為全球?qū)Ш剑袊?guó)如何做到的？

發(fā)布時(shí)間：2021-12-29作者來(lái)源：金航標(biāo)瀏覽：1562

2020年6月23日

中國(guó)西昌衛(wèi)星發(fā)射中心

長(zhǎng)征火箭搭載著最后一顆北斗組網(wǎng)衛(wèi)星

劃破長(zhǎng)空

（9時(shí)43分，北斗三號(hào)最后一顆全球組網(wǎng)衛(wèi)星發(fā)射升空，攝影師@南勇）

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隨后

衛(wèi)星將到達(dá)距離地表約36000千米的軌道

它的穩(wěn)定運(yùn)行

標(biāo)志著

中國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)全面建成

這是一個(gè)龐大的工程

太空中46顆導(dǎo)航衛(wèi)星

晝夜不停地環(huán)繞在地球周?chē)?/span>

地面上2700多個(gè)基準(zhǔn)站

分布于大江南北

一張“天羅地網(wǎng)”鋪展開(kāi)來(lái)

（北斗“完全體”，包括北斗二號(hào)衛(wèi)星16顆，北斗三號(hào)衛(wèi)星30顆，制圖@鄭伯容/星球研究所）

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這也是一個(gè)艱難的工程

8萬(wàn)多名工作人員

300多家研發(fā)單位

前前后后奮戰(zhàn)20多年

終于夢(mèng)想成真

（20年間，長(zhǎng)征火箭作為北斗衛(wèi)星的唯一運(yùn)載工具，發(fā)射次數(shù)多達(dá)44次，下圖為裝載第39和第40顆北斗衛(wèi)星的長(zhǎng)三乙火箭靜待發(fā)射的場(chǎng)景，攝影師@史悅）

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這更是一個(gè)必需的工程

如今北斗已經(jīng)廣泛應(yīng)用于

電力、金融、通信、交通

農(nóng)業(yè)、測(cè)繪、減災(zāi)救災(zāi)等

生產(chǎn)和生活的方方面面

中國(guó)將徹底擺脫

對(duì)美國(guó)全球定位系統(tǒng)（GPS）的依賴(lài)

（以350公里時(shí)速行駛的京張高鐵，可以實(shí)現(xiàn)從駕駛一次制動(dòng)到停車(chē)的停準(zhǔn)誤差不到10厘米，下圖為跨河而過(guò)的京張高鐵，攝影師@趙斌）

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而且借助北斗

中國(guó)導(dǎo)彈擁有了超高精度的制導(dǎo)能力

[敏感詞]利器愈加鋒利

（2019年10月1日，慶祝中華人民共和國(guó)成立70周年大會(huì)閱兵式中的巨浪-2導(dǎo)彈方隊(duì)，圖片來(lái)源@人民視覺(jué)）

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如今

北斗系統(tǒng)（BDS）已經(jīng)覆蓋全球

與美國(guó)的全球定位系統(tǒng)（GPS）

俄羅斯的格洛納斯系統(tǒng)（GLONASS）

歐盟的伽利略系統(tǒng)（Galileo）

并稱(chēng)全球四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS）

20年磨一劍

中國(guó)是如何做到的？

導(dǎo)航衛(wèi)星的秘密

要想獲取我們的位置

太空中需要布置

至少3顆導(dǎo)航衛(wèi)星

它們不斷地發(fā)射電磁波信號(hào)

我們利用導(dǎo)航設(shè)備接收信號(hào)

信號(hào)在一發(fā)一收之間產(chǎn)生的時(shí)間差

再乘以電磁波的傳播速率（光速）

便可以計(jì)算出我們與衛(wèi)星的距離

只有1顆導(dǎo)航衛(wèi)星時(shí)

以衛(wèi)星為中心

我們與衛(wèi)星的距離為半徑

便得到一個(gè)球面

球面上的任何一點(diǎn)

都可能是我們的位置

（光速約等于3×108m/s，一顆導(dǎo)航衛(wèi)星確定的位置——球面，制圖@鄭伯容/星球研究所）

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若有2顆導(dǎo)航衛(wèi)星

兩個(gè)球面相交得到一個(gè)圓周

圓周上任何一點(diǎn)

都可能是我們的位置

（兩顆導(dǎo)航衛(wèi)星確定的位置——圓周，制圖@鄭伯容/星球研究所）

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若有3顆導(dǎo)航衛(wèi)星

三個(gè)球面相交得到A、B兩個(gè)點(diǎn)

兩點(diǎn)中任何一點(diǎn)

