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Q：小时候，长辈们总是教孩子们辨认北斗星，只要找到了北斗星，就能找到回家的路。如今，城市的灯光湮没了星光，许多人开始习惯于借助GPS系统来确定方向。2011年12月27日起，我国自主研发的北斗卫星导航系统开始在我国及周边部分地区试运行。北斗卫星导航系统究竟是什么?它和我们熟知的GPS究竟有何异同?
不错，过去人们都用北斗星来标志朝北的方向。由于北斗星距离地球过于遥远，不能确定事物具体位置，因此在航天技术发展之后，就用卫星星座来导航定位。通过测量卫星和地面站之间的距离以及确定它们之间的时钟关系，可以明确卫星的位置信息。在已知卫星的位置和时间信息之后，地面用户同时接收到4颗卫星的导航信号，就可以解算出自己的位置，这就是基本的卫星导航定位原理。
自2011年12月27日起，我国北斗卫星导航系统开始向我国及周边地区提供连续无源定位、导航、授时等试运行服务。北斗卫星导航系统是我国自己研发的新型卫星导航系统，主要由导航卫星、地面台站和用户定位设备三个部分组成的。能够全天候、全天时地通过双星定位方式开展工作，兼有定位导航、授时应用、短报文通信三大基本功能和多项扩展功能。我国着手建立的第二代北斗卫星导航定位系统，其空间部分主要由运行在中圆轨道、静止轨道、倾斜地球同步轨道上的10多颗北斗导航卫星组网而成。经过一段时间在轨验证和系统联调后，已于2011年12月末具备了向我国及周边地区提供试验运行服务的能力。服务区为东经84°到160°、南纬55°到北纬55°之间的大部分区域；位置精度为平面25米、高程30米；测速精度每秒0.4米；授时精度50纳秒。
GPS是20世纪70年代由美国陆、海、空三军联合研制的空间卫星导航定位系统，其主要目的是为陆、海、空三大领域提供实时、全天候和全球性的导航服务，并用于情报收集、核爆监测和应急通讯等一些军事目的。GPS系统是由空间部分、地面控制部分、用户设备部分三大部分组成。空间部分即由2 1颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成的GPS卫星星座，目前，GPS靠空间系统本身提供的导航精度已经可以达到6米左右，如果在地面配以其他基础设施对其加强，则可以达到几十厘米甚至几厘米的定位精度。至少几十厘米的定位精度在GPS提供的商业服务中已经存在，只不过是收费服务。这种精度适用于测绘等专业用户的需求，而我们日常生活所需的导航服务只需达到5～6米的精度就可以了。
通过上述比较不难发现，GPS和目前的北斗卫星导航系统空间星座组成部分大不相同，前者的导航、定位、授时服务可以覆盖全球，后者只能面向本国和周边地区，但却具有发送短报文的功能。
Q：为什么说卫星导航定位系统已成为衡量一个国家综合国力的重要标志?它在哪些领域有重大影响?
这从全球定位系统的主要特点和用途上即可看出来。GPS的主要特点是全天候、全球覆盖、三维定速定时高精度、快速省时高效率、应用广泛多功能。GPS的陆地应用主要包括车辆导航、应急反应、大气物理观测、地球物理资源勘探、工程测量、变形监测、地壳运动监测、市政规划控制等；海洋应用包括远洋船最佳航程航线测定、船只实时调度与导航、海洋救援、海洋探宝、水文地质测量以及海洋平台定位、海平面升降监测等；航空航天应用包括飞机导航、航空遥感姿态控制、低轨卫星定轨、导弹制导、航空救援和载人航天器防护探测等。
由于卫星导航定位系统技术含量高、优势明显、应用面广，又涉及军事机密，所以各航天大国都很重视建设各自的卫星导航系统。从信息技术和知识经济角度来看，卫星导航定位技术在经济社会发展中的应用越来越广泛，其形成的产业已成为继移动通信和互联网之后的第三大IT经济增长点，具有爆发式的增长潜力和广阔的市场应用前景。正缘于卫星导航定位系统已被公认为是信息基础和战略设施的重要组成部分，它才成为衡量一个国家综合国力的重要标志，美国就曾把GPS誉为本国继阿波罗飞船和航天飞机之后取得的又一重大科技成就。
Q：听说北斗系统需要发射30多颗卫星上天，而GPS只有24颗，为什么北斗系统需要那么多?
