▲我國成功發(fā)射新一代北斗導(dǎo)航衛(wèi)星

3月31日凌晨，我國第17顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星，同時也是我國首顆新一代北斗導(dǎo)航衛(wèi)星在長征三號丙運載火箭、遠(yuǎn)征一號上面級的接力護送下，準(zhǔn)確進(jìn)入距地面3.6萬公里的傾斜地球同步軌道，標(biāo)志著我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)邁出了區(qū)域運行到全球覆蓋的第一步。

這次衛(wèi)星發(fā)射與以往有何不同？新一代北斗導(dǎo)航衛(wèi)星實現(xiàn)了哪些技術(shù)突破？北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)實現(xiàn)全球組網(wǎng)后，將發(fā)揮什么作用？

新技術(shù)助“新北斗”邁向全球覆蓋

我國首顆新一代北斗導(dǎo)航衛(wèi)星由中國科學(xué)院、上海市政府合作共建的上海微小衛(wèi)星工程中心研制。上海微小衛(wèi)星工程中心主任、北斗系統(tǒng)全球組網(wǎng)首發(fā)星總指揮相里斌介紹，研究人員用不到4年的時間完成該衛(wèi)星的全部研制工作，是中國科學(xué)院承擔(dān)的首顆長壽命、高可靠業(yè)務(wù)星，設(shè)計工作壽命為10年。衛(wèi)星副總設(shè)計師沈?qū)W民表示，該星采用全新導(dǎo)航衛(wèi)星專用平臺，集多項新技術(shù)于一身，將開展新型導(dǎo)航信號體制、星間鏈路等試驗驗證工作，為北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)全球組網(wǎng)建設(shè)提供依據(jù)。

首次實現(xiàn)上面級直接入軌技術(shù)

此次新一代北斗導(dǎo)航衛(wèi)星的發(fā)射，首次在運載火箭上增加了一級獨立飛行器，即遠(yuǎn)征一號上面級。這個被形象地稱為“太空擺渡車”的獨立飛行器，可在太空將一個或多個航天器直接送入不同軌道。這標(biāo)志著我國首次實現(xiàn)上面級直接入軌技術(shù)發(fā)射中高軌衛(wèi)星，意味著我國真正意義上的“太空擺渡車”開始太空之旅。

“以往采用轉(zhuǎn)移軌道發(fā)射，比如探月工程采用直接地月轉(zhuǎn)移軌道，讓衛(wèi)星經(jīng)過幾次變軌再進(jìn)入工作軌道。這次有了遠(yuǎn)征一號上面級，可以直接把衛(wèi)星送入高軌道的工作軌道。”航天科技集團中國運載火箭技術(shù)研究院院長、三甲系列運載火箭總設(shè)計師姜杰介紹，此舉讓衛(wèi)星快速進(jìn)入空間，“經(jīng)過6個小時左右飛行，達(dá)到高度為36000公里的地球靜止軌道。以往達(dá)到相應(yīng)的高度需要數(shù)天。”

按照我國對上面級的發(fā)展規(guī)劃，未來“太空擺渡車”還將在探月、探火等深空探測任務(wù)中，在軌道轉(zhuǎn)移、空間碎片清理等軌道服務(wù)方面，在新材料、新技術(shù)驗證等空間試驗領(lǐng)域大顯身手。

新信號體制帶來更高精度

“導(dǎo)航衛(wèi)星的主要工作是把空間位置信號和時間基準(zhǔn)信號發(fā)到地面供用戶使用?！鄙?qū)W民說，“這兩種信號都是通過無線電傳輸，不同體制的無線電信號，能對時間和位置的精度產(chǎn)生影響?！?/p>

他介紹，美國的GPS、俄羅斯的格洛納斯、歐洲的伽利略導(dǎo)航系統(tǒng)信號體制各不相同，并都在不斷改進(jìn)。隨著北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展，信號體制也在不斷改進(jìn)完善。

在未來一段時期，新老北斗導(dǎo)航衛(wèi)星將在太空中共同運行。沈?qū)W民說，針對這一過渡時期，研究人員在對信號體制進(jìn)行更新的同時，重點考慮了不同版本的兼容性。新的信號體制既能兼容過去的版本，又能帶來更高的性能?！半S著新信號體制、星間鏈路等技術(shù)的應(yīng)用，北斗導(dǎo)航衛(wèi)星的定位精度將進(jìn)一步提升，憑借高性能銣鐘等技術(shù)，其時間精度也將達(dá)到更高水平?！?/p>

