北斗星钟300万年只差一秒吗？
9月24日，北斗卫星导航系统总设计师杨长风登上央视《开讲啦》，揭秘他与北斗的十年。去年四月底，他已任中央军委装备发展部正军级少将。他爱人、孩子都是搞空间技术研究的，由于工作的特殊性，在家中从来不会谈论工作方面的话题。（杨长风）北斗星钟三百万年才差一秒杨长风在演讲中披露，北斗导航的从业人员达到8万多、300多个研制单位，而且北斗的应用离我们的生活越来越近，也越来越普及。“交通部门利用我们的北斗，形成了一个车辆的监管系统，对一些危险品的运输车、长途客车、旅游客车，进行实时地监管监控。现在跟原来同期相比，事故率和伤亡率已经下降了百分之五十。”在北斗二号研制初期，本打算从欧洲引进核心器部件——原子钟，但在最后签协议的时候，欧洲公司突然终止了合作。在这种情况下，北斗人决心自己研制，组建了三支队伍，同时进行攻关，最终通过两年多的时间，将星载的原子钟研制成功。更让人惊叹的是，星钟的精度通俗指标是十万年差一秒，而我们现在已经到了三百万年差一秒的精度。作为北斗的总设计师，杨长风在说到自己与北斗的十年时，至今仍让他动情的时刻是在2007年，接收到北斗二号第一颗卫星的信号，“我们经历了背水一战”。2007年4月，北斗二号的第一颗卫星即将发射。在发射前3天发现异常，信号很不稳定，又不能带着隐患发射上天，最终北斗人七十二小时没有合眼，找到问题并及时解决。杨长风说，这个情景至今难以忘怀。“2007年4月17日，我们有十多家研制的厂家，在一个大操场上面，把这个接收机摆成一线，等待着这样一个信号。晚上八点钟，下发的第一组信号的时候，我们十几个用户接收机，同时接到了这样一个信号，这个时候，我们整个操场是欢呼跳跃，同志们互相拥抱，来祝贺这个胜利。”历经了这惊心动魄的72小时后，北斗持续发展的合法权益也就保住了。在谈到家庭方面，杨长风介绍，他的爱人、孩子都是搞空间技术研究的。由于工作的特殊性，在家中从来不会谈论工作方面的话题。在现场还有一位青年代表提问：在工作中是否会思念家人，当设计图纸和爱人同时掉在水里会先抢救哪一个？杨长风机智应对：设计图纸和他的夫人都是生命，希望两者都能兼得。去年4月晋升少将去年杨长风已晋升为少将军衔。据报道，2016年4月28日，北斗卫星导航系统总设计师、中央军委装备发展部正军级少将杨长风等一行，在新疆维吾尔自治区经信委军工处副处长薛红朝等陪同下，到新疆生产建设兵团第八师石河子市调研。作为中央军委职能部门之一，军委装备发展部主要履行全军装备发展规划计划、研发试验鉴定、采购管理、信息系统建设等职能，着力构建由军委装备部门集中统管、军种具体建管、战区联合运用的体制架构。（北斗导航卫星发射成功）就在一周前，9月16日，“全球首颗支持新一代北斗三号信号体制的多系统多频高精度SoC芯片”正式发布。该芯片用于北斗三号卫星系统建设，在无需地基增强的情况下，便可实现亚米级的定位精度，实现芯片级安全加密。未来，该芯片可被广泛应用于车辆管理、汽车导航、可穿戴设备、航海导航、GIS数据采集、精准农业、智慧物流、无人驾驶、工程勘察等领域。在演讲中，杨长风也提及到北斗在生活中的应用。目前，智能手机很多已经安装了北斗卫星导航系统，为“路痴”解决了找不着路的困惑；北斗能帮助监测一些自然灾害；驾考中也开始运用北斗；草原上的牧民们可以用北斗来监管羊群，进行放牧，大大减少人力物力成本……如杨长风所说“北斗是无所不能，无所不在。就怕你没想到，没有做不到，所以大胆去想，你想到了就有用了”。杨长风透露，北斗三号全球系统的建设已全面启动，计划今年年底发射四颗卫星。到2020年左右，北斗卫星导航系统计划向全球提供服务。中国威武！
北斗三号的新科技采用了哪些新技术？
北斗三号的首批组网卫星(2颗)以“一箭双星”的发射方式顺利升空，它标志着我国开始正式建造“北斗”全球卫星导航系统。其中采用了原子钟、星间链路最新的技术。原子钟——导航系统的心脏 我们都知道，选定一个公认的时刻起点，按照固定的时间间隔累计，这就定义了时间。但问题就在于，这个“固定的间隔”里的“固定”，在不同的时期，人们对它的要求是不一样的。 在1960年以前，人们采用地球自转的间隔作为形成时间的基础，这就是世界时，它满足了当时的需要。后来，人们发现，地球像是喜怒无常的孩子，其自转速度忽快忽慢。最后，一部分科学工作者们不得不抛弃这个并不“固定”的“固定间隔”，因为它只能达到10-7次方的精度，这对于科学研究和进步而言已经是很大的误差了。 