文 王寶伊 遼陽市第二高級(jí)中學(xué)

攝影 王可

北斗衛(wèi)星九十小時(shí)觀測紀(jì)實(shí)與暢想

文 王寶伊 遼陽市第二高級(jí)中學(xué)

攝影 王可

（在刊登時(shí)，對原文內(nèi)容進(jìn)行了整理）

我是一個(gè)興趣廣泛的高中學(xué)生，愛仰望星空，體會(huì)那種寄蜉蝣于天地的渺?。幌矚g愛運(yùn)動(dòng)，在蒼穹之下、綠草之畔與摯友揮灑汗水；愛看書，尤愛課外書，一人一書一世界。

2016年末，我收到“北斗多模接收機(jī)”，興奮地立刻開始觀測北斗衛(wèi)星，可是第一次實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備不足只進(jìn)行了10小時(shí)就中止了。一次失敗難不倒我，經(jīng)過準(zhǔn)備，我進(jìn)行了第二次觀測實(shí)驗(yàn)。令我始料未及的是，30小時(shí)后天公不作美，霧霾來臨實(shí)驗(yàn)被迫中止。實(shí)驗(yàn)注定無法進(jìn)行嗎？即便如此，我也不愿放棄。我只能多多地買書、上網(wǎng)搜索、重新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。沉寂了1個(gè)多月，利用年假，最終在全家的支持下，經(jīng)歷了整整90小時(shí)北斗衛(wèi)星連續(xù)觀測，我終于如愿以償?shù)孬@得了需要的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

在實(shí)驗(yàn)中也有難題困擾著我，我實(shí)驗(yàn)觀測的數(shù)據(jù)與書上的數(shù)據(jù)不符，網(wǎng)上的信息與書上一致，難道是我的實(shí)驗(yàn)有問題？經(jīng)過多次檢查驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可信無誤。那究竟孰是孰非呢？于是，我找到一位北斗方面的專家，向他請教。他解釋道：“我國的衛(wèi)星發(fā)展日新月異，書與網(wǎng)絡(luò)上的信息沒有及時(shí)更新。你這種敢于質(zhì)疑權(quán)威的精神難能可貴，有不少人止步于此無法突破。是這種敢于質(zhì)疑、勇于探索的精神讓科學(xué)發(fā)展至今。希望你能保持這種精神！”航天專家的話令我受益匪淺，愿對同學(xué)們也有啟示。

知識(shí)小鏈接

MEO：

中地球軌道衛(wèi)星(Medium Earth Orbit，簡寫為MEO)，是位于低地球軌道(2000千米)和地球靜止軌道(35786千米)之間的人造衛(wèi)星。

IGSO：傾斜地球同步軌道衛(wèi)星（Inclined Geosynchronous Orbit, 簡寫IGSO）, 是位于地球靜止軌道(35786千米)且地球同步軌道的傾角不為0的人造衛(wèi)星。

第一階段 克服城市樓群信號(hào)遮擋難題，自制工具，找到理想觀測點(diǎn)。

因?yàn)閷Ρ倍沸l(wèi)星運(yùn)行癡迷，我們想在連續(xù)90小時(shí)內(nèi)連續(xù)采集衛(wèi)星信號(hào)。可是北方已天寒地凍，夜晚在戶外宿營時(shí)筆記本電腦死機(jī)沒法采集數(shù)據(jù)。怎樣在城市森林中找到合格的衛(wèi)星觀測點(diǎn)呢? 在2017年寒假的2月1日8：00至5日1：00，我通過大量的對比實(shí)驗(yàn)，找到了在城市樓群中設(shè)置效果優(yōu)良的衛(wèi)星觀測點(diǎn)的規(guī)律，具體表述出來就是：結(jié)合擬觀測點(diǎn)高度、樓間距、鄰樓高度，測算出擬觀測點(diǎn)的觀測角和遮蔽角，選擇觀測角＞45度或者觀測角＞遮蔽角的樓房作為觀測點(diǎn)。

