三十載耕耘，蹚出一條獨具特色的衛(wèi)星導航探索之路
北斗：遠在天外，近在身邊
第五十九、六十顆北斗導航衛(wèi)星在軌示意圖。中國科學院供圖
研制人員正在進行衛(wèi)星總裝工作。中國航天科技集團五院供圖
前不久，我國在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射第五十九、六十顆北斗導航衛(wèi)星。該組衛(wèi)星是我國北斗三號全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)建成開通后發(fā)射的第二組中圓地球軌道衛(wèi)星，也是北斗三號全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)的最后一次發(fā)射。
北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)（以下簡稱“北斗系統(tǒng)”）是我國著眼于國家安全和經(jīng)濟社會發(fā)展需要，自主建設、獨立運行的衛(wèi)星導航系統(tǒng)。經(jīng)過多年發(fā)展，北斗系統(tǒng)已成為面向全球用戶提供全天候、全天時、高精度定位、導航與授時服務的重要新型基礎設施。
從北斗一號、北斗二號到北斗三號，從雙星定位到全球組網(wǎng)，從覆蓋亞太到服務全球，自1994年工程立項，北斗系統(tǒng)已走過波瀾壯闊的30年。
30年來，全體北斗人秉承“自主創(chuàng)新、開放融合、萬眾一心、追求卓越”的新時代北斗精神，踐行“中國的北斗、世界的北斗、一流的北斗”發(fā)展理念，將北斗系統(tǒng)建設成為一張亮麗的“國家名片”。
“不管遇到什么困難，我都會咬牙堅持到最后”
根據(jù)我國導航衛(wèi)星建設規(guī)劃，北斗一號覆蓋國內(nèi)區(qū)域，北斗二號擴大到亞太區(qū)域，北斗三號走向全球。
2020年7月31日，北斗三號全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)正式開通。由我國建成的獨立自主、開放兼容的衛(wèi)星導航系統(tǒng)，從此開啟了高質(zhì)量服務全球、造福人類的嶄新篇章。
回顧創(chuàng)新歷程，北斗三號能夠從區(qū)域走向全球，關(guān)鍵的技術(shù)難點之一，就是高效實現(xiàn)衛(wèi)星之間的測量通信。
為此，我國科研人員大膽創(chuàng)新、獨辟蹊徑，提出星間鏈路技術(shù)。所謂“星間鏈路”，就是衛(wèi)星和衛(wèi)星之間的一條通信線路，是航天器與航天器之間具有數(shù)據(jù)傳輸和測距功能的無線鏈路，基于國內(nèi)布站條件提供全球運行服務。有了這項技術(shù)，即使“看不見”在地球另一面的北斗衛(wèi)星，通過北斗衛(wèi)星的星間鏈路同樣能與它們?nèi)〉寐?lián)系，這是北斗全球?qū)Ш较到y(tǒng)建設的一大特色。
康成斌深度參與了星間鏈路的關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)。這位中國航天科技集團五院通信導航部導航室主任，自2010年參加工作起，就全身心投入北斗系統(tǒng)的研制中。
實現(xiàn)“星連星”“太空架橋”難度極高。康成斌介紹，北斗三號系統(tǒng)中衛(wèi)星與衛(wèi)星的距離最遠達到7萬公里，既要讓遙遙相望的兩顆衛(wèi)星仿佛近在咫尺，又要保證7萬公里距離之間即使發(fā)生厘米級位置變化，都能被第一時間感知和測量，且星座中任意兩顆星都要建立起類似聯(lián)系，“這是一項巨大的技術(shù)跨越”。
“幾乎從零起步，團隊壓力很大。”康成斌說，既要充分論證科學原理的正確性，還要開展不計其數(shù)的試驗驗證。
為了加快突破星間鏈路技術(shù)，不耽誤衛(wèi)星研制整體進度，康成斌和團隊成員們睡在試驗場地，從早到晚、爭分奪秒開展星間鏈路技術(shù)測試。
測試出現(xiàn)問題，康成斌帶領(lǐng)團隊沉著冷靜地推導、測算，直至把所有疑點都查找出來。“不管遇到什么困難，我都會咬牙堅持到最后。”這是支撐康成斌挺過難關(guān)的信念。令他動容的是，其間，多位白發(fā)蒼蒼的總師院士、技術(shù)專家主動來到場地，慷慨相助。
星間鏈路技術(shù)，讓北斗系統(tǒng)實現(xiàn)了“一星通，星星通”。從一片空白、奮力追趕，再到和世界領(lǐng)先的全球?qū)Ш较到y(tǒng)并肩而立，一代代科研人員自立自強、自主創(chuàng)新、拼搏超越，蹚出了一條獨具特色的衛(wèi)星導航探索之路。
“踮起腳尖去夠一夠最好的技術(shù)，才能確保先進性”
北斗系統(tǒng)，匯集了全國400多家單位聯(lián)合攻關(guān)，凝聚了30多萬名科研人員的汗水和智慧。其中，北斗三號的衛(wèi)星研制，由中國航天科技集團五院和中國科學院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院共同擔綱。
北斗三號最后一顆組網(wǎng)星打完后，中國科學院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院研究員、北斗三號衛(wèi)星系統(tǒng)首席總設計師林寶軍收到一條短信，短信中說，“這顆星終于成功了，我們完成了別人認為不可能完成的事情”。
談及創(chuàng)新秘訣，林寶軍給出的答案是“理念創(chuàng)新”。
