在浩瀚的星海中,分布着四大全球定位系统,分别是GLONASS(俄罗斯的杰作)、GPS(的代表)、BDS(的北斗)、以及Galileo(欧洲的卫星导航系统)。北斗导航系统和Galileo卫星导航系统的部分卫星,都穿梭在地球的中轨道上,其高度或为19,100km、20,200km、21,500km,亦或是23,222km。
提及GPS,其独特之处在于其六个轨道面,且只需24颗卫星便足以构成最基本的定位网络。这一数目确保了全球各地在任何时刻都能至少捕捉到四颗卫星的信号。这四颗卫星的数据,通过解算四个方程,便可得出空间三维坐标和时间四个变量。这24颗卫星在六个轨道面上均匀分布,每个轨道面承载四颗卫星。值得一提的是,GPS系统的接收机采用无源定位方式,无需发送信号,只需接收即可。
北斗导航系统的工作原理与GPS相似,但其为何需要35颗卫星呢?理论上,24颗卫星便能提供与GPS相似的无源定位服务。实际中北斗与伽利略系统均采用了更多的地球中轨道卫星,共计27颗。这其中,一部分原因是因为它们的轨道稍高,需要更多的卫星来确保与接收机之间的距离不会过远;另一关键因素在于其独特的轨道布局。北斗的轨道面仅有三个,每个轨道面部署九颗卫星,且这些轨道面之间以120°的间隔均匀分布。这种布局使得北斗比GPS多出三个卫星。那么剩下的八颗卫星又是如何处理的呢?
这一切关乎大型工程项目的规划与执行。初期的二十七颗卫星发射是一个长期的过程,覆盖全境便需大约二十颗卫星。从发射第一颗到最后一颗,时间跨度可能长达十年之久。而早期发射的卫星寿命有限,仅为八年。在所有二十七颗卫星准备就绪之前,老的卫星逐渐失效,若按常规方式,将造成巨大的资源浪费,且系统将长时间无法完全投入使用。
为了解决这一问题,北斗系统巧妙地采用了倾斜同步轨道卫星方案。这些卫星的高度与地球同步卫星相似,绕地球一周需时24小时。但它们的轨道并不完全位于赤道上,而是与地球赤道面存在一定夹角。这些卫星的轨迹形状类似日行线,与经线平行且呈现出一个八字的形状。尽管它们不能完全与地面保持静止状态,但在的大部分地区仍可观察到它们,因此大大提高了系统的即时可用性。
北斗系统除了无源接收机功能外,还具备有源接收机(接收机主动发送信号给卫星)和收发短报文(即卫星短信)两大特色功能。因此需要额外五颗地球同步轨道卫星来支持这些高级功能。这五颗卫星也支持无源定位方式。虽然GPS的24颗卫星可以满足基本的定位需求,但北斗的30颗(或35颗)卫星确保了定位更为精确、可靠。
纵观全局,全球定位系统的成功构建并非易事。每一种系统都有其独特之处和挑战所在。而北斗导航系统的不断优化与创新,无疑为全球用户带来了更为精准、可靠的定位服务。