朋友圈看动态都过时啦！北斗卫星之间都流行新黑科技

　　来源：科学大院微信公众号

　　作者：石碧舟（中国科学院微小卫星创新研究院）

　　2015年3月30日，首颗新一代北斗导航卫星（北斗导航第17颗卫星）在西昌卫星发射基地成功发射，从这颗卫星开始，北斗卫星都将具备星间链路，使得各种卫星可以在太空中实现无障碍实时通信，可以随时进行“太空对话”。

　　北斗二号：“十年之前，我不认识你，你不属于我。



　　北斗三号：“十年之后，我们是朋友，还可以问候。



　　什么是星间链路

　　何为星间链路？星间链路是指卫星之间建立的通信链路，可以将多颗卫星互联在一起组成卫星网络，卫星与卫星之间以电磁波方式实现的信息共享、具有数据传输和测距功能的无线链路。北斗卫星的星间链路主要用于实现北斗卫星之间的信息传输和双向测量。

　　目前，世界上其他导航系统都在研究“星间链路”技术，且各具特色，如美国GPS的UHF频段低速宽波束星间链路、俄罗斯格洛纳斯导航系统的S频段低速宽波束星间链路、我国的Ka频段相控阵中速星间链路。

　　不能没有你

　　通过星间链路，将实现北斗卫星全球系统自主运行，提高测定轨和授时精度，提升注入频度，并减少对地面布站的依赖，有效降低系统的运行管理成本。导航卫星的管理与维护需要地面站的支持与配合，用户的定位精度依赖于地面站对卫星位置和卫星时的精确测定，并注入到卫星向用户广播。

　　例如，美国的军事基地遍布全球，GPS地面站可以在全球选择最佳的位置，实现全天候无缝覆盖，测定轨精度高，注入频度高。主控站在美国本土科罗拉多，注入站三个：阿森松岛、迪戈加西亚岛、夸贾林岛，监控站5个（科罗拉多、阿森松岛、迪戈加西亚岛、夸贾林岛、夏威夷岛）。

　　相对于GPS和伽利略，中国的北斗更加依赖星间链路。

　　出于安全等因素的考虑，我国只在国内进行了地面站建设，那么卫星运行到地面站无法观测的地方时，北斗导航卫星是如何工作的呢？答案是我们有星间链路。每颗卫星可以扮演“路由器”，不用全球建站也能通过境内星对境外星进行管理。



　　万一发生战争，地面站被破坏、被干扰了怎么办？没关系，有了星间链路，我们北斗卫星可以自力更生、自给自足，在无地面支撑的情况下进入自主运行模式，继续提供高精度的导航、定位、授时服务。



　　全天候+多面手！

　　和平时期，星间链路提供的高精度星间/星地观测，可以弥补我国北斗卫星导航系统监测站区域布设缺陷，管理境外卫星，提高注入频度，提高系统综合服务性能。

　　研究表明，一个地面站锚固星地链路与星间链路数据定轨，除了轨道面沿迹方向精度稍差外，轨道径向和法向于地面6个L波段监测站定轨精度相当。星间链路数据与L波段数据联合定轨能够改善L波段定轨精度。

　　特殊时期，在地面站被摧毁、干扰等极端情况下，北斗卫星系统可以借助星间链路实现自主运行，无地面支持情况下可在60天内的高精度导航、定位和授时服务。

　　星间链路在为北斗系统提供服务的同时还有兼职：给飞船、导弹等飞行器提供通信和测控等支持。



　　中国星间链路的黑科技

　　中国的星间链路系统，已经进入“智能手机”时代，代表着下一代卫星导航系统技术趋势。

　　最出色的性能有：

　　1、中国的星间链路系统，7万公里测距精度达到厘米级，相当于能看清几十公里外的一根头发丝，测量精度高于GPS。

　　2、中国的星间链路系统，就像“手机通话”，一个房子里几个人用，互不干扰，而GPS的星间链路，却是“大众广播”，相互干扰，一条线路工作，别的线路必须静默。

　　根据多普勒效应：物体辐射的电磁波频率因为波源和观测者的相对运动而产生变化，物体速度越快，则接收频率的误差越大，多普勒频移会影响通信性能。

　　因此消除或降低多普勒频移对无线通信的影响，是高速运动中进行无线通信必须解决的问题，而星间链路需要在极短的时间内完成高动态信号的快速捕获跟踪。

　　高铁的速度最大350KM/h，约为100m/s，而卫星相对速度可达5000m/s。北斗星间链路可以在100ms的时间内完成极高速下的捕获、跟踪等一系列复杂的信号处理，完成星间链路的高速建立和切换。

　　以中国为例，地理上距离中国最远的国家是阿根廷，中国北京到阿根廷布宜诺斯艾利斯的距离约为2万2千公里，而两颗卫星在太空中最远距离为7万公里。

　　这7万公里是世界上最遥远的距离，却也是最近的距离。两颗卫星相隔7万公里，却始终知道彼此在哪里，卫星位置预报的精度可以达到米级。这个精度相当于在中国准确的击中位于阿根廷的一个人体大小的靶子，这哪里是百步穿杨，简直是百步穿针啊。



　　卫星的能源全靠两块小小的太阳能电池帆板提供，作为能源受限的系统，要求发射的功率越小越好，而两颗卫星的距离又如此之远，经过漫长的太空漫步后，电磁波信号早已被淹没在茫茫噪声中。

　　我们的星间链路需要接收的信号功率有多低呢？简单来说，相当于我们手机接收的信号功率的10亿分之1。狡猾的敌人无处不在，总会在明里暗里使坏，星间链路自有对策，在干扰信号的强度是有用信号10万倍的情况下依然可以自在地工作。



　　完全由我国自主研发的星间链路可以从如此低的信号功率中快速捕捉到7万公里外一闪而过的卫星信号。通过星间链路，中国的北斗卫星在茫茫太空中高速飞行时可以快速地完成一次握手，握手以后两颗卫星的信息交换完成，星间距离精确测定，对7万公里的距离测量精度可以达到1厘米。

　　除了已经验证成功的Ka星间链路，我们还有激光星间链路，这将是一条星间高速公路，请各位看官拭目以待。

　　2018年1月12日7时18分，由中国科学院微小卫星创新研究院研制的第二十六、二十七颗北斗导航卫星在西昌卫星发射中心成功发射，在星间链路的“助攻”下，北斗三号工程全球组网，提供系统服务的日子又近了一步！