時間回到2015年3月30日，北斗三號全球系統(tǒng)首發(fā)試驗星成功升空入軌，這是中國科學院抓總研制的第一顆北斗導航衛(wèi)星。這顆試驗星的新技術(shù)超過70%，運行良好。
按照慣例，衛(wèi)星上的新技術(shù)比例一般不超過30%。為什么敢從30%變成70%？
林寶軍說：“關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)一般需要10年，衛(wèi)星的壽命往往在10年以上，到衛(wèi)星運行終結(jié)時，使用的已經(jīng)是20年前的技術(shù)了。因此，理念的創(chuàng)新性和前瞻性就顯得很重要，要勇敢突破一些傳統(tǒng)觀念的條條框框。”在他看來，在有成熟技術(shù)保底的基礎上，“踮起腳尖去夠一夠最好的技術(shù)，才能確保先進性。”
林寶軍將衛(wèi)星上的結(jié)構(gòu)、熱控等10多個分系統(tǒng)合并成電子學、控制、結(jié)構(gòu)、載荷四大功能鏈，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提升了整體可靠性。例如，原來每個分系統(tǒng)都需要計算機，一顆衛(wèi)星上甚至要24臺計算機，通過技術(shù)創(chuàng)新，現(xiàn)在一臺計算機就可以完成整星計算。經(jīng)過反復篩選驗證，團隊選用成熟的元器件和工藝路線，確保創(chuàng)新技術(shù)落地，使衛(wèi)星整體技術(shù)領(lǐng)先。
這期間，有人質(zhì)疑：“我們能不能稍微穩(wěn)當點？”頂住壓力，林寶軍率領(lǐng)這支平均年齡只有31歲的團隊，不舍晝夜，終于研制出了性能優(yōu)異的衛(wèi)星。僅在2018年，團隊就高密度研制發(fā)射了8顆北斗三號中圓地球軌道組網(wǎng)衛(wèi)星，為北斗三號建成基本系統(tǒng)作出了突出貢獻。
據(jù)介紹，北斗系統(tǒng)攻克了一大批關(guān)鍵核心技術(shù)，突破多種器部件國產(chǎn)化研制，實現(xiàn)北斗三號衛(wèi)星核心器部件國產(chǎn)化率100%。
“讓‘衛(wèi)星短信’走進千家萬戶”
龐大精密的北斗系統(tǒng)除了由衛(wèi)星構(gòu)成的空間段，還包括由測控系統(tǒng)、運控系統(tǒng)等構(gòu)成的地面段，以及各類終端及應用系統(tǒng)構(gòu)成的用戶段。
鄭曉冬是中國電子科技集團網(wǎng)絡通信研究院的一名正高級工程師，從事北斗導航地面系統(tǒng)建設20余年，他率領(lǐng)團隊自主研發(fā)出了獨具中國特色的北斗民用短報文通信平臺。
從功能看，其他衛(wèi)星導航系統(tǒng)僅能無源定位，因而用戶只能知道“我在哪”。北斗用戶則不同，不但自己知道“我在哪”，還能告訴別人“我在哪”“在干什么”。當遭遇突發(fā)地震、海上遇險，在其他通信手段失效的情況下，北斗短報文通信可以成為人們傳遞求救信息、拯救生命的關(guān)鍵保障。
鄭曉冬帶領(lǐng)團隊相繼攻克了微弱信號捕獲及跟蹤、高精度同步等多項技術(shù)難題，取得一系列創(chuàng)新突破，使得北斗三號在全面兼容北斗二號系統(tǒng)短報文通信服務的基礎上，信息發(fā)送能力提升到一次1000個漢字，極大提升了短報文系統(tǒng)服務能力，為短報文的規(guī)模化應用奠定基礎。
“讓‘衛(wèi)星短信’走進千家萬戶。”為此，鄭曉冬團隊還創(chuàng)造性提出了將北斗短報文置入智能手機的理念。一臺手機，如何與太空中的衛(wèi)星直接建立連接？
“這需要產(chǎn)品在非常小的體積下還要具備大功率發(fā)射和高靈敏度接收的能力。”鄭曉冬和團隊攻克高靈敏度快速捕獲、射頻基帶一體化設計等核心技術(shù)，研制出全球首款低成本低功耗北斗短報文消費終端芯片。
研發(fā)歷程并非一帆風順。鄭曉冬回憶，有一次團隊聯(lián)合手機廠商搭建手機測試環(huán)境，開展實際測試時，調(diào)試始終不成功，大家非常焦慮。此時，團隊核心成員王曉玲提出了一個想法——對多個城市進行北斗衛(wèi)星信號測試，通過真實的測試數(shù)據(jù)分析問題、優(yōu)化性能。這個思路得到團隊認可，大家克服困難，短短一個月內(nèi)就完成了百余個城市的北斗衛(wèi)星信號測試，依靠這些寶貴的測試數(shù)據(jù)，制定了整體解決方案，解決了所有問題。
“如今，通過將短報文芯片置入手機，使手機能夠在沒有地面移動網(wǎng)絡情況下具備與外界緊急通信的能力，這樣的手機可以廣泛應用在遇險報警、應急救援、災害指揮、海上作業(yè)等場景。”鄭曉冬說。
北斗遠在天外，應用近在身邊。目前，全國已有超過2500處水庫應用北斗短報文通信服務水文監(jiān)測，搭載國產(chǎn)北斗高精度定位芯片的共享單車投放已突破1000萬輛，支持北斗短報文通信功能的手機已發(fā)布。北斗系統(tǒng)正全力賦能各行各業(yè)，成為推動經(jīng)濟社會發(fā)展的時空基石和重要引擎。
根據(jù)中國衛(wèi)星導航系統(tǒng)管理辦公室發(fā)布的規(guī)劃，要在2035年前建成更加泛在、更加融合、更加智能的國家綜合定位導航授時體系。瞄準這個目標，北斗人一直在路上。（記者 劉詩瑤）
（責任編輯：梁艷）
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