各国全球定位系统的差异之处，就在于选择的卫星轨道有别和轨道上的卫星数量不同。我国航天专家在设计北斗全球卫星导航系统时也曾有过很多方案，后经充分论证，才选择了由35颗卫星组网的系统方案。该系统由分布在多条绕地轨道上的导航卫星和少数几颗备份星组网而形成空间部分。具体地讲，就是由5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成卫星星座。在那30颗卫星中，又分为3颗倾斜地球同步轨道卫星和27颗中圆轨道卫星。27颗中圆轨道卫星平均分布在倾角55~的三个平面上，轨道高度21500千米。
与GPS几乎同时起步建设的俄罗斯格洛纳斯全球导航系统，亦由24颗卫星组成，分布在3个轨道面上，目前已基本建成，即将提供服务。当前正在建设的同类项目，还有欧洲的伽利略全球卫星导航系统。2004年，我国和欧盟委员会签署协议，成为参加伽利略计划的第一个非欧盟成员国。该计划的空间部分由30颗卫星组网而成，也采用了3个轨道面的设计。无论是GPS、格洛纳斯还是伽利咯全球定位导航系统，都只有一种轨道即中圆轨道设计，只不过区别在于选取3个轨道面还是6个轨道面。而我国北斗全球卫星导航系统在保留3个中圆轨道面设计长处的基础上，集纳了多种轨道的优势于一身，是世界导航系统的首创。正因为轨道种类多，突出了本国及周边地区的导航服务业务，又多了一项通信功能，所以北斗卫星导航系统的卫星数量较多。
Q：听说北斗系统分为3个阶段，目前仍处于第二代的建设之中，真正建成的北斗系统能代替GPS吗?它对我们的生活影响大吗?我们的手机也能联上它吗?
中国北斗卫星导航系统按照“三步走”的发展战略稳步推进：2002年建成北斗导航试验系统，使中国成为世界上第三个拥有自主卫星导航系统的国家；2012年前后使北斗导航系统形成覆盖亚太地区的服务能力；2020年左右，北斗卫星导航系统将形成全球覆盖能力。目前仍处于第二代的建设之中，等到2020年左右，北斗全球卫星导航系统建成以后，北斗系统所能提供的定位精度在全球范围内将与美国的GPS相抗衡，而在增强区域内，也就是在整个亚太地区，北斗卫星导航系统的定位精度，将超过GPS导航系统。
当前，6PS和北斗终端设备在海洋、渔业、抗震救灾、应急救援、登山事故救援等行业和领域都已有应用。在8年之后，即2020年，肯定每个人的生活都离不开北斗导航系统。到时候，你只需要将北斗的相关芯片、硬件置入手机里，就能接收北斗卫星导航信号，用手机就能完成定位功能。未来共用终端设备问世之后，在生产生活的更多行业都能够得到更好应用。
按照先区域、后全球的总体规划建设起来的北斗二代、三代导航系统，待其投入运营后，将在水利电力、国土测绘、海洋航运、水上渔业、石油勘探、交通运输、气象预报、森林防火、减灾救灾、通信保障、治安管理、公共安全等经济社会领域发挥重要作用，有力促进电子产品、通信联络、机械制造、地理信息、旅游观光等相关产业和服务行业的发展。北斗全球导航定位系统在提升我国国防实力和军事装备性能上，也具有无可替代的重要性。对于广大公众来说，使用该系统的车载终端和具有导航定位与无线通信等功能的移动设备，将大大方便日常生活。
Q：您的科普图书《E时代N个为什么·航天》深受青少年非常喜欢。可是如今由于学业、考试压力的增大，热爱科学的学生似乎越来越少了，您长期从事青少年科普宣传事业，您认为科学知识对我们今后的帮助会很大吗?
《E时代N个为什么·航天》是写给青少年的航天科普读物。人们常说，综合国力在企业，企业发展靠创新，实现创新靠人才，人才培养靠教育，青少年是祖国的未来，一定要抓好教育这个根本环节。除了学校的系统教育外，还应高度重视和抓好科技传播和科学普及工作，使青少年能够尽早树立热爱祖国和崇尚科学的思想，这就是我写作该书的出发点。
从多次给大、中、小学生作科普报告的体验中，我不认为现在热爱科学的学生是越来越少了，因为在报告最后的互动环节中，学生提问题的积极性是很高的，他们强烈的求知欲望给我留下了深刻印象，同时也使我深深感到中学生们都为怎样牢固地掌握基本知识而着急。这就涉及到人们经常议论的应试教育下的死记硬背问题。我个人历来认为，通过考试成绩决定升级、升学是很公平的做法，迄今还没有别的办法可以取代。我主张中学生应把每门功课都学好，学习时，要特别注意掌握和践行师授的有关学习方法。
“非志无以成学，非学无以广才”。现在科学技术的发展日新月异，重视跟踪前沿动态，对于青少年的成才显得更为重要。如今的中学生从小接触的信息量就很大，生活和学习条件越来越好，只要思想上崇尚科学和注意不断改进学习方法，把读书视为生命智慧的升华，养成浓厚的学习兴趣，坚持自强不息，勇于攀登，相信“天生我材必有用”。 |
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发表于 2022-2-27 20:02:12