使用自制觀測角量角器，選擇合格觀測點(diǎn)

自制觀測角量角器

我用直尺和量角器制作了一個(gè)測量工具，用來準(zhǔn)確測量觀測角。

觀測角、遮蔽角比較示例圖

利用自制的觀測角量角器，我們在城市樓群中選取了符合質(zhì)量要求的衛(wèi)星信號(hào)觀測點(diǎn)——我的家。此觀測點(diǎn)高約15米，樓間距為30米，南側(cè)樓房高約18米，觀測角大于50度。

為了詳實(shí)地描述衛(wèi)星的運(yùn)行軌跡，減少觀測死角，自制了觀測加長桿，能夠增加2顆星以上，我終于采集到了比較理想的數(shù)據(jù)。利用寒假進(jìn)行了90小時(shí)興奮又艱苦的連續(xù)觀測。

遺憾的是，如果可以買到線長20米的北斗多模接收機(jī)，那么我可以說服頂樓鄰居安裝，就能減小觀測死角，把正弦曲線運(yùn)行的衛(wèi)星軌跡描畫得更完整了。

2017.02.01 8∶00 信息采集于四層住宅樓

第二階段 觀察和記錄北斗衛(wèi)星信息

向科技和地理老師請教了星空圖位置的表示方法，把觀測到的北斗衛(wèi)星星下點(diǎn)相對位置記錄下來，留下真實(shí)、連續(xù)的第一手資料——90小時(shí)北斗衛(wèi)星觀測記錄。

北斗衛(wèi)星觀測記錄圖

第三階段 描繪每顆衛(wèi)星的運(yùn)行軌跡圖

根據(jù)90小時(shí)的北斗衛(wèi)星觀測記錄，逐個(gè)描繪出每一顆衛(wèi)星運(yùn)行軌跡圖。

北斗衛(wèi)星的星下點(diǎn)軌跡圖

第四階段 分析衛(wèi)星軌跡圖和位置記錄，探索北斗衛(wèi)星的運(yùn)行規(guī)律。

我發(fā)現(xiàn)北斗系統(tǒng)是由14顆衛(wèi)星組成：5顆靜止軌道衛(wèi)星、6顆“8”字軌道衛(wèi)星和3顆正弦曲線衛(wèi)星。

首先對比分析2017年2月1日8∶00到2月5日1∶00這些記錄，我找到5顆靜止軌道衛(wèi)星GEO，它們分別是：1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)和5號(hào)衛(wèi)星。

6顆“8”字軌道運(yùn)行衛(wèi)星是傾斜地球同步軌道衛(wèi)星IGSO，分別由3顆衛(wèi)星組成的兩組，它們像是辛勤巡邏、均勻分布的小蜜蜂跳著“8”字舞。其中6號(hào)、7號(hào)和8號(hào)衛(wèi)星是一組，它們排好順序，在我國的東部和西太平洋上空飛舞；9號(hào)、10號(hào)和13號(hào)衛(wèi)星是一組，它們踩著相同的節(jié)奏，在我國的中西部領(lǐng)地上空守護(hù)。它們的運(yùn)行周期大約是24小時(shí)（我是每小時(shí)觀測一次，可能有誤差）。

靜止軌道衛(wèi)星和傾斜地球同步軌道衛(wèi)星共11顆都位于35786千米的高空，織成了最密實(shí)可靠的衛(wèi)星網(wǎng)，它們忠誠地守衛(wèi)著亞洲和西太平洋地區(qū)。

3顆正弦曲線軌跡的是中圓地球軌道衛(wèi)星MEO，它們位于21500千米空中，相對速度大，信息獲取能力強(qiáng)，定位精度高，是名符其實(shí)的千里眼。它們是11號(hào)、12號(hào)和14號(hào)衛(wèi)星，它們的運(yùn)行軌跡象正弦曲線一樣，劃過北緯55度到南緯55度之間的大片區(qū)域。如果傾斜地球同步軌道衛(wèi)星有故障，它們還能補(bǔ)位呢。

