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中国北斗耀太空——三代北斗导航卫星的研制之路
来源:经济参考报
编辑:陈旭

▲6月23日,我国北斗三号全球卫星导航系统最后一颗组网卫星在西昌卫星发射中心点火升空。新华社(记者 胡煦劼 摄)

▲在河南省邓州市小杨营镇安众村,加装有北斗导航系统的拖拉机在无人驾驶状态下播种。(记者 冯大鹏 摄)

▲采用北斗航标遥测遥控装置的一艘大型灯船投放在珠江口担杆水道。(记者 田建川 摄)

2020年6月23日,由中国航天科技集团有限公司五院抓总研制的第55颗北斗导航卫星成功发射,北斗三号全球卫星导航系统星座部署全面完成。

中国航天人于20世纪80年代开始探索适合国情的卫星导航系统发展道路,形成了“三步走”发展战略。回首中国北斗自主创新的发展历程,作为北斗导航研制的“国家队”,航天科技集团五院的研制团队汇聚各方力量,同舟共济,携手拼搏,走出了一条独特的探索道路。

北斗是第一个“吃螃蟹”的

早在北斗工程诞生之前,我国就曾在卫星导航领域苦苦摸索,在理论探索和研制实践方面都开展了卓有成效的工作。作为先驱者,立项于20世纪60年代末的“灯塔计划”虽然最终因技术方向转型、财力有限等原因终止,但它却如同黑夜中的一盏明灯,以十余年的设计、研制为五院积累了宝贵的工程经验。

艰难的抉择。1983年,以陈芳允院士为代表的专家学者提出了利用2颗地球同步轨道卫星来测定地面和空中目标的设想,通过大量理论和技术上的研究工作,双星定位系统的概念逐步明晰。接下来的北斗路,是一步跨到全球组网,还是分阶段走?在当时引发了不小的争议。最终,“先区域、后全球”的思路被确定下来,“三步走”的北斗之路由此铺开。

先解决有无。1993年初,五院提出卫星总体方案,初步确定了卫星技术状态和总体技术指标。1994年,北斗一号系统工程立项,五院组建了卫星研制队伍,全面展开研制工作。然而,当时国外对我们技术封锁,国内的部件厂家尚未成熟,北斗一号研制只能在摸索中起步。

据航天科技集团五院北斗一号总设计师范本尧院士回忆,国产化从北斗一号的太阳帆板做起,“当时很多卫星都不敢上,北斗是第一个‘吃螃蟹’的,硬着头皮上”。

之后的国产化攻关更为艰苦,不论是东方红三号平台的横空出世,还是影响长寿命的关键部件,凭借自力更生的创业精神,以李祖洪总指挥、范本尧总设计师等为代表的老一辈北斗人逐一攻克,终于在2003年建成了北斗一号系统,使我国成为继美、俄之后第三个拥有自主卫星导航系统的国家。此间积累的建设和应用实践经验、教训,以及迅速成长的北斗研制队伍,为后续工程建设打下坚实的基础。

汗水与泪水交错中完成北斗二号卫星部署

1999年,五院在全力研制北斗一号卫星的同时,展开了对第二代卫星导航定位系统的论证。2004年,北斗二号卫星工程正式立项研制。为实现快速形成区域导航服务能力的国家战略,以谢军、杨慧等为代表的北斗人设计了国际上首个以GEO/IGSO卫星为主、有源与无源导航多功能服务相融合的卫星方案,攻克了以导航卫星总体技术、高精度星载原子钟等为代表的多项关键技术,打破了国外的技术封锁,建成了国际上首个混合星座区域卫星导航系统。2012年12月,该系统开通服务,服务区覆盖亚太。

谈起北斗二号8年激情燃烧的研制岁月,很多北斗人记忆犹新。2007年正是首颗北斗二号卫星研制攻关的关键时刻。根据国际电联的规则,频率资源是有时限的,过期作废。

时间不等人!争分夺秒完成了前期所有研制,为节省时间,所有参试人员进驻发射场后又大干3天体力活,搬设备、扛机柜、布电缆。没有片刻的喘息,紧接着就是200小时不间断的加电测试。

这一次,院士、型号老总和技术人员一起排班,共同度过次次险情和种种考验。不少队员都因为水土不服而拉肚子、发烧,谢军总设计师晕倒了3次,但大家都带病坚持在岗位上……

2007年4月16日,在成功发射的两天后,北京从飞行试验星获得清晰信号,此时距离空间频率失效仅有不到四个小时。此次壮举,有效地保护了我国卫星导航系统的频率资源,为北斗区域导航系统建设有序推进起到了重要的作用。

和空间频率申报期赛跑、攻克一道道技术难关、三年14星连战连捷……汗水与泪水交错中,研制团队圆满完成了北斗二号卫星部署,2012年12月27日,北斗卫星导航系统正式提供区域服务,北斗系统成为国际卫星导航系统四大服务商之一。