这可给科学家出了个难题，既然不能“固定”到底该怎么办？最后，他们想到了一种折中（和稀泥）的办法。 既然对于时间的要求因人而异，那么，我们就创造一种兼有这两种优点的时间尺度好了，于是，一种新的时间尺度——协调世界时（UTC）出现了。 协调世界时的产生要注意两个方面：原子时的秒长和世界时的时刻。如此操作，协调世界时的秒长忠实地反映原子时的秒长，但规定协调世界时与世界时的时刻差保持在0.9秒以内。如果时刻差将要超过0.9秒，就在协调世界时中加上1秒或者减去1秒（即所谓“闰秒”），使用这种方法来缩小两者差距。 导航卫星的原子钟之所以被称为卫星的“心脏”，原因很简单。导航的目的在于定位，定位就需要距离，距离就需要用电磁波的传递时间乘以传递速度。 传递时间的精度把握越高，意味着定位精度越高。每一颗卫星不断发射包含其位置和精确到十亿分之一秒的时间的数字无线电信号。卫星导航系统的接收装置接收到来自于四颗卫星的信号，然后计算出在地球上的位置，误差仅为100m左右。接收装置将接收时间与卫星发射的时间进行比较，通过二者之差计算出远离卫星的距离(真空光速定义值：c0=299792458m/s，假如卫星发射时间比接收时间晚千分之一秒，那么接受装置离卫星的距离就为299337.984m)。 通过比较这个时间与其他三个已知位置的卫星的时间，接收装置便能够确定经纬度及海拔高度。由此可见，提高其原子钟的精度对卫星导航质量有不可或缺的作用。 北斗三号已经搭载了国内最先进的新一代铷原子钟，北斗卫星导航系统总设计师杨长风说，新一代铷原子钟天稳定度达到10-14量级，“这相当于300万年只有1秒误差”。 而且，原子钟的准确度在得到保证的同时，还需要兼顾稳定度。这就好比说老板说了我们五点半下班，虽然每次都监视着你加班，但每次都盯到六点，把握得很准，并且不会有上厕所叫外卖的情况。而另外一个部门的经理有时候只盯到五点，有时候又盯到六点半，这都是不可取的。 而北斗三号搭载的原子钟，相较之前的铯原子钟，其稳定性和漂移率等指标都有了极大的提升。虽然功耗上来了，但是保证了更高的精度，付出的努力都是值得的。 星间链路——可靠性与稳定性的突破 卫星导航系统的建设离不开地面基站。地面部分的作用在于观测卫星在轨情况、向导航卫星发布指令及矫正卫星姿态。通过建立基站，我们才能在地面上对卫星进行更好的实时监控。一旦卫星出现故障，更多基站意味着我们能更快对其进行回应并及时处理。这里我们将卫星导航系统在不能应用于导航与定位服务时系统对用户发出警告的能力称为导航系统的完好性。 一般而言，在其他条件类似的情况下，建立的地面基站越多，高轨道卫星越多，其完好性也越大。由于较早起步，GPS在全球已经建立相当规模基站。相比而言，北斗的基站数量少很多。于是，为了加强北斗三号的完好性，我们采用了星间链路的方案。 星间链路的概念并不新鲜，GPS也采用了这一技术，叫做Crosslink。该技术的大概原理是通过卫星间的相互通信，对卫星的运行状态进行实时监控和调整。这就缩减了对地面基站的依赖度，并加强其完好性。通过该技术，GPS星座可以在失去地面支持情况下仍旧维持一段时间的正常运转。 但是GPS的Crosslink采用的是波束角较宽的UHF（Ultra High Frequency）频段。理论上来说，当两个卫星进行通信时，波束角越宽，意味着发送信息的范围就越宽，卫星在发出信息时有更大几率将信息发送给非目标卫星，这样就容易造成信息泄露。而北斗采用Ka星间链路（Ka波段是电磁频谱的微波波段的一部分，Ka波段的频率范围为26.5-40GHz。Ka代表着K的正上方(K-above)，Ka波段大致上的频率范围是30/20GHz。Ka频段具有可用带宽，干扰少，设备体积小的特点。常用于卫星通信），Ka频率高，波束角相对比较小，也就是说能够保证本卫星发出的信号只被想让接收信号的卫星接收，不会发到别的卫星那儿，保密性得到加强。同时，更高的频率也意味着卫星间通信的效率可以更高。所以，北斗三号的性能在未来的发展非常值得世界期待。
北斗三号的新科技采用了哪些新技术？
