文/ 遲惑 楊詩瑞

我國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，從建設(shè)之初即瞄準(zhǔn)世界先進(jìn)水平，相比于其他全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，有許多獨(dú)創(chuàng)性的貢獻(xiàn)。下面，讓我們細(xì)數(shù)“北斗”背后的高科技。

▲ 6月23日9時(shí)43分，長(zhǎng)征三號(hào)乙火箭在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射北斗三號(hào)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)最后一顆組網(wǎng)衛(wèi)星 南勇攝

北斗核心部件100%中國造

時(shí)至今日，北斗系統(tǒng)已成為國防安全、經(jīng)濟(jì)建設(shè)、社會(huì)生活中不可或缺的重要組成部分，是國家重大的空間和信息化基礎(chǔ)設(shè)施，是體現(xiàn)現(xiàn)代化大國地位、國家綜合國力與國際競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的重要標(biāo)志。北斗系統(tǒng)緊密聯(lián)系國計(jì)民生，聯(lián)系億萬百姓群眾，為人們和各行業(yè)生產(chǎn)生活提供重要的時(shí)空基準(zhǔn)和導(dǎo)航定位服務(wù)。

北斗系統(tǒng)非常重要，必須把它建好、用好，不斷提高性能、精度和可靠性，更重要的是要保證北斗系統(tǒng)的國產(chǎn)化和自主可控，把技術(shù)牢牢掌握在我們自己手里，這樣出了問題才好解決，才不會(huì)被國外卡脖子。

受制于國外的例子并非沒有。我國早期出資參與歐洲伽利略計(jì)劃，由于各種原因被排擠出財(cái)政和利益分配等核心決策之外，更無法掌握衛(wèi)星導(dǎo)航關(guān)鍵技術(shù)。

“北斗”不能站在巨人的肩膀上，就只能自己成長(zhǎng)為“巨人”。

▲ 整流罩中的第55顆北斗衛(wèi)星 南勇攝

從“北斗一號(hào)”到“北斗三號(hào)”，從雙星定位到三類混合軌道星座，北斗系統(tǒng)迅速成長(zhǎng)?！氨倍贰笨蒲腥藛T用“自主創(chuàng)新、團(tuán)結(jié)協(xié)作、攻堅(jiān)克難、追求卓越”的北斗精神，逐步實(shí)現(xiàn)北斗導(dǎo)航從研發(fā)設(shè)計(jì)到終端接收的全過程自主可控，實(shí)現(xiàn)北斗裝備的自主研制生產(chǎn)，關(guān)鍵材料和器件的自主供應(yīng)，核心能力及重要儀器、設(shè)備、軟件的自主供應(yīng)。

▲ 核心基礎(chǔ)產(chǎn)品形成完整自主產(chǎn)業(yè)鏈

2015年7月，第18、19顆北斗衛(wèi)星進(jìn)入軌道，衛(wèi)星CPU、數(shù)據(jù)總線電路、轉(zhuǎn)換器、存儲(chǔ)器等近40款產(chǎn)品均為國內(nèi)生產(chǎn)。這是我國衛(wèi)星首次成體系、批量地使用國產(chǎn)芯片，是“北斗”自主可控和創(chuàng)新發(fā)展的里程碑。

2018年1月，第26、27顆北斗衛(wèi)星進(jìn)入軌道，衛(wèi)星元器件的國產(chǎn)比例達(dá)90%以上。以國產(chǎn)龍芯CPU建立的衛(wèi)星電子學(xué)系統(tǒng)，代表我國已掌握導(dǎo)航衛(wèi)星的最核心技術(shù)。

除了“中國芯”，“北斗”的操作系統(tǒng)采用了我國自主研發(fā)、擁有完全知識(shí)產(chǎn)權(quán)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)SpaceOS2。它體積迷你、功能強(qiáng)大、可靠性強(qiáng)，能高效管理衛(wèi)星系統(tǒng)的上百項(xiàng)任務(wù)，成為“北斗”強(qiáng)勁的“中國魂”。

“北斗”科研人員探索了一條具有中國特色的重大工程自主可控發(fā)展之路。

在應(yīng)用領(lǐng)域，一方面集中組織研發(fā)北斗芯片、模塊；另一方面通過重點(diǎn)行業(yè)、區(qū)域應(yīng)用示范工程，大力推廣使用自主芯片、模塊、軟件產(chǎn)品，邊建邊用、反復(fù)迭代。通過強(qiáng)化應(yīng)用驗(yàn)證，建立了一整套科學(xué)有效的仿真驗(yàn)證方法和手段，從器件、板卡、單機(jī)和在軌使用等多層次考核北斗元器件的可用性。