也都可能是我們的位置

（三顆導(dǎo)航衛(wèi)星確定的位置——兩個(gè)點(diǎn)，制圖@鄭伯容/星球研究所）

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而兩點(diǎn)之中

僅有B點(diǎn)位于地表附近

于是便鎖定了我們唯一的位置

（與地表的交點(diǎn)有且只有一個(gè)，制圖@鄭伯容/星球研究所）

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這就是導(dǎo)航衛(wèi)星的秘密

即三球交會(huì)定位原理

實(shí)際上

在測(cè)量時(shí)間的時(shí)候

會(huì)產(chǎn)生各種誤差

為了消除誤差

往往還需要第4顆衛(wèi)星的輔助

同時(shí)為了保證我們隨時(shí)隨地

都能接收到4顆以上的導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)

環(huán)繞地球的衛(wèi)星總數(shù)往往遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于4顆

例如美國(guó)GPS和俄羅斯GLONASS系統(tǒng)

導(dǎo)航衛(wèi)星的數(shù)量都在24顆以上

（GPS系統(tǒng)定位示意，同一點(diǎn)上空的衛(wèi)星多在4顆以上，原圖來(lái)源@維基百科，重制@鄭伯容/星球研究所）

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可是

在上世紀(jì)90年代

想要短期內(nèi)發(fā)射同等數(shù)量的導(dǎo)航衛(wèi)星

對(duì)于航天及導(dǎo)航技術(shù)相對(duì)落后的中國(guó)來(lái)講

幾乎是一個(gè)不可能實(shí)現(xiàn)的夢(mèng)想

能否用最少的衛(wèi)星

實(shí)現(xiàn)定位的目標(biāo)？

蹣跚起步

一個(gè)大膽的方案

橫空出世

陳芳允

“兩彈一星”功勛、[敏感詞]電子學(xué)家

首次提出了由兩顆衛(wèi)星組成的

雙星定位系統(tǒng)

其巧妙之處在于

在地面設(shè)置了一個(gè)“大腦”

即地面控制中心

利用地面控制中心

人們可在地球周?chē)?/span>“虛擬”出一個(gè)球體

并通過(guò)控制中心、衛(wèi)星、用戶(hù)三者之間的交互

計(jì)算得到用戶(hù)的位置

（地面控制中心可以提供用戶(hù)的高程等已知數(shù)據(jù)，且擁有超強(qiáng)的解算能力。雙星定位原理示意，制圖@鄭伯容/星球研究所）

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與此同時(shí)

兩顆衛(wèi)星均位于地球靜止軌道

其軌道高度在35786千米

運(yùn)行周期與地球自轉(zhuǎn)周期保持一致

可始終朝向地球的同一面

保證了全時(shí)段的信號(hào)覆蓋

（地球靜止軌道示意，制圖@鄭伯容/星球研究所）

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從1994年方案獲得正式立項(xiàng)

到2000年兩顆北斗衛(wèi)星成功入軌

歷時(shí)6年多的研發(fā)

北斗雙星的設(shè)想

終于變成了現(xiàn)實(shí)

這便是北斗一號(hào)

它的信號(hào)

基本可以覆蓋中國(guó)全境

（北斗一號(hào)的覆蓋范圍為東經(jīng)70°-145°，北緯5°-55°，制圖@王朝陽(yáng)&鄭伯容/星球研究所）

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用戶(hù)不僅能接收位置信息

還能像“發(fā)短信”一樣主動(dòng)發(fā)送文字消息

這在求救和援助時(shí)尤為關(guān)鍵

而對(duì)于如同“收音機(jī)”般

單向接收數(shù)據(jù)的GPS等系統(tǒng)

這是無(wú)法做到的

（“發(fā)短信”的優(yōu)勢(shì)在于，既能知道自身的位置，也可以告訴他人，這在地震、遠(yuǎn)洋等一些險(xiǎn)境中意義重大，下圖是2008年汶川地震中救援的場(chǎng)景，攝影師@賈君洋）

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這項(xiàng)功能屬于國(guó)際首創(chuàng)

美國(guó)GPS之父帕金森教授

后來(lái)對(duì)此功能贊譽(yù)有加

既能夠知道你在哪里，也能夠知道我在哪里

這是多么美妙的體驗(yàn)

不過(guò)

北斗一號(hào)的缺陷

同樣顯而易見(jiàn)

它的定位精度為20-100米

時(shí)間精度為20-100納秒

與同期GPS的10米和20納秒差距明顯

而且僅支持150個(gè)用戶(hù)同時(shí)在線

與全球覆蓋的目標(biāo)也相差甚遠(yuǎn)