第五階段、分析衛(wèi)星記錄，研究靜止軌道衛(wèi)星的特點(diǎn)。

學(xué)習(xí)了焦維新老師編寫的《北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)》，我了解到當(dāng)軌道高度為35786千米時(shí)，衛(wèi)星的運(yùn)行周期和地球的自轉(zhuǎn)周期相同。同時(shí)，當(dāng)衛(wèi)星軌道平面與地球赤道平面的夾角為0度時(shí)（即軌道傾角為0度時(shí)），衛(wèi)星正好在地球赤道上空，以與地球自轉(zhuǎn)相同的角速度繞地球飛行，從地面看衛(wèi)星好像是靜止的，經(jīng)過連續(xù)觀測記錄，我確認(rèn)北斗1～5號(hào)就是在靜止軌道（GEO）上運(yùn)行。

從GEO衛(wèi)星的特性可以推斷以下四點(diǎn)。

第一、北斗1～5號(hào)衛(wèi)星位置很高，覆蓋面積大，單星功能很強(qiáng)大。每顆GEO衛(wèi)星可以覆蓋地球面積的42%，美國的GPS中軌衛(wèi)星只能覆蓋37.9%。

第二、北斗1～5號(hào)衛(wèi)星常年出現(xiàn)在我國上空，可以為用戶提供全天候、全天時(shí)的優(yōu)質(zhì)服務(wù)，包括定位、導(dǎo)航、授時(shí)和短報(bào)文通信。北斗系統(tǒng)具有短報(bào)文通信功能，通過特殊短報(bào)文終端可以一次傳送40～60個(gè)漢字的短報(bào)文信息, 其短報(bào)文通信功能更是其他衛(wèi)星所沒有的。

第三、從理論上來說，只要有3顆靜止軌道衛(wèi)星就能將信號(hào)覆蓋到我國和南北半球中低緯大部分地區(qū)。但是，我國的航空專家們采用了5顆GEO衛(wèi)星、6顆傾斜地球同步軌道衛(wèi)星和24顆中圓地球軌道衛(wèi)星組合成北斗系統(tǒng)，對高中低緯進(jìn)行精度增強(qiáng)，能夠精確三維定位（定位精度優(yōu)于1米）。

第四、觀測分析中有成果也有誤差

作為一名普通學(xué)生，我的觀測數(shù)據(jù)可能很普通。初期準(zhǔn)備5天先期實(shí)驗(yàn)、多處比較選擇觀測點(diǎn)；中期艱苦又興奮地90小時(shí)連續(xù)觀測，即時(shí)記錄；后期分析匯總同期記錄艱苦又興奮，鎖定每顆衛(wèi)星描繪90小時(shí)星下點(diǎn)運(yùn)行軌跡，進(jìn)行同一時(shí)點(diǎn)不同衛(wèi)星對比和不同時(shí)點(diǎn)單星對比分析。經(jīng)過15天的努力，終于找到5顆靜止軌道衛(wèi)星，6顆“8”字軌道運(yùn)行衛(wèi)星和3顆正弦曲線運(yùn)行衛(wèi)星。

在觀測分析中也發(fā)現(xiàn)了誤差：從5顆衛(wèi)星的星下點(diǎn)位置推斷衛(wèi)星的經(jīng)緯度有兩顆發(fā)生了10度以上的偏差。

參照北斗衛(wèi)星的90小時(shí)連續(xù)觀測記錄焦維新老師的《北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)》和曹沖老師的《衛(wèi)星導(dǎo)航常用知識(shí)問答》，我試著推算出了靜止軌道衛(wèi)星的星下點(diǎn)位置，與正確位置對比如下：