在產(chǎn)品質(zhì)量方面，建立比國外的產(chǎn)品更加嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)方法，有效保證了國產(chǎn)化產(chǎn)品的性能質(zhì)量和可靠性。

如今，“北斗”一系列技術(shù)瓶頸被相繼攻克，國產(chǎn)化率提高至“核心部件100%國產(chǎn)化”。

“北斗”建設(shè)發(fā)展既依托于我國科技水平，同時(shí)又牽引著相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展，帶動(dòng)起一批航天產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

在“北斗”的建設(shè)過程中，全國有數(shù)百家科研院所和高校參與。為使產(chǎn)品通過太空環(huán)境的嚴(yán)酷考驗(yàn)，在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造、試驗(yàn)驗(yàn)證等各個(gè)環(huán)節(jié)都設(shè)置嚴(yán)苛的限制條件。

伴隨北斗系統(tǒng)成長(zhǎng)壯大，我國航天產(chǎn)品研制能力迅速提高，相關(guān)成果也為其他型號(hào)的國產(chǎn)化發(fā)揮積極作用。

SoC2012、小型一體化星敏感器用于后續(xù)的“嫦娥”“神舟”“高分”等型號(hào)。

北斗芯片廣泛應(yīng)用到消費(fèi)電子、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域，截至2019年，銷售量突破8000萬片，輸出到全球100多個(gè)國家和地區(qū)。

中國制造的航天裝備性能經(jīng)受住了考驗(yàn)，圓滿完成任務(wù)，“北斗”因此而更加強(qiáng)大。

▲ 金屬銫

▲ 北斗三號(hào)衛(wèi)星采用的更高穩(wěn)定度、更小漂移率的星載銣原子鐘、星載氫原子鐘

自主研制原子鐘

導(dǎo)航衛(wèi)星的核心設(shè)備是什么呢？

我們知道，導(dǎo)航衛(wèi)星的原理就是不斷地向地面播發(fā)導(dǎo)航電文，電文的核心內(nèi)容就是位置坐標(biāo)和相應(yīng)位置的時(shí)間等信息。

當(dāng)然，為了實(shí)現(xiàn)足夠高的精度，導(dǎo)航衛(wèi)星絕不是簡(jiǎn)單地告訴地面上的用戶現(xiàn)在是幾點(diǎn)幾分幾秒，而是要精確到小數(shù)點(diǎn)后很多位。

這就要求衛(wèi)星本身有非常精確的計(jì)時(shí)功能，而這種計(jì)時(shí)功能是由原子鐘來實(shí)現(xiàn)的。

所謂原子鐘就是一種精密測(cè)量設(shè)備，它是利用某種元素原子的能級(jí)躍遷來實(shí)現(xiàn)精確時(shí)間的。

我們知道，原子是由原子核及圍繞它旋轉(zhuǎn)的電子組成的。有些原子擁有相當(dāng)多數(shù)量的電子，分成不同的電子層。原子可以吸收或者釋放電磁能量，但是這種電磁能量是不連續(xù)的。當(dāng)原子從某一個(gè)能量大的層次躍遷到低一點(diǎn)的能量層次時(shí)，它就會(huì)釋放出電磁波。

▲ 北斗技術(shù)人員在工作中

某一種元素的原子，它的能級(jí)躍遷變化頻率是固定的，就像我們彈鋼琴用的節(jié)拍器一樣，只是它的頻率要比節(jié)拍器高多了。

那么如果我們選擇一種合適的原子，觀測(cè)它的電磁能量變化頻率，是不是就可以得到準(zhǔn)確的時(shí)間了呢？事實(shí)證明是這樣的。

上世紀(jì)30年代，美國科學(xué)家拉比在哥倫比亞大學(xué)第一次實(shí)現(xiàn)了用測(cè)量原子核共振頻率的方法來制造時(shí)鐘，他在1944年得到了諾貝爾獎(jiǎng)。

到了1956年，美國科學(xué)家終于生產(chǎn)出了實(shí)用化的原子鐘，它所采用的元素是金屬銫。

銫非?；顫?，只要放到空氣里馬上就會(huì)燃燒起來。銫還非常柔軟，用普通的小刀就能把它切成一塊一塊的。但是銫有一個(gè)很大的優(yōu)點(diǎn)，用它來制作原子鐘非常方便。銫的共振頻率是9192631770赫茲，規(guī)定它的原子核振動(dòng)這么多次所用的時(shí)間就是1秒鐘。

隨著技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，人們還開發(fā)出了用銣、氫元素作為原料的原子鐘，體積越來越小。

目前最先進(jìn)的成果是用金屬鋁來制造原子鐘，精度比前三種原子鐘都高。

在衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)出現(xiàn)之前，全世界的原子鐘需求都沒有多少。但是導(dǎo)航衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展一下子讓它成了緊俏貨。

