作者：“你了解北斗卫星导航系统吗？那可是我国航天事业一张靓丽的名片。”

读者：“北斗卫星导航系统？就是那个GPS吗？就是那个百度地图吗？”

不……不，如果你认为北斗就是GPS、就是百度地图，那么你迫切需要这本最新上架的《北斗导航》。里面满满都是关于北斗卫星导航系统的知识，带你了解北斗的前世今生、带你认识北斗的星座和太空“手拉手”、带你感受北斗的重要功用……

《北斗导航》一书是中宣部主题出版重点出版物《中国科技之路》丛书中的重要一册，创作团队均为北斗卫星导航系统的一线科技工作者。作为一本介绍北斗导航基础知识的书籍，本书从卫星导航发展历程、北斗卫星星座、卫星发射场及测控网、自主研发、国际合作、未来展望等多个方面进行了介绍。一定可以解答你心中关于北斗卫星导航系统的问题！序共和国勋章获得者、两弹一星功勋奖章获得者、原北斗卫星导航系统工程总设计师孙家栋院士对本书出版寄予厚望。

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序一

北斗卫星导航系统副总设计师杨元喜院士评价本书“以朴实的语言、严谨的描述、翔实的内容，生动形象说明了北斗其实离大家并不远，北斗卫星远在天边，北斗应用近在眼前，它早已进入、影响并且有力地改变着我们的生活。”

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目录

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编辑推荐

大国重器北斗卫星导航系统开通全球服务已近两年，这究竟是个怎样的系统？本书通过二维码形式，融合了音视频、互动VR、沙画等多种展现手法，以北斗卫星导航系统卡通形象小北贯穿始终，力求采用轻松活泼的语言将北斗卫星导航系统从多个角度准确呈现，揭开北斗卫星导航系统的神秘面纱，让更多读者认识北斗、了解北斗、应用北斗。

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章节试读

二、独具特色的北斗导航星座

北斗导航星座，是由几十颗卫星编织而成的“太空星网”，不停地向地球发送导航信号，时刻帮助地球上那些需要定位导航的人们。而这一张“太空星网”，是北斗导航星座设计者们潜心设计的杰作，它让北斗导航不负众望，成为了更优秀的北斗，具备了更加优质的导航服务能力。

（一）卫星的跑道与星座

卫星就像赛场上的运动员，要在自己特定的跑道上奔跑。通常把卫星的跑道叫做轨道。一说到轨道，你的脑海里首先浮现的一定是火车铁轨、有轨电车、甚至是电动玩具车的拼接轨道，这些都是能够看得见的轨道。卫星轨道与火车、有轨电车不同，卫星轨道是看不见的，也不是事先铺设的，卫星轨道是假想的圆形或椭圆形，是卫星运动划过的轨迹，如图2-1、2-2所示。工程师们在大科学家牛顿的万有引力定律指导下能够预先计算出卫星轨道。卫星轨道设计是卫星系统设计中尤为重要的一步。

图2-1 火车、卫星、电车轨道

图2-2 卫星虚拟轨道

为了实现卫星导航的功能，需要布放多颗卫星，有些卫星需要布放在同一个轨道上，有些卫星需要布放在不同的轨道上，而这些卫星在太空中组成的系统，称之为星座。星座可不简单，星座里的每颗卫星需要互相监测，同时还有地面站对这些卫星的轨道进行监测并指导它们调整，这样才能让星座保持队形整齐划一，否则星座的队形乱了，也就没法保证北斗服务的性能了。

三、“手拉手”的星间链路

2017年11月，2颗北斗卫星在离地面两万多公里的高空发起对话：“太空本无路，我们之间频繁测距和交换数据，来来往往也就成了路”。这两颗卫星就是北斗三号第1、第2颗组网卫星，在拉开北斗全球组网大幕的同时，也在太空铺设了星间链路（Inter-satellite Link，ISL）。

（一）星间链路——浩瀚星河的太空桥梁

1 什么是星间链路

星间链路是指卫星与卫星之间的链路，也称为星际链路或交叉链路（Crosslink）。通俗来说，就是把卫星拉到1个微信群，可以聊天，共享位置，如图3-1所示。星间链路主要用于数据中继卫星、通信卫星星座和导航卫星星座，如美国数据中继卫星系统（Tracking and Data Relay Satellite System， TDRSS）、铱星（Iridium）移动通信星座、第二代铱星（Iridium NEXT）移动通信星座、GPS导航卫星星座、北斗导航卫星星座等。在国际上，星间链路对于通信、导航卫星星座均是核心和技术制高点。在北斗导航卫星星座中，星间链路是在卫星之间建立的具有精密测量和数传功能的链路，它是北斗系统全球服务、运行管理、自主运行和各类扩展服务应用的关键。

