來源：科學(xué)大院微信公眾號(hào)

　　作者：石碧舟（中國(guó)科學(xué)院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院）

　　2015年3月30日，首顆新一代北斗導(dǎo)航衛(wèi)星（北斗導(dǎo)航第17顆衛(wèi)星）在西昌衛(wèi)星發(fā)射基地成功發(fā)射，從這顆衛(wèi)星開始，北斗衛(wèi)星都將具備星間鏈路，使得各種衛(wèi)星可以在太空中實(shí)現(xiàn)無障礙實(shí)時(shí)通信，可以隨時(shí)進(jìn)行“太空對(duì)話”。

　　北斗二號(hào)：“十年之前，我不認(rèn)識(shí)你，你不屬于我。

　　北斗三號(hào)：“十年之后，我們是朋友，還可以問候。

　　什么是星間鏈路

　　何為星間鏈路？星間鏈路是指衛(wèi)星之間建立的通信鏈路，可以將多顆衛(wèi)星互聯(lián)在一起組成衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，衛(wèi)星與衛(wèi)星之間以電磁波方式實(shí)現(xiàn)的信息共享、具有數(shù)據(jù)傳輸和測(cè)距功能的無線鏈路。北斗衛(wèi)星的星間鏈路主要用于實(shí)現(xiàn)北斗衛(wèi)星之間的信息傳輸和雙向測(cè)量。

　　目前，世界上其他導(dǎo)航系統(tǒng)都在研究“星間鏈路”技術(shù)，且各具特色，如美國(guó)GPS的UHF頻段低速寬波束星間鏈路、俄羅斯格洛納斯導(dǎo)航系統(tǒng)的S頻段低速寬波束星間鏈路、我國(guó)的Ka頻段相控陣中速星間鏈路。

　　不能沒有你

　　通過星間鏈路，將實(shí)現(xiàn)北斗衛(wèi)星全球系統(tǒng)自主運(yùn)行，提高測(cè)定軌和授時(shí)精度，提升注入頻度，并減少對(duì)地面布站的依賴，有效降低系統(tǒng)的運(yùn)行管理成本。導(dǎo)航衛(wèi)星的管理與維護(hù)需要地面站的支持與配合，用戶的定位精度依賴于地面站對(duì)衛(wèi)星位置和衛(wèi)星時(shí)的精確測(cè)定，并注入到衛(wèi)星向用戶廣播。

　　例如，美國(guó)的軍事基地遍布全球，GPS地面站可以在全球選擇最佳的位置，實(shí)現(xiàn)全天候無縫覆蓋，測(cè)定軌精度高，注入頻度高。主控站在美國(guó)本土科羅拉多，注入站三個(gè)：阿森松島、迪戈加西亞島、夸賈林島，監(jiān)控站5個(gè)（科羅拉多、阿森松島、迪戈加西亞島、夸賈林島、夏威夷島）。

　　相對(duì)于GPS和伽利略，中國(guó)的北斗更加依賴星間鏈路。

　　出于安全等因素的考慮，我國(guó)只在國(guó)內(nèi)進(jìn)行了地面站建設(shè)，那么衛(wèi)星運(yùn)行到地面站無法觀測(cè)的地方時(shí)，北斗導(dǎo)航衛(wèi)星是如何工作的呢？答案是我們有星間鏈路。每顆衛(wèi)星可以扮演“路由器”，不用全球建站也能通過境內(nèi)星對(duì)境外星進(jìn)行管理。

　　萬一發(fā)生戰(zhàn)爭(zhēng)，地面站被破壞、被干擾了怎么辦？沒關(guān)系，有了星間鏈路，我們北斗衛(wèi)星可以自力更生、自給自足，在無地面支撐的情況下進(jìn)入自主運(yùn)行模式，繼續(xù)提供高精度的導(dǎo)航、定位、授時(shí)服務(wù)。

　　全天候+多面手！

　　和平時(shí)期，星間鏈路提供的高精度星間/星地觀測(cè)，可以彌補(bǔ)我國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)監(jiān)測(cè)站區(qū)域布設(shè)缺陷，管理境外衛(wèi)星，提高注入頻度，提高系統(tǒng)綜合服務(wù)性能。

　　研究表明，一個(gè)地面站錨固星地鏈路與星間鏈路數(shù)據(jù)定軌，除了軌道面沿跡方向精度稍差外，軌道徑向和法向于地面6個(gè)L波段監(jiān)測(cè)站定軌精度相當(dāng)。星間鏈路數(shù)據(jù)與L波段數(shù)據(jù)聯(lián)合定軌能夠改善L波段定軌精度。

