礎。

第二次實驗進行到25小時，遇到霧霾被迫中斷了。最后選定正月初四到初六進行第三次北斗觀測實驗。

2.1.2 修改并最終確定觀測實驗的目標

1）記錄連續50～70個時點的北斗衛星星下點位置、信號強度等。

2）繪制北斗衛星單星軌跡圖，北斗衛星的運行規律表。

3）最終推測出北斗衛星的整體布局。

2.1.3 第三次觀測實驗

第三次實驗從2017年2月1日8：00到2017年2月5日1：00時，連續進行了90個小時，達到了預期的目標，實驗成功。

2.1.4 北斗衛星觀測記錄

圖4是《北斗衛星觀測記錄之一》，上面記錄著觀測時間、衛星的相對位置、信號強度和信號是否被利用（對號即信號優良，空格即信號弱，橫線即未收到信號）。2017年2月1日9時觀測接收到10顆北斗衛星信號，其中5號衛星調皮地位移。將2017年2月1日8時、9時和10時3個記錄對比，可以發現北斗5號衛星在一個小時內，相對位置從 S72°W68°，跑回S80°W74°，精準地復位了。

2.2 整理

根據90小時的北斗衛星觀測記錄，逐個描繪出每顆衛星運行軌跡圖。

圖5中描繪的北斗1號到5號是地球靜止軌道衛星（GEO），它們能為區域用戶提供24小時連續的信息服務，還可以提供衛星無線電導航、位置報告、短報文等功能。

如圖6所示，第6、7、8、9、10、13號北斗衛星是傾斜地球同步軌道衛星（IGSO），傾斜地球同步軌道衛星的周期與地球同步，他的軌道傾角約55°，與地面有相對移動星下點軌跡類似“8”。

如圖7所示，11、12、14號衛星屬于中圓地球軌道衛星（MEO），劃過南北緯55度之間的大片區域，中地球軌道的衛星運轉周期在2至12小時之間，相對速度大，信息獲取能力強，定位精度高。

2.3 分析

2.3.1 北斗衛星的運行規律

北斗衛星的運行規律如表1所示。

2.3.2 北斗衛星分布規律

結合觀測實驗數據，研究北斗衛星系統的特點如下：

1）北斗6、7、8號衛星出現在亞太地區東部上空，北斗9、10、13號衛星守護在亞洲中西部空中。因為我國領土大部分位于北半球且經度跨度大，將兩組IGSO與5顆GEO衛星配合組隊，保證我國和亞太地區任何時候都能觀測到至少2顆IGSO、5顆GEO衛星，完美實現了三維定位，可以提供更好的定位、導航、授時服務。

2）信息傳遞能力強，比GPS提供的信息更豐富。IGSO衛星軌道到達南北緯55°，對我國高緯度地區進行有效的信號增強[ 3 ]。在觀測中我們發現：傾斜地球同步軌道衛星比靜止軌道衛星信號傳遞能力優越。北斗系統將6顆IGSO和5顆GEO動靜結合，對高中低緯進行精度增強。

3 分析實驗報告，給出北斗衛星發展建議

3.1 分析

我國MEO衛星位于21 500千米空中，美國GPS（20 200千米），俄羅斯格洛納斯[ 4 ]（19 100千米）以及歐洲伽利略（23 222千米）。在此高度各國的人造衛星很多。《北斗衛星導航系統》提到，北斗系統計劃在3個軌道傾角為55°的軌道面上布排27顆MEO衛星，即我國需要再建造發射24顆MEO衛星。

3.2 發展建議： 科技創新升級、戰略創新儲備

在國際衛星導航領域里，科技創新和戰略創新很快，客觀環境要求我們加強技術創新升級和戰略創新儲備，不斷地提升北斗衛星的單星防御，所以結合現狀，給出以下幾條建議：

1）衛星外部包裹輕薄嚴密的防激光護甲。護甲的材料以新型陶瓷材料為主，這種無機非金屬材料，在空氣中可以耐受1 980℃的高溫，具有在高溫下強度高、硬度大、抗氧化、耐腐蝕、耐磨損、耐燒蝕等優點[ 5 ]。

2）衛星前方設智能靈盾，雷達探路、遇障礙變軌，選取最佳路徑，雷達還可以發現外來撞擊物，通知主星變軌避開[ 6 ]；如果攻擊避不開，將盾牌移到相應位置，減少主星傷害。

3）衛星采用防激光裝備。設置熱感應二氧化硫氣囊，非線性光電傳感器和抗激光材料，以及防激光的新型聚合物基復合材料、碳-碳復合材料、陶瓷基復合材料、抗激光涂層等[7]。

總之，最終目的就是提高北斗衛星的自保能力、應變能力和抗打擊能力。

4 結論

北斗衛星系統日新月異地發展，正從覆蓋亞太地區向覆蓋全球服務全球階段邁進。我們期望著中國和世界越來越多地應用北斗系統，給生活增加便利和安全。

參考文獻

[1]焦維新.北斗衛星導航系統[M].北京：知識產權出版社，2017.

[2]曹沖.衛星導航常用知識問答[M].北京：電子工業出版社，2010.

[3]呂偉，朱建軍.北斗衛星導航系統發展綜述[J].地礦測繪，2007，23（3）：29-32.

[4]王峰，張海明.復興中的俄羅斯“格洛納斯”全球導航系統[J].現代軍事，2008（4）：42-45.

[5]馬利雙，蘇保成.淺析軍用衛星防護技術手段[J].科技風，2009（19）：213.

[6]薛進，張九淵.新型陶瓷材料的開發及應用[J].機電工程，2004，21（12）：56-60.

[7]劉必鎏，時家明，嚴學澄，等.激光對衛星的威脅及其防護[J].紅外與激光工程，2009， 38（3）：470-475.