中國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)管理辦公室主任冉承其表示，新一代北斗導(dǎo)航衛(wèi)星的定位精度將由此前的10米提升至2.5米左右。

星間鏈路實現(xiàn)“北斗”自主

“前期的導(dǎo)航衛(wèi)星之間沒有導(dǎo)航通信鏈路，從這顆衛(wèi)星開始，北斗導(dǎo)航衛(wèi)星都將具備星間鏈路。”北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)總設(shè)計師楊長風(fēng)介紹，通過星間鏈路，將實現(xiàn)北斗衛(wèi)星全球系統(tǒng)自主導(dǎo)航。

通過星間鏈路可以將多顆衛(wèi)星互聯(lián)在一起，實現(xiàn)衛(wèi)星之間的信息傳輸和交換。

沈?qū)W民表示，目前各導(dǎo)航系統(tǒng)均依賴于地面站支持，如果在自然災(zāi)害、戰(zhàn)爭等情況下地面站被損毀，導(dǎo)航系統(tǒng)就會癱瘓。未來的北斗導(dǎo)航衛(wèi)星將通過星間鏈路實現(xiàn)組網(wǎng)，可在一定程度上擺脫對地面的依賴。在失去地面支持的極端條件下，導(dǎo)航衛(wèi)星能生存相當(dāng)一段時間，用互相測距的方法進(jìn)行定位。在常規(guī)狀態(tài)下，星間鏈路還有助于提高定位精度，使北斗系統(tǒng)的精度水平達(dá)到與GPS相當(dāng)。

▲國內(nèi)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航在手機導(dǎo)航、車載導(dǎo)航等諸多領(lǐng)域已產(chǎn)生廣泛的經(jīng)濟和社會效益

星間鏈路是未來導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)展中的重點研究領(lǐng)域。沈?qū)W民說，我國在該領(lǐng)域的研究并不晚于發(fā)達(dá)國家。此次發(fā)射的北斗導(dǎo)航衛(wèi)星，相比GPS甚至略為超前。他表示，當(dāng)前我國將用新頻段、新方法開展星間鏈路試驗，從地面進(jìn)行驗證，隨著后續(xù)北斗導(dǎo)航衛(wèi)星的發(fā)射，還將驗證其互聯(lián)、組網(wǎng)等。

全新平臺架構(gòu)讓“北斗”減重一半

“此次發(fā)射的北斗導(dǎo)航衛(wèi)星首次采用中科院研發(fā)的導(dǎo)航衛(wèi)星專用平臺。”沈?qū)W民表示，未來我國北斗導(dǎo)航衛(wèi)星的發(fā)射將采取一箭雙星甚至一箭多星方式，這對衛(wèi)星的小型化、輕量化均提出了要求。為此新一代北斗導(dǎo)航衛(wèi)星更換了全新平臺，采用了框架面板式輕量化構(gòu)型設(shè)計。沈?qū)W民表示，“過去的北斗導(dǎo)航衛(wèi)星重約1.6噸，而這顆衛(wèi)星的重量只有其一半左右?！?/p>

同時，該衛(wèi)星還首次使用了多項技術(shù)。

沈?qū)W民說，在過去的衛(wèi)星上，能源、姿控、測控等系統(tǒng)分別由不同計算機管理。此次發(fā)射的衛(wèi)星使用了高功能密度綜合電子體系架構(gòu)，可用一臺計算機實現(xiàn)對所有電子系統(tǒng)的集中控制管理，不僅讓衛(wèi)星更輕更小，可靠性也得到了提升。該衛(wèi)星還使用長壽命的星敏感器，實現(xiàn)了與以往不同的定姿方式。

此外，該衛(wèi)星大量采用國產(chǎn)化部件，最具特點的是中科院計算所自主研發(fā)的通用中央處理器（CPU）“龍芯”和國產(chǎn)化銣原子鐘，整星國產(chǎn)化率達(dá)到95%，后續(xù)星的國產(chǎn)化率將達(dá)100%。

▲預(yù)計到2020年，我國北斗全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)將實現(xiàn)全球區(qū)域覆蓋