《北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)》記述了北斗2號(hào)和4號(hào)衛(wèi)星的位置，誤差分別為偏西12度和偏東13度。明明很認(rèn)真地觀察并且同期記錄了，怎么還會(huì)有這么大的誤差呢？是我的操作失誤還是硬件、軟件有問題？如果我看衛(wèi)星有誤差，那么衛(wèi)星采集和傳回的信息是不是也有誤差呢？航天學(xué)家們有解決的好辦法嗎？我重新核對了90次記錄，翻閱了更多的資料、圖片，上中國知網(wǎng)檢索，最后確定不是筆誤眼花。在質(zhì)疑過程中似乎發(fā)現(xiàn)了一個(gè)BDS分布規(guī)律和一個(gè)意外驚喜。

1.BDS分布規(guī)律

觀測規(guī)律就是與觀測點(diǎn)距離在40度以上的衛(wèi)星觀測值誤差明顯，方向偏于遠(yuǎn)離觀測地方向，尤其是先期發(fā)射的衛(wèi)星誤差更明顯。

（1）從90小時(shí)的觀測記錄中我們可以發(fā)現(xiàn)：距離在40度以內(nèi)的衛(wèi)星觀測值準(zhǔn)確，而且在90小時(shí)的連續(xù)觀測中我們發(fā)現(xiàn)附近總有4顆以上北斗衛(wèi)星處于最優(yōu)位置，在亞洲和西太平洋地區(qū)北斗衛(wèi)星編織起密實(shí)的“天網(wǎng)”，比GPS提供的信息更豐富。

（2）從北斗星下點(diǎn)軌跡圖中，我們可以發(fā)現(xiàn)以下分布規(guī)律：

首先：每組3顆傾斜軌道衛(wèi)星，由于勻速在南北半球運(yùn)轉(zhuǎn)，最少有一顆處于北半球觀測位置，兩組就最少有兩顆；

其次：靜止軌道衛(wèi)星從西向東依次為第5、2、3、1、4號(hào)衛(wèi)星，它們均勻分布在東經(jīng)58.75,東經(jīng)80，東經(jīng)110.5，東經(jīng)140，東經(jīng)160度，每兩顆星相距20～30度。而且距離在40度以內(nèi)的衛(wèi)星觀測值準(zhǔn)確。在亞洲和西太平洋地區(qū)，總能看到兩顆以上的靜止軌道衛(wèi)星。

此外，還有北斗的中地軌道衛(wèi)星。所以身處亞洲或西太平洋地區(qū)，總有4顆以上的北斗衛(wèi)星處在最優(yōu)位置。而且還有能夠提供短信息的獨(dú)特功能呢。

細(xì)細(xì)想來，這里又包含了每顆衛(wèi)星各管一方，整體科學(xué)布局、逐步合理擴(kuò)大觀測范圍的問題。我國的航天科學(xué)家們正從覆蓋亞太地區(qū)向覆蓋全球服務(wù)全球階段邁進(jìn)。能讓人們在全世界大多數(shù)地方都享受到北斗衛(wèi)星的優(yōu)質(zhì)服務(wù)該是多么放心、多么美好的事情！

至于這個(gè)誤差怎么產(chǎn)生的，我首先想到了一個(gè)人盡皆知的現(xiàn)象。當(dāng)我們班幾十個(gè)同學(xué)擠在一起合影時(shí)，人們都愛站在中間，因?yàn)榕某鰜淼男Ч麜?huì)好看。而站在邊角的同學(xué)，臉和身體容易變形，看上去很怪異。也許是一個(gè)道理吧。查閱中國知網(wǎng)，我檢索到：1～5號(hào)衛(wèi)星是高軌衛(wèi)星，軌道太高本身就意味著衛(wèi)星與地面物體的相對速度很小，不利于使用多普勒頻移的解算方法，導(dǎo)致測量誤差大，定位精度降低。所以動(dòng)態(tài)與靜態(tài)衛(wèi)星結(jié)合產(chǎn)生的效果才更好。

