钱江晚报·小时新闻记者郑琳
6月23日,北斗家族最后一颗全球组网卫星成功发射,标志着我国提前半年全面完成北斗全球卫星导航系统星座部署。
对于北斗全球导航定位系统，已经有了很多解读。但为什么北斗三代需要35颗星？导航定位的原理究竟又是怎样的？核心部件之一的星载原子钟到底是起到什么作用？为什么电磁波频率如此珍贵？
今天，我们将为大家好好解读一下，北斗系统中一些很“低调”的知识。
北斗系统是怎么分工的
卫星导航系统是由一定数量的卫星分布在环绕地球的轨道上组成。在地球上任意一个位置，最少需要4颗卫星，才可以对它的空间位置和时间进行准确测定。
为了达到这个目的，需要精确设计卫星的分布，其中包括卫星的运行高度、倾角、轨道等信息，这就叫做“卫星星座”。
北斗三号导航系统里的中圆轨道卫星（MEO）轨道高度约2.1万公里，并采用了3个轨道的设计，每个轨道上有9颗卫星。
除了27颗MEO，北斗三号还有5颗地球同步轨道（GEO）卫星，和3颗倾斜地球同步轨道（IGSO）卫星。
GEO轨道高度在约3.6万公里，围绕地球旋转的周期恰好等于地球自转周期（24小时），并且这个轨道就在赤道的正上方。这样的卫星，在地球上看是静止不动的。此次发射的就是一颗GEO卫星。
IGSO的轨道高度也是3.6万公里，所以它的运转周期也是24小时。但它的轨道和赤道有一个夹角，所以是“倾斜”的。从地球上看，IGSO卫星会呈8字形运动。
理论上，27颗MEO就可实现全球定位，那为什么北斗三号需要额外的GEO和IGSO卫星呢？
因为这些卫星可以保证提供更精确的导航定位服务。
卫星导航的原理，其实是卫星发射一个电磁波信号到用户手里的设备上，这中间需要一段传播时间。通过时间乘以光速，就能测出用户和卫星之间的距离。如果知道卫星的精确位置，通过3颗卫星的测距，就可以求出用户的三维坐标。
这里的前提条件是——“已知卫星的精确位置”。这个位置就需要地面监测站来观测。
然而，数量众多的MEO，就像日月星辰一样在旋转。如果要随时监测到所有的MEO卫星，就需要监测站全球分布。
中国则主要把监测站设在中国境内。但在中国境内的监测站，只能观察到MEO卫星全弧段的40%。而观察不到的部分，位置计算就会出现较大误差、使定位精度大打折扣。
这就是为什么，我们的北斗系统首先发射的是GEO和IGSO，因为这两种卫星都能在中国境内随时被“看见”，从而规避必须在全球布监测站的问题。
那么后来发射的MEO的监测问题如何解决？我们的科学家放了一个“大招”：星间链路。在卫星之间搭起“桥梁”，彼此间能进行通信和测距，互相监督、自动保持队形。
这样就大大减少了对地面监测系统的依赖。即便地面站点全部失效，北斗系统仍然可以通过星间链路保持自主运行长达60天之久。
而时间长了，卫星也会退役或出现故障，所以未来北斗还是会继续发射系列卫星升空，保证卫星系统万一遇到特殊情况能及时有“替补”。
星载电子钟是用来干嘛的
卫星测距是通过传播时间乘以光速来计算的，由于光速是30万公里每秒，如果时间测量误差1微秒，距离误差就高达米！
所以卫星的“对表”非常重要。但这种“对表”主要靠精度能达到千万年误差一秒的原子钟。
那什么是原子钟？原子从高能级到低能级跃迁时，会发射出电磁波。这种电磁波的特征频率，叫做“共振频率”。每种原子的共振频率是固定的。
正因原子的共振频率如此稳定，所以就可以当做一种高精度的“节拍器”，科学家就此发明了“原子钟”。
但短时间内造不出原子钟该怎么办？GEO和IGSO这两种卫星就再度发挥了作用。
因为GEO和IGSO卫星，在我们国内的地面监测站就可以随时被“看见”，也就意味着随时都可以“对表”，这样就降低了过去对星载原子钟的技术要求，给我国发展高精度原子钟争取了时间。目前，我国的原子钟技术已经非常成熟。
为什么频率资源这么宝贵
卫星导航还要用到频率资源。但电磁波的频率资源，就像石油一样是有限、不可再生的。
全世界所有需要发射电磁波通信的行业，都会占据其中的一部分频段。比如，无线电广播、移动通信等。
根据国际电信联盟（ITU）的规定，卫星导航系统能使用的频率范围只有5个。
这就好比，一条走廊被划成很多小段，每个小段里有一张长凳，分别贴了标签。卫星导航系统只分到了五张长凳，想要开发卫星导航系统，必须坐在这5张凳子上才行。
根据ITU的规矩，使用这些凳子要事先申请，“先到先得”。最先抢占位置的是美国和俄罗斯。美国的GPS系统占据了其中两张凳子的正中间。俄罗斯的格洛纳斯系统占据了另外两张凳子的正中间。
于是只剩下一张空的长凳，以及其他4张凳子的边角可以坐了。
欧洲的伽利略系统和中国的北斗系统，都想占据剩下那张空凳子的黄金位置。
但是ITU还有一个规定，在申请获得通过以后的7年之内，必须完成卫星发射入轨，并使用这个频率，否则资源会被回收。
年4月18日，中国的申请获得通过，在接下来的7年里，科学家夜以继日地奋斗，攻克各种难关，终于在年4月17日晚八点，成功接收到信号。而彼时距离频率资源截止时间仅剩4小时！
之后，在中国科研人员的不断努力下，我们在各方面都实现了后来居上，也就此为北斗系统争取到了宝贵的电磁波频段。
考考你
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