《中國經(jīng)濟周刊》 記者 賈璇| 上海報道
“天上建好,地上用好”,是北斗系統(tǒng)的口號。
時至今日,北斗系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于國家經(jīng)濟社會發(fā)展各行業(yè)領(lǐng)域,助力各行業(yè)轉(zhuǎn)型升級、提質(zhì)增效,產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。
2020 年,在北斗三號全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正式開通后,《中國經(jīng)濟周刊》記者專訪了北斗三號衛(wèi)星系統(tǒng)總設(shè)計師、中科院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院副院長林寶軍,聽這位“北斗狂人”親身講述北斗的“世界領(lǐng)先”是如何煉成的。
時隔三年,如今北斗衛(wèi)星運行效果怎樣?下一階段的任務(wù)是什么?近日,《中國經(jīng)濟周刊》再次對話林寶軍,探尋答案。
世界四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)分別為美國的全球定位系統(tǒng)(GPS)、俄羅斯的格洛納斯定位系統(tǒng)(GLONASS)、歐洲的伽利略衛(wèi)星定位系統(tǒng)(Galileo)和中國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)。
“這四大導(dǎo)航系統(tǒng)里,原來北斗的目標(biāo)是爭二保三。但現(xiàn)在來看,北斗系統(tǒng)運行效果超出預(yù)期,整體核心指標(biāo)已經(jīng)超過GPS,是世界一流的?!绷謱氒娂拥卣f。
他回憶道,一次調(diào)研中當(dāng)他向別人說出同樣答案時,對方震驚地質(zhì)疑:“GPS 是美國航天三個里程碑式成果之一,你們才干十幾年,是不是一些指標(biāo)在特定的情況下比別人好,就說成是超過別人了?”
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林寶軍堅定地回答“不是”。
導(dǎo)航系統(tǒng)中,用于計量時頻(時間和頻率統(tǒng)稱為時頻)的精密儀器——星載原子鐘,可謂衛(wèi)星的“心臟”,也是技術(shù)制高點。它的每一次跳動都直接決定著衛(wèi)星定位、測速和授時功能的精度。某種程度上,誰的原子鐘做得更好,誰的導(dǎo)航系統(tǒng)就做得更好。
曾經(jīng),在北斗二號系統(tǒng)研制初期,星載原子鐘在國內(nèi)尚屬技術(shù)空白,想從國外引進,卻被好幾家廠商以“保密”為由,一口回絕。
“北斗之父”、中國科學(xué)院院士孫家棟說:“我們再也不能對進口產(chǎn)品存在依賴性了。星載原子鐘必須下決心自己搞,就是砸鍋賣鐵也要做出自己的品牌。”
如今,北斗三號組網(wǎng)星裝上了“中國心”,還“豪橫”地采用了“一星兩鐘”,即同時配置兩個氫鐘和兩個銣鐘。林寶軍詳解:“我們發(fā)明并采用原子鐘無縫切換技術(shù)——讓氫鐘和銣鐘同時工作,一旦任何一方出現(xiàn)問題,立刻切換至另一方,切換時相位誤差僅為20 皮秒(1 皮秒等于一萬億分之一秒),用戶毫無感覺?!?/p>
《中國經(jīng)濟周刊》首席攝影記者 肖翊I 攝
對于這項技術(shù)優(yōu)勢,三年前,林寶軍說:“北斗衛(wèi)星的精度比美國GPS 導(dǎo)航系統(tǒng)高約10 倍,每300 萬年才會差一秒?!?/p>
經(jīng)過三年的在軌驗證,他給出更加確定的回答——“在時頻精度上,北斗衛(wèi)星比GPS 高出近一個量級”。
此外,為了使北斗從區(qū)域走向全球,北斗系統(tǒng)全球首創(chuàng)突破了Ka 頻段這種測量型的星間鏈路技術(shù)。這項技術(shù)使我們所有北斗衛(wèi)星連成一個大網(wǎng),每顆星之間可以“通話”,可以測距,一星通、星星通,使衛(wèi)星定位的精度大幅度提高。
