北斗三号总师答疑：中国的北斗，牛在哪儿？

仙仙

作为我国面向全球提供公共服务的重大空间基础设施，北斗系统始终秉承“中国的北斗、世界的北斗、一流的北斗”的发展理念，服务全球，造福人类。那么，中国的北斗，到底牛在哪？


在北斗三号全球卫星导航系统星座部署全面完成之际，记者在西昌卫星发射中心专访北斗三号工程副总设计师、航天科技集团五院北斗三号卫星首席总设计师谢军，请他为我们作权威解答。




发达国家要么不卖，要么价格奇贵


“我在哪里？现在几点了？”


回答这两个再普通不过的问题，首先要有统一的天基时空基准，用户至少接收4颗以上的导航卫星的位置信息，才能计算出准确的位置。这4颗卫星的时间必须准确而同步，而被称为北斗导航卫星“心脏”的原子钟的精度，直接决定了导航定位精度。


星载原子钟精度要求高，技术难度大，曾长期为少数西方发达国家所垄断。由于国外技术封锁，星载原子钟成为北斗系统建设的技术瓶颈。“星载原子钟哪里来？最初，我们也想过购买或引进。”谢军说，“但要么是发达国家不卖给我们，要么是价格贵得我们买不起。”


最终，五院北斗卫星研制团队联合国内多家优势研究机构，历经多年努力，成功突破技术难关，拿出了中国造原子钟。




谢军介绍，在北斗导航卫星研制的牵引下，通过若干年的发展，我国目前原子钟的技术水平已居于世界先进水平，北斗系统原子钟的天稳定度已从10的负13次方提升至10的负15次方，这直接体现了国家重大工程对基础研究的巨大牵引带动作用。


北斗二号自2012年投入运行后，地面监测评估发现国产原子钟的稳定性和漂移率均处于国际一流水平。


在北斗三号卫星上，还搭载了国产星载氢钟。氢钟性能指标超越铷钟，将对提升北斗系统精度和服务质量提供有益助力。在去年发射的北斗地球倾斜同步轨道卫星上，研制团队还搭载了五院510所新研的星载铯钟，产品表现优异，进一步丰富了原子钟品类，显示了我国在该领域技术的长足进步。


“一星通，星星通；一星准，星星准”


北斗三号星座共计30颗卫星，其中24颗地球中圆轨道（MEO）卫星在距离地球2万公里的中圆轨道上，以7天13圈的速度飞行，3颗地球静止轨道（GEO）卫星固定在静止轨道上，3颗倾斜地球同步轨道（IGSO）卫星跳着“8”字舞步，连续稳定地为我国及周边区域提供信号。


“全球组网，全球服务”是北斗三号的目标和承诺，也给北斗团队带来全新的挑战，为了实现全球服务的目标，谢军带领团队花了近5年的时间，提出了星间链路高轨和中轨结合的方案，首创了星间链路和混合星座的架构体系。




该架构涉及星座轨道、计算机网络、通信电子、信号处理等众多学科和专业，技术复杂、攻关难度极大。团队成员克服重重困难，形成了具有自主知识产权的星间链路网络协议和系统方案的设计。“一星通，星星通；一星准，星星准。”谢军介绍，北斗系统创造性地在混合星座间设计了星间链路，星地测量、星间测量保证了每一颗卫星的轨道位置精度大幅度提高。


谢军介绍，目前国际上都在对卫星导航系统星间链路技术进行研究，但只有我国的北斗三号从规划之初就把星间链路纳入建设体系，直接将其作为系统整体运行不可或缺的组成部分。


来自西安卫星测控中心的消息显示，在第55颗北斗导航卫星发射前，西安卫星测控中心已完成29颗已入网工作的北斗三号卫星星间链路测试工作，确保全球组网如期完成。通过测试，北斗三号星间链路系统的稳定性得到进一步验证，各项指标符合全球组网需求。


混合星座 中国独创


在美国GPS、俄罗斯格洛纳斯、欧洲伽利略等纷纷以单一轨道卫星部署星座的背景下，北斗系统独树一帜，提出并建成国际上首个混合星座导航卫星系统。6月16日，随着北斗卫星导航系统第55颗卫星顺利入轨，北斗三号全球卫星系统正式完成“3GEO+3IGSO+24MEO”卫星组成的混合星座工程建设。


通过导航信号体制改进，提高星载原子钟性能和测量精度，建立星间链路等技术，北斗三号实现全球服务、性能提高、业务稳定和与其他系统兼容互操作等目标，成功开展一系列技术创新。