一般來說，一顆衛(wèi)星只要攜帶一臺(tái)原子鐘就可以了。但是因?yàn)樾l(wèi)星研制發(fā)射和在軌調(diào)試的周期很長(zhǎng)，成本很高，一旦某一顆衛(wèi)星失去了正常工作的原子鐘，就會(huì)給整個(gè)導(dǎo)航系統(tǒng)帶來嚴(yán)重的危害。所以導(dǎo)航衛(wèi)星一般要攜帶3～4臺(tái)原子鐘上天。

北斗導(dǎo)航衛(wèi)星就攜帶了4臺(tái)中國自行研制的高精度原子鐘，其中2臺(tái)工作，2臺(tái)備份。要定期監(jiān)測(cè)這2臺(tái)工作的原子鐘的性能，原子鐘之間還要互相校準(zhǔn)，免得工作的那一臺(tái)發(fā)生了超過設(shè)計(jì)指標(biāo)的誤差。

如今中國的導(dǎo)航衛(wèi)星原子鐘已經(jīng)達(dá)到了世界先進(jìn)水平。

▲ 超低功耗的第三代北斗芯片HD8040

導(dǎo)航神器“行波管放大器”

北斗衛(wèi)星的原子鐘和相關(guān)電路生成了導(dǎo)航電文以后，就要想辦法把它們發(fā)射到地面上去。

但是北斗衛(wèi)星距離地面的垂直距離很遠(yuǎn)，有差不多2萬公里，經(jīng)過這樣長(zhǎng)途的旅行之后，無線電信號(hào)已經(jīng)很微弱了。怎么才能讓用戶接收到功率足夠強(qiáng)大的導(dǎo)航電文呢？這就需要在天上和地上兩個(gè)方向想辦法。

在天上這一頭，就需要盡量加大發(fā)射功率。承擔(dān)這個(gè)任務(wù)的叫做行波管功率放大器。

它實(shí)際上是一個(gè)真空的管子，一頭是陰極，另一頭是陽極。從陰極發(fā)射一束電子通向陽極，在電子運(yùn)動(dòng)的過程中，攜帶有信息的微波信號(hào)被放大，然后發(fā)射出去。

為了實(shí)現(xiàn)和地面之間的通信，幾乎所有的廣播通信衛(wèi)星和導(dǎo)航衛(wèi)星都裝有行波管放大器。

北斗衛(wèi)星的行波管放大器是中國自行研制的。它的設(shè)計(jì)輸出功率可達(dá)到140多瓦，屬于世界先進(jìn)水平。

衛(wèi)星上的行波管放大器和其他所有的星載電子元器件一樣，面臨著苛刻復(fù)雜的工作環(huán)境。

首先，衛(wèi)星上所有部件的尺寸和重量都要斤斤計(jì)較。雖然行波管屬于核心器件，但是衛(wèi)星上留給它的空間也不算大。

另外，用于制造北斗三號(hào)衛(wèi)星的平臺(tái)，雖然擁有數(shù)千瓦的發(fā)電功率，但是考慮到衛(wèi)星本身的姿態(tài)控制、熱控制等都要消耗一部分電，所以能夠提供給行波管的電功率也是有限的。

根據(jù)總體設(shè)計(jì)，需要研制一種功率大于140瓦的行波管放大器。需要注意的是，北斗衛(wèi)星需要在天上工作10年左右，任何元器件發(fā)生損壞，都沒有修理或者更換的可能性，這就要求行波管的壽命和可靠性非常高。

▲ 國產(chǎn)導(dǎo)航芯片向小型化發(fā)展

▲ 超低功耗的第三代北斗芯片HD8040

研制部門為此在設(shè)計(jì)和工藝兩個(gè)方面展開了科研攻關(guān)。科研人員所采取的一種辦法叫做降額措施。他們?yōu)樾胁ü艿年帢O設(shè)計(jì)了非常強(qiáng)的發(fā)射能力，然而在實(shí)際使用中所需要達(dá)到的電流密度卻比這個(gè)發(fā)射能力要低得多，這樣就保證了可靠性。我們可以理解為用一輛很大的汽車運(yùn)送很少的貨物，這樣就肯定不會(huì)出現(xiàn)超載的情況了。

我們?cè)谇懊嬗懻撨^，行波管的內(nèi)部是真空，這樣才能夠保證電子束不受干擾地運(yùn)動(dòng)。一旦漏氣，行波管的工作就會(huì)受到很大影響，甚至于徹底報(bào)廢。