據(jù)介紹,導(dǎo)航衛(wèi)星不同于其他功能衛(wèi)星,精準度高度依賴實時的測運控。測運控可簡單理解為,對運行中的導(dǎo)航衛(wèi)星進行跟蹤、測量和控制,并負責(zé)整個衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的運行控制。
我國國土資源有限,很多衛(wèi)星無法實時進行監(jiān)測,精度就無從保證。通過Ka 相控陣星間鏈路技術(shù),讓能看到的星和看不到的星進行通話和傳輸。
“一開始所有人都認為,這種解決方案只是個研究方向,連美國人都還沒做出來,中國人不可能做出來。事實證明,我們不僅做出來了,而且這種基于國內(nèi)測站實現(xiàn)全球星座運營的創(chuàng)新方式,還是穩(wěn)定可信、世界領(lǐng)先的?!绷謱氒娬f。
CPU 芯片是衛(wèi)星最為核心的元器件之一,北斗三號首次采用了國產(chǎn)龍芯。“實際在天上工作時,原本用的進口芯片大概一周會出現(xiàn)一次單粒子事件(空間高能粒子的影響,把芯片中的二進制數(shù)1 打成0、0 打成1),但龍芯在軌累計工作逾46 萬小時,單粒子翻轉(zhuǎn)為0,保證了北斗系統(tǒng)的超高穩(wěn)定性?!?/p>
除了運行連續(xù)穩(wěn)定可靠,北斗系統(tǒng)的功能也更強大。
據(jù)介紹,除具備其他三大導(dǎo)航系統(tǒng)都有的定位功能外,北斗三號還提供6項特色服務(wù),即全球短報文、區(qū)域短報文、星基增強、地基增強、搜救服務(wù)和精密單點定位,性能方面達到“人無我有、人有我優(yōu)”。
一般來說,對衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)而言,可見星的數(shù)量和好的幾何特性決定著定位的精確性。
從星座構(gòu)成來講,GPS、格洛納斯和伽利略均采用中軌道地球衛(wèi)星,衛(wèi)星軌道距離地球表面約20000 千米;北斗系統(tǒng)則采用低中高軌道結(jié)合的組網(wǎng)方式,除有24 顆中軌道地球衛(wèi)星外,還有6 顆距離地表約36000 千米的高軌道地球衛(wèi)星。
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《中國經(jīng)濟周刊》首席攝影記者 肖翊I 攝
《中國經(jīng)濟周刊》首席攝影記者 肖翊I 攝
“高軌道衛(wèi)星的參與,讓中國及周邊地區(qū)北斗系統(tǒng)的可見星數(shù)更多,定位更快、精度更高,尤其在低緯度地區(qū),特別在高樓林立的城市中,其性能優(yōu)勢更為明顯。”林寶軍說。
他以自己在上海辦公室測試的可見星為例?!爱?dāng)時接收到20 顆北斗衛(wèi)星,十二三顆GPS 衛(wèi)星,八九顆格洛納斯衛(wèi)星。現(xiàn)在大部分智能手機兼容四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),收集的所有信號共同解算位置,北斗的可見星多,就是北斗系統(tǒng)在起主要作用,特別是在國內(nèi)?!?/p>
近期,北斗系統(tǒng)的高軌星座再添新成員。
2023 年5 月17 日10 時49 分,我國在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心用長征三號乙運載火箭,成功發(fā)射第56 顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星。該衛(wèi)星屬地球靜止軌道衛(wèi)星,是2020 年北斗三號全球組網(wǎng)以來發(fā)射的首顆,也是唯一一顆高軌備份衛(wèi)星。入軌并完成在軌測試后,將接入北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。
該衛(wèi)星將增強系統(tǒng)的可用性和穩(wěn)健性,提升系統(tǒng)現(xiàn)有區(qū)域短報文通信容量三分之一,還有助于用戶實現(xiàn)快速高精度定位。
然而,首顆備份星的發(fā)射,也讓一些質(zhì)疑聲音出現(xiàn):“發(fā)備份星是因為組網(wǎng)星出了問題?”