還有

“發(fā)短信”式的交互模式

過(guò)程較為繁瑣、信號(hào)易被攔截

不僅導(dǎo)致定位中存在1秒左右的時(shí)延

還容易暴露自身位置

而對(duì)于高速運(yùn)動(dòng)的飛機(jī)、導(dǎo)彈來(lái)說(shuō)

每1秒都生死攸關(guān)

[敏感詞]行動(dòng)中保密性更是至關(guān)重要

（北斗一號(hào)和GPS系統(tǒng)定位操作對(duì)比，制圖@鄭伯容/星球研究所）

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北斗一號(hào)

盡管性能有些簡(jiǎn)易

但基本解決了我們導(dǎo)航系統(tǒng)從無(wú)到有的問(wèn)題

北斗的夢(mèng)想已經(jīng)在蹣跚中起步

接下來(lái)會(huì)一帆風(fēng)順嗎？

攻堅(jiān)克難

自2010年起

西昌衛(wèi)星發(fā)射中心變得非常熱鬧

在不到3年的時(shí)間里

將有14顆導(dǎo)航衛(wèi)星從這里陸續(xù)發(fā)射升空

2010年發(fā)射5顆

2011年發(fā)射3顆

2012年發(fā)射6顆

（2007年和2009年各有一顆北斗二號(hào)實(shí)驗(yàn)星已經(jīng)發(fā)射升空，下圖是西昌衛(wèi)星發(fā)射中心的兩個(gè)發(fā)射塔架與火箭運(yùn)輸機(jī)車(chē)的同框，攝影師@余明）

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同時(shí)

運(yùn)算和控制等地面配套系統(tǒng)也鋪展開(kāi)來(lái)

衛(wèi)星與地面的調(diào)整測(cè)試也在同步進(jìn)行

2012年底

新系統(tǒng)組網(wǎng)成功

這就是北斗二號(hào)

（北斗二號(hào)系統(tǒng)運(yùn)行示意，制圖@鄭伯容/星球研究所）

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與北斗一號(hào)相比

其覆蓋范圍明顯擴(kuò)大

擴(kuò)大至亞太地區(qū)的大部分區(qū)域

定位精度也從20米提升至10米

時(shí)間精度達(dá)到10納秒

（北斗二號(hào)的覆蓋范圍為東經(jīng)70°-150°，南緯55°-北緯55°，制圖@王朝陽(yáng)&鄭伯容/星球研究所）

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北斗一號(hào)獨(dú)特的通信功能

也被完整繼承了下來(lái)

可在應(yīng)急通訊中幫助更多的人

（2015年4月25日尼泊爾發(fā)生8.1級(jí)地震，救援人員曾借助北斗實(shí)施搜救，下圖為尼泊爾新圖巴尓恰克地區(qū)的震后場(chǎng)景，圖片來(lái)源@人民視覺(jué)）

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然而這樣的升級(jí)

并非一帆風(fēng)順

擋在科學(xué)家面前的是

重重難關(guān)

難關(guān)之一在于

衛(wèi)星如何布局

最適宜導(dǎo)航衛(wèi)星的軌道

是高度約20000千米的

中圓軌道

是實(shí)現(xiàn)全球覆蓋的最優(yōu)選擇

GPS等系統(tǒng)的衛(wèi)星便分布于此

（不同軌道類(lèi)型及衛(wèi)星示意，制圖@陳思琦&陳隨/星球研究所）

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可是

中圓軌道衛(wèi)星

飛越目標(biāo)區(qū)域的時(shí)間較短

這意味著

想要實(shí)現(xiàn)此區(qū)域的穩(wěn)定覆蓋

必須發(fā)射足夠多的衛(wèi)星

然而彼時(shí)

發(fā)射此類(lèi)衛(wèi)星的技術(shù)

在我國(guó)還尚未成熟

倘若全部使用中圓軌道

無(wú)疑是充滿風(fēng)險(xiǎn)

為了短期內(nèi)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)