在地面上，如果真空管內(nèi)部進(jìn)了氣體，我們可以把它拆下來換掉，但是在天上就沒有這種可能性了。

在北斗衛(wèi)星的行波管研制生產(chǎn)過程中，引入了超高真空排氣泵，能夠把行波管內(nèi)的真空度控制在10-8帕斯卡。

經(jīng)過精心設(shè)計(jì)，北斗衛(wèi)星的行波管放大器實(shí)現(xiàn)了大于140瓦的輸出功率，總體功耗只有260瓦左右，各方面性能達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求。

▲ 北斗衛(wèi)星手表

小到難以察覺的芯片

最近，國外專業(yè)媒體報(bào)道，北斗芯片已經(jīng)售出了好幾千萬套。但是為什么很多用戶并沒有這樣的感覺呢？實(shí)際上，北斗芯片是融合在我們所使用的終端設(shè)備里的，包括手機(jī)、平板電腦和其他產(chǎn)品當(dāng)中，比如兒童定位手表等。

如果您感興趣，可以用手機(jī)下載一個(gè)導(dǎo)航衛(wèi)星跟蹤軟件，就會(huì)發(fā)現(xiàn)相當(dāng)多國產(chǎn)高端手機(jī)都已經(jīng)開始支持北斗衛(wèi)星了。通過這個(gè)軟件還可以看到手機(jī)上收到了天上多少GPS衛(wèi)星、多少格洛納斯衛(wèi)星和多少北斗衛(wèi)星的信號(hào)。

這一切之所以能夠?qū)崿F(xiàn)，并不僅僅是因?yàn)樘焐嫌行l(wèi)星，也是因?yàn)楸倍沸酒膰a(chǎn)化取得了重大突破。

這里的重大突破有3層含義：首先是解決了有無問題，其次是解決了好壞問題，最后是解決了貴賤問題。

大家都知道，芯片一直是中國現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)當(dāng)中的一個(gè)短板。美國已經(jīng)好幾次打算用芯片作為手段，來強(qiáng)迫中國接受一些不平等的貿(mào)易條件。

北斗領(lǐng)域?qū)@個(gè)問題有很強(qiáng)的前瞻性，早在北斗衛(wèi)星發(fā)射之前，國家有關(guān)部門就把芯片國產(chǎn)化放到了很重要的位置，大力支持國產(chǎn)芯片企業(yè)。

▲ 北斗衛(wèi)星地圖軟件截圖

北斗芯片分為多種類型，包括基帶芯片、射頻芯片等。射頻芯片把衛(wèi)星發(fā)射的無線電波微波信號(hào)變成可以處理的數(shù)據(jù)，基帶芯片把這些數(shù)據(jù)還原成導(dǎo)航電文，然后進(jìn)行計(jì)算，得到位置、速度或者時(shí)間信息。把芯片和相關(guān)的其他電子元器件合在同一塊電路板上，就成為模塊，可以插到相關(guān)電子設(shè)備上，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航、定位、授時(shí)的作用。

這兩種芯片的設(shè)計(jì)和制造難度都很大。實(shí)際上即使在國外，GPS芯片的設(shè)計(jì)和制造也是由幾家公司壟斷的。

北斗行業(yè)經(jīng)過十多年的努力，終于解決了基帶芯片和射頻芯片的設(shè)計(jì)制造問題。目前國內(nèi)有多家企業(yè)具備設(shè)計(jì)與生產(chǎn)能力，而用現(xiàn)成芯片組裝模塊的企業(yè)就更多。

解決了有無的問題后，就要討論好壞問題。

導(dǎo)航芯片和中央處理器一樣，要考察線寬這個(gè)指標(biāo)。線寬越小，芯片的體積和功耗就越小，就能夠用在更小的設(shè)備里。

如果我們只能制造體積很大、耗電很高的芯片，那么至少北斗手表這種產(chǎn)品就不可能出現(xiàn)。所以當(dāng)我們看到小孩子手腕上戴著五顏六色的北斗手表，也意味著我們?cè)谛l(wèi)星導(dǎo)航芯片的小型化方面取得了很大的成績(jī)。

更進(jìn)一步的問題就是貴賤。導(dǎo)航芯片如果太貴，就會(huì)把用戶拒之門外。

根據(jù)國內(nèi)外媒體的綜合報(bào)道，北斗導(dǎo)航模塊，也就是基帶芯片加上射頻芯片，再加上其他電子元器件的集成體，價(jià)格已經(jīng)降低到了幾十元，幾乎每個(gè)人都用得起。

而且，相當(dāng)多手機(jī)芯片——比如高通公司和華為麒麟的芯片——本身就具備處理北斗信號(hào)的能力，省去了單獨(dú)的導(dǎo)航模塊，體積更小，功耗更低，使用起來就更方便了。

因此，我們可以說：我們沒有感覺到北斗導(dǎo)航芯片的存在，實(shí)際上這正是北斗芯片取得成功的標(biāo)志所在，因?yàn)樗呀?jīng)小到人們很難覺察了。