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出现在高考数学试卷的“北斗三号”!究竟牛在哪里?

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今年6月,北斗三号全球卫星导航系统(以下简称“北斗三号”)、测量珠穆朗玛峰高程的方法、北京冬奥会、“一带一路”知识竞赛等与科技、社会发展相关的元素进入了全国高考数学试题中,引发网友广泛关注。

很多人不禁好奇:为什么北斗三号会进入高考考卷?北斗三号究竟牛在哪里?

北斗三号,中国“智”造

北斗三号卫星上有160多项技术创新,实现了核心部件国产化率100%。北斗三号由24颗中圆地球轨道、3颗地球静止轨道和3颗倾斜地球同步轨道,共30颗卫星组成。2020年6月23日,北斗三号最后一颗组网卫星发射,标志着北斗全球导航系统全部组网完成,正式进入稳定运行阶段。

上世纪九十年代,我国启动北斗系统研制之时,就制定好了三步走发展战略。第一步,从2000年到2003年,建成由3颗卫星组成的北斗卫星导航试验系统,成为世界上第三个拥有自主卫星导航系统的国家。第二步,建设北斗卫星导航系统,于2012年前形成我国及周边地区的覆盖能力。“北斗三号”正是第三步,形成全球覆盖能力。

混合星座,全球导航系统建设新范式

传统全球导航需要部署24颗卫星,高度约为21500公里,自西向东绕地球转动,大概12小时转一圈。地球的自转周期是24小时,因此卫星的转动速度比地球快,并非同步卫星。

“北斗三号”系统独树一帜,使用“混合星座构型”,建成包括24颗中圆轨道卫星、3颗地球静止轨道卫星和3颗倾斜地球同步轨道卫星的全球系统。

那到底什么是地球静止轨道卫星,什么是倾斜地球同步轨道卫星呢?地球静止轨道卫星的高度约36000千米,轨道倾角为0度,相对地球静止,当我们站在赤道上的时候,卫星就悬挂在我们头顶的正上方。但当我们站在北半球看,它就像挂在南边的天空一样,地球静止轨道卫星虽然单星覆盖区域较大,但是因为高纬度地区看着是倾斜的,所以高纬度导航精度较差。

因此,解决高纬度地区导航精度的问题,就需要倾斜地球同步轨道卫星来帮忙了。倾斜地球同步轨道卫星和地球静止轨道卫星的轨道高度以及运行周期是完全一致的,不同的是,它的轨道倾斜角度是55度。所以卫星的运行轨迹在赤道南北来回移动,这样就弥补了地球静止轨道卫星“斜挂东南枝”的不足了。使用“混搭组合”,北斗系统用最少卫星数量实现最好覆盖效果,为全球导航系统建设提供了全新范式。

北斗系统,让生活更便利

未来,导航卫星会像今天的互联网一样,变成一种基础设施,任何地方都离不开它。一旦成为基础设施,导航卫星对于一个国的安全稳定起到至关重要的作用。

虽然现在基于北斗导航芯片的价格较高,但是随着中国科技的发展和北斗的普及,成本将会有所下降。中国科学技发展今非昔比,北斗系统只是一个开始,属于中国的星辰大海,已经来临。(高慧)

指导老师:中国传媒大学副教授于晗

专家:中国传媒大学信号与信息处理专业副研究员 余心乐

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