中國(guó)科學(xué)家另辟蹊徑

首次開(kāi)創(chuàng)了“混搭”的衛(wèi)星布局方式

通過(guò)排兵布陣

14顆衛(wèi)星分布于三種軌道

除了4顆中圓軌道衛(wèi)星外

還有5顆傾斜同步軌道衛(wèi)星

保證信號(hào)對(duì)亞太地區(qū)的長(zhǎng)時(shí)間覆蓋

5顆地球靜止軌道衛(wèi)星

實(shí)現(xiàn)此區(qū)域的全時(shí)段穩(wěn)定覆蓋

（傾斜同步軌道衛(wèi)星的運(yùn)行周期和軌道高度與地球靜止衛(wèi)星相同。把傾斜同步軌道衛(wèi)星用于定位，屬于中國(guó)首創(chuàng)。下圖是北斗二號(hào)系統(tǒng)三種軌道的示意，制圖@鄭伯容/星球研究所）

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難關(guān)之二在于

精度如何提高

電磁波以光速傳播

哪怕存在1納秒的時(shí)間誤差

產(chǎn)生的距離誤差也會(huì)有0.3米

所以衛(wèi)星導(dǎo)航定位的[敏感詞]度

主要取決于衛(wèi)星上的原子鐘精度

以及衛(wèi)星、地面站、用戶(hù)之間的

時(shí)間同步

國(guó)際上通用的星載原子鐘

精度需要達(dá)到10-13

相當(dāng)于每過(guò)10萬(wàn)年才會(huì)產(chǎn)生1秒的誤差

而當(dāng)時(shí)擁有此項(xiàng)技術(shù)的國(guó)家

僅有美國(guó)、俄羅斯和瑞士

（下圖為美國(guó)GPS衛(wèi)星的藝術(shù)想象圖，圖片來(lái)源@NASA）

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北斗一號(hào)所用的原子鐘

便是從瑞士進(jìn)口

但到了北斗二號(hào)時(shí)

引進(jìn)原子鐘的合作卻被迫中斷

所以

北斗二號(hào)要想順利完成

中國(guó)人必須爭(zhēng)分奪秒地

實(shí)現(xiàn)原子鐘的自主研制

（北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的衛(wèi)星與運(yùn)載火箭，分別由中國(guó)航天科技集團(tuán)有限公司所屬的中國(guó)空間技術(shù)研究院和中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院研制生產(chǎn)，下圖為中國(guó)空間技術(shù)研究院的工作人員正在調(diào)試設(shè)備，攝影師@茍秉宸）

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時(shí)間的緊迫性遠(yuǎn)不止于此

難度之三

便是衛(wèi)星

如何按時(shí)發(fā)射

根據(jù)國(guó)際電信聯(lián)盟的規(guī)則

衛(wèi)星運(yùn)行的軌道和信號(hào)頻率

在使用前必須提前申請(qǐng)

且必須在申請(qǐng)通過(guò)后的7年內(nèi)

完成衛(wèi)星發(fā)射入軌和信號(hào)接收

否則相關(guān)資源會(huì)被回收

2000年4月18日

中國(guó)的申請(qǐng)獲得通過(guò)

這意味著在接下來(lái)的7年里

衛(wèi)星以及火箭必須做到萬(wàn)無(wú)一失

（衛(wèi)星與火箭對(duì)接后的整流罩，因廣角拍攝，畫(huà)面的邊緣有拉伸變形，攝影師@南勇）

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科學(xué)家們夜以繼日地

反復(fù)實(shí)驗(yàn)和測(cè)試

7年內(nèi)掌握相關(guān)衛(wèi)星技術(shù)

2年內(nèi)攻克原子鐘的難關(guān)

甚至僅用10多天

完成衛(wèi)星取出、測(cè)試、再到裝回等

一系列復(fù)雜操作

修復(fù)了臨發(fā)射前的突發(fā)故障

（衛(wèi)星的發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)故障，專(zhuān)家們?cè)谧屑?xì)檢查設(shè)備，其中從右邊起第二個(gè)人是北斗一號(hào)和二號(hào)系統(tǒng)的總設(shè)計(jì)師孫家棟院士，攝影師@南勇）

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2007年4月17日晚八點(diǎn)

當(dāng)人們成功接收到信號(hào)時(shí)

距離軌道失效的截止時(shí)間

僅僅只剩下4個(gè)小時(shí)

至此

歷盡磨練、突破技術(shù)封鎖

一個(gè)覆蓋亞太地區(qū)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)就此建成

而距離實(shí)現(xiàn)全球?qū)Ш?/span>

只差最后一步

天羅地網(wǎng)

最后一步

將是一次全方位的升級(jí)

北斗三號(hào)衛(wèi)星

使用壽命從8年增至10年以上

其組成部件

全部實(shí)現(xiàn)中國(guó)造

其中原子鐘性能持續(xù)升級(jí)

精度已經(jīng)達(dá)到1000萬(wàn)年差1秒

此時(shí)火箭技術(shù)