對此,林寶軍給出明確回應(yīng)。一般來說,一年發(fā)2~3 顆備份星是行業(yè)慣例。北斗三號組網(wǎng)星的設(shè)計壽命為10年,在軌期間表現(xiàn)很好。備用星是在軌待命,組網(wǎng)星并未出現(xiàn)任何問題。
他還用早期發(fā)射的北斗導(dǎo)航試驗衛(wèi)星為例,進一步證明北斗衛(wèi)星的超高性能?!?015 年3 月30 日發(fā)射的首顆新一代北斗導(dǎo)航衛(wèi)星,設(shè)計壽命是3~5 年,目前在軌運行8 年,功能一切正常?,F(xiàn)在該星承載更多科學(xué)實驗,屬于超期服役?!绷謱氒娬f。
據(jù)介紹,最新“入列”的第56 顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星,采用更高處理能力的國產(chǎn)化核心處理器件,采用更優(yōu)越的抗空間環(huán)境設(shè)計,進行了一些信號播發(fā)性能的提升。
林寶軍透露,除了這顆備份星,我國后續(xù)還計劃發(fā)射中圓地球軌道(即MEO 衛(wèi)星,是北斗全球組網(wǎng)的主力)的備份星,進一步提升和優(yōu)化北斗系統(tǒng)的穩(wěn)健性。
目前中國北斗的服務(wù)空間是地表到地表以上數(shù)千公里的范圍。對于下一代北斗的建設(shè)發(fā)展,中國北斗人早在北斗三號系統(tǒng)開通服務(wù)時,便錨定了目標(biāo)。
2020 年8 月3 日,國務(wù)院新聞辦舉行的新聞發(fā)布會上,中國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)管理辦公室主任、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)新聞發(fā)言人冉承其表示,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(dǎo)航授時體系(PNT 體系)。綜合定位導(dǎo)航授時體系是國家綜合定位、導(dǎo)航、授時的一個時空信息領(lǐng)域的體系化構(gòu)建。它以衛(wèi)星導(dǎo)航為核心和基礎(chǔ),并融合現(xiàn)有各種各樣創(chuàng)新技術(shù)。特點是更安全、更高性能、更可靠。
簡單來講,PNT 體系就是陸??仗煲惑w、室內(nèi)室外無縫銜接、安全可靠、便捷實用的全方位的導(dǎo)航定位體系。
在林寶軍看來,實現(xiàn)目標(biāo)要“有擔(dān)當(dāng),真創(chuàng)新,謀跨越”。
“航天領(lǐng)域有個傳統(tǒng),一個航天器上采用的新技術(shù)不超過30%,但我們團隊研發(fā)的衛(wèi)星采用了100 多項自主研發(fā)的關(guān)鍵技術(shù),幾乎70%都是新的?!彼寡裕?dāng)初提出要采用如此高比例的創(chuàng)新技術(shù)時,很多人都認為無法實現(xiàn),甚至覺得如此大膽的嘗試近乎瘋狂,他還被人稱為“北斗狂人”。
在林寶軍看來,難突破的不僅是技術(shù),還有固有觀念?!昂芏嗄陙恚蠹叶颊J為進口的東西更保險。我們團隊認為只要理論行得通、驗證充分,國產(chǎn)不等于不可靠。三年的實踐也證明,自主創(chuàng)新經(jīng)得起考驗”。
秉持“真創(chuàng)新”的原則,他及團隊已經(jīng)在北斗三號衛(wèi)星上實現(xiàn)了多項“超前”布局的功能,“衛(wèi)星在軌程序重構(gòu)”就是其中一項。
據(jù)介紹,這項技術(shù)可實現(xiàn)將地面編好的程序上傳到星上,讓衛(wèi)星在軌升級內(nèi)部程序。做到不重新發(fā)新衛(wèi)星,就能擁有“新”衛(wèi)星。