記錄數(shù)據(jù)是現(xiàn)實(shí)的反映，它凝聚著汗水，能指給人方向；但是完全相信記錄數(shù)據(jù)而不考慮整體布局和綜合功效則是不足取的。想方設(shè)法借來《北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)》，向科技老師多次請教，觀看北斗科普照網(wǎng)信息，終于能夠看清想透，并意外發(fā)現(xiàn)了高軌衛(wèi)星的獨(dú)特功能。

2.北斗衛(wèi)星獨(dú)特的短信功能成果卓越

北斗衛(wèi)星獨(dú)特的短信功能主要是靠1～5號(hào)衛(wèi)星來完成，它們在地震聯(lián)系救人、航海定位救人方面成果卓越。根據(jù)資料顯示，2008年汶州地震中北斗一代衛(wèi)星的定位和短信功能充分發(fā)揮了作用。僅僅1000臺(tái)衛(wèi)星終端設(shè)備就提供衛(wèi)星定位服務(wù)164萬次，短信服務(wù)74萬次。成為救援指揮部隊(duì)和前線救援人員最得力的通信助手，最大限度地挽救人民的生命財(cái)產(chǎn)，被稱為災(zāi)區(qū)人民的福星。

遠(yuǎn)洋漁業(yè)兇險(xiǎn)難料，漁民們用上北斗二代的雙向通信和精確定位功能，危急時(shí)刻點(diǎn)擊一鍵呼救，生命安全有保障；接收實(shí)時(shí)的天氣、海浪、赤潮、魚迅、漁市價(jià)格消息；甚至漁民在海上就把漁獲信息傳回岸上，提前聯(lián)系好買家。北斗衛(wèi)星的短信功能非常受歡迎。例如，2011年浙江省漁民發(fā)短信1300萬條，其中船、船互通604萬條，船與手機(jī)互通696萬條，被漁民稱為福星加財(cái)星。而且隨著衛(wèi)星通信相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，在“一帶一路”建設(shè)、戶外運(yùn)動(dòng)、旅游安全領(lǐng)域還能開發(fā)出更顯著的功效，期望能夠盡快開發(fā)出匹配的應(yīng)用軟件，讓好馬配上好鞍，必然在民用領(lǐng)域中占據(jù)更重要的地位。

解開心中10多天的自責(zé)、困惑和懷疑后，心情更從容愉悅，不禁想到我國的航天專家們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)并且解決了衛(wèi)星偏離復(fù)位的問題（2017年2月1日9∶00北斗5號(hào)衛(wèi)星就曾經(jīng)在我觀察到發(fā)生位移的1小時(shí)后復(fù)位）。

航天專家們還解決了衛(wèi)星信息誤差的問題。當(dāng)用戶終端可以接收多于4顆衛(wèi)星的信息時(shí)，他們設(shè)計(jì)將衛(wèi)星每組4顆分為多個(gè)組，列出多組方程，然后通過一定的算法挑選誤差最小的那組結(jié)果，只要空中有足夠的衛(wèi)星，就能夠提高精度。

航天學(xué)家們科學(xué)布局，計(jì)劃采用5顆地球靜止軌道衛(wèi)星（GEO衛(wèi)星）、6顆傾斜地球同步軌道衛(wèi)星（IGSO衛(wèi)星）和24顆中圓地球軌道衛(wèi)星（MGO）組合成北斗系統(tǒng)，動(dòng)靜態(tài)結(jié)合，中高軌道結(jié)合，對高中低緯進(jìn)行精度增強(qiáng)，能夠精確三維定位。有力保證了在世界上大多數(shù)地方，都能接收到3顆以上北斗衛(wèi)星的有效信號(hào)。現(xiàn)在理解了北斗系統(tǒng)的構(gòu)成多么必要?。ㄖ笇?dǎo)老師：楊德昌，劉大偉 遼陽市第二高級(jí)中學(xué)）