图3-1 星间链路漫画图

在浩瀚的宇宙中，连接2颗小小卫星的“高速路”，铺路用的不是水泥、沥青，而是发射接收设备、天线、网络协议实现信号的捕获与跟踪，利用这条“高速路”可实现卫星之间的距离测量和数据交换，如图3-2所示。

图3- 2 星间链路“高速路”漫画图

自20世纪80年代，美国科学家就开始考虑设计导航卫星星间链路。20世纪90年代，美国GPS在BLOCK IIR卫星上就已经安装了星间链路设备，GPS星间链路采用了UHF频段（250-290MHz）、宽波束天线，具备星间双向测距与数据交换功能。在美国新一代GPS III卫星中，星间链路可能会采用更高工作频段，以大幅提升测距精度和通信速率。

我国北斗一号和北斗二号为区域卫星导航系统，均没有设计星间链路。在北斗三号的建设和发展中，为实现北斗系统从区域向全球的扩展，在地面站资源受限无法全球布站的情况下，发展星间链路技术具有非常重要的战略意义。在北斗导航卫星之间建立星间链路，可实现星间数据传输和精密测量，大幅提高北斗卫星的测定轨精度，提升导航电文注入频度，并减少对海外布站的依赖，有效降低系统的运行管理成本。2015年3月30日，第17颗北斗导航卫星发射成功，拥有我国自主知识产权的星间链路在北斗新一代试验卫星上首次亮相。目前，北斗三号所有卫星均配置星间链路载荷，并完成了星间链路全球组网。

导航卫星星间链路通常有3种建链方式：（1）参照GPS在MEO卫星之间建立中-中轨星间链路，GEO、IGSO和MEO高低卫星之间不建立高-中轨星间链路；（2）在GEO、IGSO与MEO卫星之间建立高-中轨星间链路，MEO卫星之间不建立中-中轨星间链路；（3）在GEO、IGSO和MEO卫星之间均建立高-中轨、中-中轨星间链路。北斗三号30颗卫星都配置星间链路设备，采用第3种建链方式，借助Ka频段实现中-中轨、高-中轨星间链路，同时地面站上配备有星间链路设备，可与空间星座实现星-地建链，“一星通，星星通”，如图3-3所示。

图3- 3 北斗三号卫星建链示意图

导航卫星星座星间链路涉及卫星空间段网络，既有通信数据传输又有高精度测量要求，既有关键单机设计又有系统网络设计，难度极高。目前，仅北斗三号全球系统星间链路达到了全系统运行状态、并实现了常态化运行，美国GPS尚未全系统运行、俄罗斯GLONASS只在GLONASS-K卫星上进行了在轨试验，欧洲Galileo系统、印度NavIC系统、日本QZSS系统尚未实现星间链路。

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作者简介

杨元喜，江苏省泰州市人，工学博士，中国科学院院士，西安测绘研究所研究员。现任北斗全球卫星导航系统副总设计师。长期从事大地测量与卫星导航研究，创造性地提出了相关观测抗差估计系列理论，建立了全新的自适应动态导航定位理论体系；主持完成了多项大型国家大地测量工程。先后获得国家科学技术进步奖二等奖2项，省部级科学技术进步奖特等奖1项、一等奖6项。发表论文300余篇，其中SCI收录６0余篇；出版学术专著2部，合著3部。曾获求是杰出青年实用工程奖、何梁何利科技进步奖——地球科学奖、航天基金会“钱学森杰出贡献奖”。2003年当选国际大地测量学会会士，2018年当选美国导航协会会士。

卢鋆，河南省开封市人，工学博士，北京跟踪与通信技术研究所高级工程师。现任北斗地面试验验证系统副总设计师、国家北斗重大专项国际合作专家组副组长、中国卫星导航年会组委会副秘书长。长期从事北斗系统总体设计、试验验证和国际合作等工作。中国航天科普大使，中国科协“科普中国·我是科学家”顾问。获多项省部级科技进步成果奖，申请专利和国家标准10余项，发表论文30余篇。

张弓，中国空间技术研究院高级工程师。现任北斗卫星总体主任设计师。长期从事北斗卫星总体设计及型号研制工作。获省部级科技进步奖3项，发表论文 10 余篇，授权专利20余项。

高为广，北京跟踪与通信技术研究所副研究员。现任北斗全球卫星导航系统总设计师助理、地面试验验证系统总设计师、应用推广与环境保障专家组副组长。获省部级科技进步奖 10余项，发表论文60余篇。

郭树人，北京跟踪与通信技术研究所研究员。现任北斗全球卫星导航系统副总设计师、专家委员会秘书长、地面试验验证系统总指挥、体系总体专家组组长。获国家科技进步特等奖 1项、省部级科技进步奖 10余项，获北斗二号卫星建设突出贡献个人称号。

张爽娜，中国空间技术研究院研究员。现任航天恒星科技有限公司项目经理。长期从事北斗系统应用解决方案设计与推广等工作。发表论文 20 余篇，授权专利 20余项。

来源: 国防工业出版社