北斗三号的首批组网卫星(2颗)以“一箭双星”的发射方式顺利升空，它标志着我国开始正式建造“北斗”全球卫星导航系统。其中采用了原子钟、星间链路最新的技术。原子钟——导航系统的心脏 我们都知道，选定一个公认的时刻起点，按照固定的时间间隔累计，这就定义了时间。但问题就在于，这个“固定的间隔”里的“固定”，在不同的时期，人们对它的要求是不一样的。 在1960年以前，人们采用地球自转的间隔作为形成时间的基础，这就是世界时，它满足了当时的需要。后来，人们发现，地球像是喜怒无常的孩子，其自转速度忽快忽慢。最后，一部分科学工作者们不得不抛弃这个并不“固定”的“固定间隔”，因为它只能达到10-7次方的精度，这对于科学研究和进步而言已经是很大的误差了。 这可给科学家出了个难题，既然不能“固定”到底该怎么办？最后，他们想到了一种折中（和稀泥）的办法。 既然对于时间的要求因人而异，那么，我们就创造一种兼有这两种优点的时间尺度好了，于是，一种新的时间尺度——协调世界时（UTC）出现了。 协调世界时的产生要注意两个方面：原子时的秒长和世界时的时刻。如此操作，协调世界时的秒长忠实地反映原子时的秒长，但规定协调世界时与世界时的时刻差保持在0.9秒以内。如果时刻差将要超过0.9秒，就在协调世界时中加上1秒或者减去1秒（即所谓“闰秒”），使用这种方法来缩小两者差距。 导航卫星的原子钟之所以被称为卫星的“心脏”，原因很简单。导航的目的在于定位，定位就需要距离，距离就需要用电磁波的传递时间乘以传递速度。 传递时间的精度把握越高，意味着定位精度越高。每一颗卫星不断发射包含其位置和精确到十亿分之一秒的时间的数字无线电信号。卫星导航系统的接收装置接收到来自于四颗卫星的信号，然后计算出在地球上的位置，误差仅为100m左右。接收装置将接收时间与卫星发射的时间进行比较，通过二者之差计算出远离卫星的距离(真空光速定义值：c0=299792458m/s，假如卫星发射时间比接收时间晚千分之一秒，那么接受装置离卫星的距离就为299337.984m)。 通过比较这个时间与其他三个已知位置的卫星的时间，接收装置便能够确定经纬度及海拔高度。由此可见，提高其原子钟的精度对卫星导航质量有不可或缺的作用。 北斗三号已经搭载了国内最先进的新一代铷原子钟，北斗卫星导航系统总设计师杨长风说，新一代铷原子钟天稳定度达到10-14量级，“这相当于300万年只有1秒误差”。 而且，原子钟的准确度在得到保证的同时，还需要兼顾稳定度。这就好比说老板说了我们五点半下班，虽然每次都监视着你加班，但每次都盯到六点，把握得很准，并且不会有上厕所叫外卖的情况。而另外一个部门的经理有时候只盯到五点，有时候又盯到六点半，这都是不可取的。 而北斗三号搭载的原子钟，相较之前的铯原子钟，其稳定性和漂移率等指标都有了极大的提升。虽然功耗上来了，但是保证了更高的精度，付出的努力都是值得的。 星间链路——可靠性与稳定性的突破 卫星导航系统的建设离不开地面基站。地面部分的作用在于观测卫星在轨情况、向导航卫星发布指令及矫正卫星姿态。通过建立基站，我们才能在地面上对卫星进行更好的实时监控。一旦卫星出现故障，更多基站意味着我们能更快对其进行回应并及时处理。这里我们将卫星导航系统在不能应用于导航与定位服务时系统对用户发出警告的能力称为导航系统的完好性。 一般而言，在其他条件类似的情况下，建立的地面基站越多，高轨道卫星越多，其完好性也越大。由于较早起步，GPS在全球已经建立相当规模基站。相比而言，北斗的基站数量少很多。于是，为了加强北斗三号的完好性，我们采用了星间链路的方案。 星间链路的概念并不新鲜，GPS也采用了这一技术，叫做Crosslink。该技术的大概原理是通过卫星间的相互通信，对卫星的运行状态进行实时监控和调整。这就缩减了对地面基站的依赖度，并加强其完好性。通过该技术，GPS星座可以在失去地面支持情况下仍旧维持一段时间的正常运转。 但是GPS的Crosslink采用的是波束角较宽的UHF（Ultra High Frequency）频段。理论上来说，当两个卫星进行通信时，波束角越宽，意味着发送信息的范围就越宽，卫星在发出信息时有更大几率将信息发送给非目标卫星，这样就容易造成信息泄露。而北斗采用Ka星间链路（Ka波段是电磁频谱的微波波段的一部分，Ka波段的频率范围为26.5-40GHz。Ka代表着K的正上方(K-above)，Ka波段大致上的频率范围是30/20GHz。Ka频段具有可用带宽，干扰少，设备体积小的特点。常用于卫星通信），Ka频率高，波束角相对比较小，也就是说能够保证本卫星发出的信号只被想让接收信号的卫星接收，不会发到别的卫星那儿，保密性得到加强。同时，更高的频率也意味着卫星间通信的效率可以更高。所以，北斗三号的性能在未来的发展非常值得世界期待。