　　特殊時(shí)期，在地面站被摧毀、干擾等極端情況下，北斗衛(wèi)星系統(tǒng)可以借助星間鏈路實(shí)現(xiàn)自主運(yùn)行，無地面支持情況下可在60天內(nèi)的高精度導(dǎo)航、定位和授時(shí)服務(wù)。

　　星間鏈路在為北斗系統(tǒng)提供服務(wù)的同時(shí)還有兼職：給飛船、導(dǎo)彈等飛行器提供通信和測(cè)控等支持。

　　中國(guó)星間鏈路的黑科技

　　中國(guó)的星間鏈路系統(tǒng)，已經(jīng)進(jìn)入“智能手機(jī)”時(shí)代，代表著下一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)技術(shù)趨勢(shì)。

　　最出色的性能有：

　　1、中國(guó)的星間鏈路系統(tǒng)，7萬公里測(cè)距精度達(dá)到厘米級(jí)，相當(dāng)于能看清幾十公里外的一根頭發(fā)絲，測(cè)量精度高于GPS。

　　2、中國(guó)的星間鏈路系統(tǒng)，就像“手機(jī)通話”，一個(gè)房子里幾個(gè)人用，互不干擾，而GPS的星間鏈路，卻是“大眾廣播”，相互干擾，一條線路工作，別的線路必須靜默。

　　根據(jù)多普勒效應(yīng)：物體輻射的電磁波頻率因?yàn)椴ㄔ春陀^測(cè)者的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生變化，物體速度越快，則接收頻率的誤差越大，多普勒頻移會(huì)影響通信性能。

　　因此消除或降低多普勒頻移對(duì)無線通信的影響，是高速運(yùn)動(dòng)中進(jìn)行無線通信必須解決的問題，而星間鏈路需要在極短的時(shí)間內(nèi)完成高動(dòng)態(tài)信號(hào)的快速捕獲跟蹤。

　　高鐵的速度最大350KM/h，約為100m/s，而衛(wèi)星相對(duì)速度可達(dá)5000m/s。北斗星間鏈路可以在100ms的時(shí)間內(nèi)完成極高速下的捕獲、跟蹤等一系列復(fù)雜的信號(hào)處理，完成星間鏈路的高速建立和切換。

　　以中國(guó)為例，地理上距離中國(guó)最遠(yuǎn)的國(guó)家是阿根廷，中國(guó)北京到阿根廷布宜諾斯艾利斯的距離約為2萬2千公里，而兩顆衛(wèi)星在太空中最遠(yuǎn)距離為7萬公里。

　　這7萬公里是世界上最遙遠(yuǎn)的距離，卻也是最近的距離。兩顆衛(wèi)星相隔7萬公里，卻始終知道彼此在哪里，衛(wèi)星位置預(yù)報(bào)的精度可以達(dá)到米級(jí)。這個(gè)精度相當(dāng)于在中國(guó)準(zhǔn)確的擊中位于阿根廷的一個(gè)人體大小的靶子，這哪里是百步穿楊，簡(jiǎn)直是百步穿針啊。

　　衛(wèi)星的能源全靠?jī)蓧K小小的太陽能電池帆板提供，作為能源受限的系統(tǒng)，要求發(fā)射的功率越小越好，而兩顆衛(wèi)星的距離又如此之遠(yuǎn)，經(jīng)過漫長(zhǎng)的太空漫步后，電磁波信號(hào)早已被淹沒在茫茫噪聲中。

　　我們的星間鏈路需要接收的信號(hào)功率有多低呢？簡(jiǎn)單來說，相當(dāng)于我們手機(jī)接收的信號(hào)功率的10億分之1。狡猾的敵人無處不在，總會(huì)在明里暗里使壞，星間鏈路自有對(duì)策，在干擾信號(hào)的強(qiáng)度是有用信號(hào)10萬倍的情況下依然可以自在地工作。

　　完全由我國(guó)自主研發(fā)的星間鏈路可以從如此低的信號(hào)功率中快速捕捉到7萬公里外一閃而過的衛(wèi)星信號(hào)。通過星間鏈路，中國(guó)的北斗衛(wèi)星在茫茫太空中高速飛行時(shí)可以快速地完成一次握手，握手以后兩顆衛(wèi)星的信息交換完成，星間距離精確測(cè)定，對(duì)7萬公里的距離測(cè)量精度可以達(dá)到1厘米。

　　除了已經(jīng)驗(yàn)證成功的Ka星間鏈路，我們還有激光星間鏈路，這將是一條星間高速公路，請(qǐng)各位看官拭目以待。

　　2018年1月12日7時(shí)18分，由中國(guó)科學(xué)院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院研制的第二十六、二十七顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射，在星間鏈路的“助攻”下，北斗三號(hào)工程全球組網(wǎng)，提供系統(tǒng)服務(wù)的日子又近了一步！