也已不再成為掣肘

一箭雙星的發(fā)射已經(jīng)“爐火純青”

2017年底

發(fā)射1箭2星

2018年

發(fā)射9箭17星

2019年

發(fā)射6箭8星

2020年

發(fā)射3箭3星

不到3年時(shí)間

30顆衛(wèi)星

以前所未有的速率

發(fā)射升空，完成組網(wǎng)

（2020年6月23日，北斗三號(hào)最后一顆全球組網(wǎng)衛(wèi)星發(fā)射升空，攝影師@史悅）

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于是

太空之中

3顆地球靜止軌道衛(wèi)星

分布在赤道正上空

3顆傾斜同步軌道衛(wèi)星

穩(wěn)定覆蓋亞太地區(qū)

24顆中圓軌道衛(wèi)星

則晝夜不停地圍繞地球奔跑

它們共同組成

一個(gè)龐大的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)

懸掛于太空

堪稱(chēng)一張浩大的天網(wǎng)

從此

無(wú)論白天還是黑夜

無(wú)論身處地球的任何角落

人們抬頭便可以看見(jiàn)5-6顆北斗衛(wèi)星

全球覆蓋的目標(biāo)

終于實(shí)現(xiàn)

（北斗三號(hào)系統(tǒng)運(yùn)行示意，制圖@鄭伯容/星球研究所）

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這樣還不夠

當(dāng)衛(wèi)星飛越中國(guó)境外時(shí)

在缺少地面控制指令的的情況下

衛(wèi)星無(wú)法保證在正常軌道運(yùn)行

為此

人們?cè)谛l(wèi)星之間搭建起橋梁

彼此間能進(jìn)行通信和測(cè)距

互相監(jiān)督、自動(dòng)保持隊(duì)形

組成錯(cuò)綜復(fù)雜的

星間鏈路

這大大減少了

系統(tǒng)對(duì)地面站的依賴(lài)

即使地面站點(diǎn)全部失效

北斗系統(tǒng)依然可以通過(guò)星間鏈路

保持自主運(yùn)行長(zhǎng)達(dá)60天之久

（星間鏈路示意，制圖@鄭伯容/星球研究所）

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同時(shí)

中國(guó)境內(nèi)的

地面之上

2700多個(gè)地面參考站點(diǎn)

和數(shù)個(gè)數(shù)據(jù)處理中心

也在中國(guó)大地上鋪展開(kāi)來(lái)

組成一張地面數(shù)據(jù)加工網(wǎng)絡(luò)

即便衛(wèi)星信號(hào)受到

各種地形、建筑物遮擋和反射

也能提供額外的地面信息補(bǔ)充

人稱(chēng)地基增強(qiáng)系統(tǒng)

（北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)包括框架網(wǎng)和區(qū)域加強(qiáng)密度網(wǎng)兩部分，其中框架網(wǎng)基準(zhǔn)站共155個(gè)，區(qū)域加強(qiáng)密度網(wǎng)基準(zhǔn)站超過(guò)2700個(gè)，下圖為框架網(wǎng)站點(diǎn)分布示意，制圖@王朝陽(yáng)&鄭伯容/星球研究所）

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經(jīng)此修正和處理之后

整個(gè)系統(tǒng)的誤差一再減小

精度持續(xù)增加

可以是米級(jí)、分米級(jí)

甚至是厘米級(jí)、毫米級(jí)

可以[敏感詞]到

建立電子圍欄

保證共享單車(chē)停在指定范圍內(nèi)

（湖北省襄陽(yáng)市的一處共享單車(chē)臨時(shí)存放點(diǎn)，圖片來(lái)源@VCG）

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可以[敏感詞]到

閱兵方陣中

各型裝備方隊(duì)等速行進(jìn)

各個(gè)飛行梯隊(duì)米秒不差

距離誤差在正負(fù)10厘米以?xún)?nèi)

（2019年9月23日，國(guó)慶閱兵預(yù)演時(shí)的飛行梯隊(duì)，攝影師@拾城田衛(wèi)濤）

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可以[敏感詞]到

監(jiān)測(cè)大壩、大橋等

工程的外觀變形

（請(qǐng)橫屏觀看，畫(huà)面右下方是中國(guó)第二大水電站溪洛渡水電站。目前已經(jīng)有超過(guò)150個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)安裝于水電站兩側(cè)的邊坡，并且不間斷提供毫米級(jí)精度的數(shù)據(jù)，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)安全隱患，攝影師@柴峻峰）

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