谢军表示，从提供亚太区域服务到提供全球服务，北斗系统特有的混合星座设计，为世界卫星导航事业发展提供了中国方案，从理论到工程实践上都凸显了中国智慧。三轨混合的思路符合未来空间发展方向，包括空间资源融合、通导融合、天地融合等，也显示了中国北斗的技术前瞻性。


北斗系统不仅能提供定位导航授时和位置报告服务，而且能提供短报文通信服务，这是北斗系统特有功能。据中国卫星导航系统管理办公室主任冉承其介绍，北斗三号全面建成后，北斗三号系统将实现全球短报文通信、国际搜救，以及覆盖中国和周边地区的星基增强和精密单点定位服务能力。


北斗三号建成后，中国及周边区域短报文通信信息发送能力从一次120个汉字提升到一次1200个汉字，在通信、电力、金融、测绘交通、渔业、农业、林业等领域，北斗系统应用都将得到进一步拓展。此外，中国北斗不仅注重优化区域用户的短报文通信和位置服务使用体验，还将探索试验全球范围内短报文通信的技术体制。


卫星部件100%国产化


北斗卫星导航系统工程建设初期就制定了关键器部件要自主可控的发展目标。谢军介绍，立足于产品的国产化和自主可控理念，五院已建立器部件国产化从研制、验证到应用一体化体系，打破核心器部件长期依赖进口、受制于人的局面。目前北斗三号卫星部件的国产化率达100%。核心元器件方面，也实现了可替代。


不仅如此，北斗三号的定位精度还居于国际一流水平，可达到水平定位精度优于4米的指标，在我国及周边地区服务水平更优。




随着国家整体实力的提升，卫星研制单位整体技术能力也在北斗等重大航天工程中获得提升，“我们很幸运地抓住了国家和时代给予的良好机遇”。


从北斗一号数年研制一颗星，到北斗二号3年研制15颗星，再到北斗三号1年发射18颗星，从单机产品年交付量百十台套到最高时每年上千台套……北斗工程不仅是技术创新的集成，更是在高密度任务下形成了一整套独具特色的管理制度。


“一枝独秀不是春”，北斗工程发挥国家“集中力量办大事”的显著优势，牵引了300余家单位共同奋斗，带动了一大批“弟兄们”团结协作，形成全国一盘棋、通力协作的大格局。


针对北斗工程时间紧迫、技术复杂、多星多线并举、参研单位众多的特点，在五院的支持下，北斗团队跳出了单星管理模式，开创了组网卫星研发生产组织管理的新模式。


北斗团队声名远扬


1994年，中国第一支北斗团队在五院总体部诞生，开始对中国导航卫星事业的探索。如今，这支团队打出了在世界上颇有影响的中国航天人才名片，获得科学研究领域“影响世界华人大奖”。


如何带好队伍打胜仗？谢军总结了北斗团队的“三个力”，即技术上有创新力，组织上有凝聚力，行动上有执行力。他充满自豪地说：“我们北斗队伍的成员，交代的事情都完成得漂亮，速度快，而且质量不打折扣。”


任务重、压力大，北斗团队倡导一个集体、一个目标，培养团队成员一人胜任多岗位，致力于推进知识分享。


今年3月，受新冠肺炎疫情影响，有些同志受客观条件限制无法按照原定计划赴发射场执行发射任务。这时候，团队依靠坚实的技术基础和人才储备，通过发挥协同作用，让其他同志立刻顶上，确保工作高效执行。




北斗团队编写了一系列培训教材、设计指南与禁忌，优化各类流程、固化技术状态，毫无保留地将以往导航卫星研制过程中积累的经验和教训固化下来，传承下去。


北斗团队充分发扬“自主创新、团结协作、攻坚克难、追求卓越”的北斗精神，心往一处想、劲儿往一处使，共同推动北斗工程一步步稳健地向前迈进。


北斗三号最后一颗地球静止轨道卫星升空，北斗三号“收官之战”圆满落幕，这不是北斗工程的结束，而是一个新的起点。


北斗三号系统建成后，将形成满足我国国民生产建设需要的导航、定位、授时的系统设施。随着应用的发展，北斗系统必将面对更多、更新、更高的需求。


谢军介绍，接下来北斗团队要在确保所有在轨北斗卫星稳定工作、可靠运行提供服务的基础上，按照计划开展备份星的研制工作，同时不断跟踪与研究用户的需求，开展下一代卫星导航系统论证工作和关键技术攻关，开展更加融合、更加泛在、更加智能的以北斗系统为核心的综合导航定位授时体系研究，让北斗系统更精、更广、更强、更智，更好地为构建人类命运共同体服务。（中国航天报记者胡蓝月 刘淮宇）