◎ 科技日报记者 张盖伦
7月7日，前段时间刷屏的“北斗三号”，出现在了高考语文试卷北京卷的作文题中。
“（北斗卫星导航）整个系统由55颗卫星构成，每一颗都有自己的功用，它们共同织成一张‘天网’，可服务全球。”题目要求考生从“每一颗都有自己的功用”切入，选取角度写议论文。
图源：视觉中国
角度并不刁钻，但使用的材料确实还冒着热气。 6月23日，第55颗北斗导航卫星成功发射，它是北斗三号全球卫星导航系统第三颗地球同步轨道（GEO）卫星。 随着该星进入预定工作轨道，北斗三号全球卫星导航系统星座部署也全面完成。
接收到四颗卫星的信号即可实现定位导航
自1994年北斗一号系统工程立项至今，我国用26年的时间实现了59颗北斗卫星（包括55颗北斗导航卫星和4颗北斗导航试验卫星）的发射。
中国工程院院士、中国卫星导航定位专家许其凤曾介绍，卫星导航的过程可以简要描述为：测量用户到卫星的距离，再利用卫星的位置解算用户的位置。为取得较高精度的导航解，就需要测量距离精确、卫星位置准确以及卫星空间分布良好(较好的空间几何分布，可以减少位置解算中的精度衰减)。
中国航天科工集团二院研究员杨宇光告诉科技日报记者，从北斗二号工程开始，我国采取了和GPS、俄罗斯格罗纳斯以及欧洲伽利略系统相似的导航定位原理，即卫星本身不接收地面用户信号，而是不断向地面用户播发自己的导航星历。卫星只有“嘴巴”，主要“念叨”的 ，就是自己的速度、位置和时间等信息。
“理论上说，地面的用户接收机只需要接收到四颗卫星的信号，就能将自己所处的位置和时间解算出来。” 杨宇光表示，这样的系统可以为地面上无穷多用户来提供服务，当然，前提是保证用户头顶上至少能有四颗导航卫星。
在导航卫星的领域，还有一个词叫“几何精度因子”。这四颗卫星拉开的距离越广，几何精度因子越小，定位精度就越高。 所以，一般来说，同一时间同一区域内用户可见的卫星数量多，几何精度因子小的概率就更高，定位精度也会更高。
杨宇光说，绝大多数时候，用户可接收到信号的导航卫星，都不止四颗。“如果安装了GPS测试类软件你就会发现，一般情况下，你头顶会有8-12颗导航卫星。”
三种轨道卫星助力全球定位
少数卫星故障不影响整体系统
美国的GPS、俄罗斯的格洛纳斯和欧盟的伽利略系统，均采用均匀分布在3或6个轨道面的中圆轨道卫星(MEO，轨道高度约20000km)组成卫星星座。
和它们不同的是，北斗系统由三种不同轨道构成：中圆轨道、地球同步轨道（GEO）和倾斜地球同步轨道（IGSO）。 IGSO高度与GEO相同，但其轨道面与赤道面的倾角为55度。在地面上观察，GEO卫星是静止不动的，IGSO卫星则由南向北运动，其一天的运动轨迹如同一个大8字。
许其凤曾介绍，在国内布设监测站，MEO卫星的可观测弧段约为 1/3，而 GEO和 IGSO卫星可达 80%-100%。
设计导航系统星座时，在选定卫星轨道后，还要进行卫星分布设计，最好能以最少的卫星满足覆盖区域内任意时间、地点的导航精度。他在一篇论文中指出，仿真结果表明，良好分布的5颗GEO和5颗IGSO，共10颗卫星组成的卫星星座就可以满足建设覆盖亚太地区较高精度导航的要求。
以北斗三号的30颗组网卫星为例，有24颗在中圆轨道，3颗在地球同步轨道，还有3颗在倾斜地球同步轨道。
杨宇光介绍，MEO卫星是全球组网主力，它们绕着地球“满场跑”，可以给全球用户提供导航服务。同时，北斗卫星系统对亚太地区用户还有一个精度增强。GEO卫星和IGSO卫星的发射，可有效增加亚太地区卫星可见数量，为亚太用户提供更优质服务。
“实际上，我们的卫星导航系统设计是有很大冗余度的。” 杨宇光强调，若北斗卫星系统中有一两颗卫星出现故障，不会影响整体工作。而且，北斗卫星系统内本身也含有多颗备份星。 备份星可有效提高系统的可靠性和健壮性，加强北斗导航系统连续稳定提供服务的能力。
杨宇光表示，在完成组网后，北斗系统可在进一步提升全球导航定位授时性能和区域短报文通信服务能力的基础上，实现全球短报文通信、国际搜救，以及覆盖中国和周边地区的星基增强和精密单点定位服务。
确实，55颗卫星都很重要。在不同轨道上各司其职的它们，织就我国自己的导航网络。只是在卫星系统设计中，留出冗余度也是必须。 在作文题中出现的“北斗卫星”，不仅是科技热点，也是让考生联系现实生活、展开联想和想象的素材。 一位专家表示，题目体现了时代特色，但也并不要求考生都成为“北斗卫星”专家，有感而发即可。
（ 本报记者付毅飞对此文亦有贡献 ）
来源：科技日报
编辑：刘义阳
审核：朱丽
终审：冷文生
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