產(chǎn)業(yè)應(yīng)用向國際拓展

我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)于2000年底開始向中國及周邊地區(qū)提供服務(wù)，2012年底正式向亞太大部分地區(qū)提供運行服務(wù)。

經(jīng)過近幾年發(fā)展，國內(nèi)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航在交通運輸、海洋漁業(yè)、水文監(jiān)測、氣象預(yù)報、大地測量、智能駕考、救災(zāi)減災(zāi)、手機導(dǎo)航、車載導(dǎo)航等諸多領(lǐng)域，已產(chǎn)生廣泛的經(jīng)濟和社會效益，產(chǎn)業(yè)已初具規(guī)模，形成基礎(chǔ)產(chǎn)品、應(yīng)用終端、系統(tǒng)應(yīng)用和運營服務(wù)等較完整的產(chǎn)業(yè)體系。國產(chǎn)北斗核心芯片、模塊等關(guān)鍵技術(shù)全面突破，性能指標(biāo)與國際同類產(chǎn)品基本相當(dāng)，自主芯片銷量超500萬片，應(yīng)用范圍已由行業(yè)和區(qū)域應(yīng)用擴展到智能手機等大眾電子消費領(lǐng)域?！叭缧酒漠a(chǎn)能、價格與國外已在同一檔次，原來幾百元一片的芯片，現(xiàn)在降到20元一片。”楊長風(fēng)認(rèn)為，北斗要進(jìn)一步產(chǎn)業(yè)化，一方面需要國家政策牽引、推動，另一方面還需要通過市場手段降低成本，形成規(guī)模效益，這是未來北斗系統(tǒng)能和GPS導(dǎo)航產(chǎn)品競爭的關(guān)鍵。

楊長風(fēng)說，目前國家有關(guān)部門及地方正在聯(lián)合建設(shè)北斗地基增強系統(tǒng)，為我國提供廣域米級/分米級實時導(dǎo)航定位服務(wù)以及區(qū)域厘米級實時定位服務(wù)，打造北斗系統(tǒng)特色化、區(qū)域優(yōu)勢服務(wù)。

北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的國際應(yīng)用也在不斷開拓。目前北斗導(dǎo)航系統(tǒng)通過兩種途徑參與國際合作。一方面是積極推動北斗系統(tǒng)進(jìn)入國際民航、國際海事、移動通信等國際組織；另一方面是積極推動北斗系統(tǒng)服務(wù)國際社會，比如以“東盟行”、“亞太行”的方式幫助東南亞地區(qū)一些國家進(jìn)行衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用的方案設(shè)計，在當(dāng)?shù)赝茝V普及北斗產(chǎn)品、建設(shè)地基增強系統(tǒng)。

伴隨北斗全球組網(wǎng)衛(wèi)星發(fā)射，北斗導(dǎo)航系統(tǒng)國際化進(jìn)程也在提速。在“東盟行”活動中，北斗國際演示系統(tǒng)發(fā)揮了重大作用，使東盟用戶直觀地感受到北斗的高精度應(yīng)用效果。該系統(tǒng)由北京合眾思壯科技股份有限公司搭建，可演示北斗高精度應(yīng)用、北斗監(jiān)控應(yīng)用、北斗授時應(yīng)用和北斗星圖，并設(shè)計了迷宮游戲進(jìn)行直觀演示。

該系統(tǒng)已于2014年6月交付泰國GISTDA（科技部測繪部門）并指導(dǎo)GISTDA人員使用，目前部署在泰國SKP產(chǎn)業(yè)園，用于北斗衛(wèi)星的演示、教育、推廣等活動。據(jù)了解，我國將在泰國、馬來西亞等國建立更多演示中心以推廣北斗高精度定位服務(wù)。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正按照“三步走”的發(fā)展戰(zhàn)略穩(wěn)步推進(jìn)，預(yù)計到2020年，我國將建成由5顆地球靜止軌道和30顆地球非靜止軌道衛(wèi)星組網(wǎng)而成的北斗全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，實現(xiàn)全球區(qū)域覆蓋。而根據(jù)《國家衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)中長期發(fā)展規(guī)劃》，到2020年，我國衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)規(guī)模將超過4000億元，北斗貢獻(xiàn)率將達(dá)到60%。（本刊綜合）