排星布阵——北斗卫星是如何导航的

  北斗导航卫星高悬在数万千米的太空中，它是怎么测出我们在地面上的精确位置的呢？要弄清这样的一个问题，我们第一步要弄清什么是“三球交会定位原理”。

  为了更好地理解这个原理，我们先把问题简化一下：假设小明站在一片被浓雾笼罩的大草原上，他不清楚自己的位置。不过，在他附近有几个知道各自具置的同学。小明看不见其他同学，但是能听到他们的声音。那么，小明怎么样才可以通过同学的位置来确定自己的位置呢？

  首先，小明大喊一声：“你们在哪儿？”离小明最近的同学小军听到后，回答了自己的坐标。小明看了一眼秒表，从他发问到听到回答，一共用时2秒。声音一来一回是2秒，那么单程就只需要1秒。声音的速度是每秒340米，因此小明可以算出他到小军的距离是340米。但是，此时小明依然无法确定自己的位置，因为以小军为圆心，画一个半径为340米的圆，小明在这个圆上的任何位置，都满足“距离小军340米”这个条件。

  接下来，小明又喊了一次，这次他听到了另一个同学小亮的回答，用时3秒，那么小明与小亮之间的距离是510米。以小亮为圆心，画一个半径为510米的圆，这个圆与以小军为中心的圆相交，有两个交会点。小明在其中任何一个点上，都能满足“距离小军340米”和“距离小亮510米”这两个条件。这样一来，虽然小明依然无法确定自己的位置，但是范围却被缩小到了两个点。

  最后，小明听到了第三个同学小红的回答，并算出他到小红的距离是680米。由于小红的位置是固定的，那么在上一步得到的两个点中，距离小红680米的点只有一个。这样一来，小明就知道了自己的具置。

  卫星定位的原理跟我们举的这个例子是一样的，只不过卫星的距离更远，而且用户到卫星之间的距离是通过电波来测量的。具体的操作的过程是：卫星发射测距信号和导航电文，导航电文中含有卫星的位置信息。用户的接收机在某一时刻同时接收3颗以上的卫星信号，测量出测站点（接收机）到3颗卫星的距离，再利用距离交会法就可以解算出测站点的位置。这样的一个过程就是卫星导航领域中的“三球交会定位”。

  我们所举的例子，是在大草原这样一个平面上进行的，而实际上卫星定位是在三维空间中进行的。若用户只接收到某一颗卫星的信号，那么他也许会出现的位置不是一个以卫星为圆心的圆圈，而是一个“以卫星为球心，以用户到卫星的距离为半径的球面”。

  目前，国际上四大卫星导航系统（GPS、GLONASS、Galileo和北斗卫星导航系统）都是采用“三球交会”来实现定位的。

  当用户同时接收到3颗卫星的信号时，3个以卫星为球心的球相交，就可以测出用户的具置了。

  与平面上的三个圆相交不同，三个球在空间相交会有两个交会点，那要不要再借助第四颗卫星来排除一个无效的点呢？这就用不着了，因为卫星测出的是用户的三维坐标，那两个点并不在同一高度上，所以很容易区分哪一个是用户的实际位置。比如，测出的两个点一个在地面上，一个在太空中。很显然，一般的用户不可能跑到太空中去。

  北斗三号全球卫星导航系统由空间段、地面段和用户段三部分所组成。其中，空间段由3颗地球静止轨道（GEO）卫星、3颗倾斜地球同步轨道（IGSO）卫星和24颗中圆地球轨道（MEO）卫星组成，它们共同构成了北斗三号星座。

  地球静止轨道卫星位于距地球约3.6万千米、与地球赤道平行且倾角为0°的轨道上。它定点于赤道上空，从理论上来说，它的星下点轨迹（即卫星运行轨迹在地球上的投影）是一个点。因为它的运行周期与地球自转周期相同，所以从地面上看，它在太空中是静止不动的。地球静止轨道卫星的特点是站得高，覆盖广，一般来说，三颗卫星就可实现对全球除南北极之外绝大多数区域的信号覆盖。

  倾斜地球同步轨道卫星的轨道高度和运行周期，都与地球静止轨道卫星相同，但是它的轨道面与地球的赤道面之间有一定的夹角。因此，从地面上看，它在运行过程中会在南北方向上来回摆动，星下点轨迹呈“8”字形。倾斜地球同步轨道卫星的信号抗遮挡能力强，尤其在低纬度地区，这个特点更为明显。

  地球中圆轨道卫星运行在约2万千米高度的轨道上，是北斗全球组网的主要成员。它时刻不停地绕着地球转圈，星下点在地球上不停地画着波浪线。地球中圆轨道卫星具有全球运行、全球覆盖的特点，是全球卫星导航系统中实现全球服务的最优选择。

  北斗用三种不同轨道的卫星构成混合星座为中国首创，通过巧妙地排星布阵，北斗导航系统集成了不同轨道的优势。如今，这些卫星既各司其职，又优势互补，共同为全球用户更好的提供了高质量的定位导航和授时服务。