在太空刷新“中国速度”

2000年成功研制我国第一代导航卫星试验系统,2012年成功建成国际上首个混合星座区域卫星导航系统,北斗导航“三步走”战略顺利完成前面两大步,蹄疾而步稳。

就在北斗二号正式提供区域导航定位服务前,北斗三号全球导航系统的论证验证工作拉开序幕,并明确了研制要求,确定了建设独立自主、开放兼容、技术先进、稳定可靠的全球卫星导航系统的发展目标,自此北斗开启了创新发展的新征程。

建设高性能、高可靠的北斗全球卫星导航系统,是我国科技领域中长期发展规划的16项重大专项之一,系统建设既是对北斗区域系统的完善与升级,更是聚焦世界一流卫星导航系统的攀登与跨越。系统建成后性能与GPS相当,将使我国卫星导航系统达到国际先进水平。

相对于北斗二号区域系统,北斗三号服务区域将扩展至全球,同时,实现了下行导航信号升级与改造等关键技术方面的突破,实现了与北斗二号下行导航信号的平稳过渡,并在此基础上增加了新的导航信号,为用户提供更为优质的服务。

站在前两代的肩膀上,北斗“第三步”迈得无比自信。航天科技集团五院的研制团队在谢军、迟军、王平、陈忠贵等专家的带领下,汇聚各方力量,把车间当成战场,把攻关当成战斗,奋勇拼搏,先后攻克了北斗系统的各种难关。

——新突破实现联通无极限。由于我国北斗系统不能像美国GPS那样,在全球建立地面站,为了解决境外卫星的数据传输通道,航天科技集团五院北斗三号研制团队攻克了星座星间链路技术,采取星间、星地传输功能一体化设计,实现了卫星与卫星、卫星与地面站的链路互通,这就是说,虽然“看不见”在地球另一面的北斗卫星,但用北斗卫星的星间链路同样能与它们取得联系。用星间链路技术实现太空兄弟间手拉手,心相通,不仅实现了相互间的通信和数据传输,还能相互测距,自动“保持队形”,可以减轻地面管理维护压力。星间链路技术的应用中,设计了全新的网络协议、管理策略和路由策略,解决了不能全球布站进行卫星境外监测的难题,是北斗全球导航系统建设的一大特色。

——新技术实现卫星长寿命。“北斗是一个开放的系统,中国的北斗,世界的北斗,中国发展卫星导航技术是国民经济的重要基础设施,也是为全人类提供时间坐标和空间坐标的基础设施,服务的连续性和稳定性十分重要”,航天科技集团五院北斗三号卫星总指挥迟军介绍说,就像停水停电影响城市生活一样,卫星导航服务一旦中断,国家和社会的正常运行会受到很大的影响,因此,对卫星导航的可靠性、连续性提出了苛刻设计的要求。为了提高卫星在轨服务的可靠性,北斗三号卫星采取了多项可靠性措施,使卫星的设计寿命达到12年,达到国际导航卫星的先进水平,为北斗系统服务的连续、稳定提供了基础保证。

——新“神器”让服务“零误差”。为了提高服务的精度,北斗三号配置了新一代原子钟,通过提升原子钟指标,提升卫星性能、改善用户体验。原子钟是利用原子跃迁频率稳定的特性保证产生时间的精准性,目前国际上主要有铷原子钟、氢原子钟、铯原子钟等。我国北斗卫星采用铷原子钟,同时还配置了性能更高的新研国产氢原子钟。氢原子钟虽然质量和功耗比铷原子钟大,但稳定性和漂移率等指标更优。相对于铷原子钟,我国起步更晚,2015年我国研制的氢原子钟首次在轨应用验证,为北斗全球导航系统进行了技术探索,至今功能、性能十分稳定。星载氢原子钟的在轨应用,对于实现北斗导航定位“分秒不差”,发挥着重要作用。

自2009年12月,北斗三号研制团队开始加速冲刺,并在2018年成功实现一年19星发射,在太空中再次刷新了“中国速度”,不仅率先提出了国际上首个高中轨道星间链路混合型新体制,形成了具有自主知识产权的星间链路网络协议,自主定轨、时间同步等系统方案,填补了国内空白;而且研发、建立了器部件国产化从研制、验证到应用的一体化体系,彻底打破了核心器部件长期依赖进口、受制于人的局面……今日之北斗,已取得史诗般的进步和成就,“三步走”的战略路径,从“梦想在望”变成“梦想在握”。

未来,到2035年,以北斗系统为核心,建设完善更加泛在、更加融合、更加智能的国家综合定位导航授时体系。

来源:经济参考报(记者 胡喆 庞丹)

 
 
 
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