大國重器北斗三號是怎樣煉成的
任何一個大國重器的誕生，似乎都避免不了和發(fā)達國家同類產(chǎn)品拼力比試、同臺競爭甚至“掰手腕”的命運，作為要走進尋常百姓家的導航利器，北斗更是如此。11月5日晚，我國最新一代導航衛(wèi)星北斗三號首次發(fā)射后，人們便迫不及待想知道走向全球的中國北斗，究竟能否和GPS一決高下。
這可能也是航天活動不近人情的地方，在最抓眼球的火箭點火、呼嘯蒼穹之后，人們的好奇心大多留給了“火箭發(fā)射有多厲害”“飛天衛(wèi)星有什么用”等問題，至于其背后技術含量、研制人員辛勞程度則鮮有問津。不過，這一點并不完全適用于北斗，因為要真正說清楚它和GPS的區(qū)別，一些技術細節(jié)甚至是技術路線問題是繞不開的。
畢竟，中國北斗比GPS起步晚了20多年，不僅沒能和后者站在同一條起跑線，就是在之后的追趕過程中，也不能說完全躋身到了同一個賽道上。以導航系統(tǒng)的地面站建設為例，美國打造GPS，可以在全世界“布點設站”，而中國囿于種種原因只能在“天上”想辦法，攻堅衛(wèi)星之間、星座之間的鏈路技術。
這正應了人們常說的那句 “既是挑戰(zhàn)，也是機遇”。太空是個大舞臺，在這個舞臺上亮相的各種衛(wèi)星，扮演著生旦凈末丑不同的“角色”，但是無論什么樣的角色，都有其基本功以及獨門手藝，北斗也不例外。中國青年報·中青在線記者就此采訪有關專家，揭秘走向全球的中國北斗究竟是怎樣煉成的。
“大腦”：數(shù)十顆北斗衛(wèi)星“天上漂”如何不擅離職守？
作為北斗三號衛(wèi)星的打造者，中國航天科技集團五院的專家給出過這樣一個比方——
如果把衛(wèi)星類比成人的話，那么衛(wèi)星的控制系統(tǒng)就相當于人的“大腦與神經(jīng)組織”，指揮肢體完成各種工作；衛(wèi)星推進系統(tǒng)相當于人的“肌肉組織”，推動肢體完成各種工作；而能源系統(tǒng)相當于人的“血液循環(huán)組織”，為大腦和肢體提供能量。
而為整個衛(wèi)星提供時間基準、維持時間準確性的守時設備——原子鐘，則相當于人的“心臟”，可謂“沒有原子鐘就沒有全球?qū)Ш?rdquo;。衛(wèi)星之間的鏈路技術，相當于人的“靈魂”，讓人與人遠距離之間也能夠相互感應，彼此惦記，做到“心有靈犀”。
先說“大腦與神經(jīng)組織”。這關乎不少人的一個疑問，即“數(shù)十顆北斗衛(wèi)星同時在天上漂，他們?nèi)绾巫龅讲簧秒x職守？”
答案是，他們非常“自律”，知道自己該待在什么地方。而這種“自律”就得益于被稱作衛(wèi)星“大腦與神經(jīng)組織”的控制系統(tǒng)。
按照中國航天科技集團五院北斗三號副總設計師高益軍的說法，控制系統(tǒng)就是衛(wèi)星在天上保持正確軌道、正確姿態(tài)的“總指揮”，它實時搜集衛(wèi)星的軌道和姿態(tài)信息，一旦發(fā)現(xiàn)有所偏離，就指揮自己回到正常狀態(tài)。
高益軍說，有了這個北斗三號的控制分系統(tǒng)，就相當于增加衛(wèi)星“至少60天”的完全自主運行能力。這意味著，一旦地面測控站出現(xiàn)故障期間，北斗衛(wèi)星仍能夠正常在軌工作。
“這樣大大減少了對地面站的依賴，成就‘可視’范圍外對衛(wèi)星的控制。并大大降低系統(tǒng)的運行管理成本，當然這也給衛(wèi)星控制系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)帶來了很大的難度。”高益軍說。
值得一提的是，此次北斗三號研制任務中，控制系統(tǒng)國產(chǎn)化單機達100%，分系統(tǒng)國產(chǎn)化元器件占90%以上——這是高益軍透露的一組數(shù)據(jù)。他說：“控制系統(tǒng)里沒有一臺進口產(chǎn)品。”
至于衛(wèi)星的“血液循環(huán)組織”，有一個重要的組成部分，名為“二次電源”，它將衛(wèi)星上一次太陽能或電池的電能進行轉(zhuǎn)換，并通過星上線纜網(wǎng)——相當于衛(wèi)星的“血管系統(tǒng)”，輸送到各種電子設備。
按照中國航天科技集團五院510所專家的說法，電子設備有什么樣的口味，他們就有什么樣的“電能菜譜”，讓衛(wèi)星電子設備“大快朵頤”，來完成在太空中的表演。
“心臟”：精確定位的前提是一只“300萬年1秒誤差”的鐘
不少人談及北斗、GPS等衛(wèi)星導航系統(tǒng)，第一個疑問就是“天上的‘星星’是如何‘看到’我們的位置，又怎么能如此精準地‘指引’我們的方向？”
這就不得不提到被稱作衛(wèi)星“心臟”的原子鐘，導航系統(tǒng)幾乎都是依靠它來“掌握”時間的精度。北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)總設計師楊長風說，時間精度就是衛(wèi)星導航的“命門”，天地間時間越同步、誤差越小，定位精度越高。
然而，在北斗導航衛(wèi)星發(fā)展初期，我國并不具備研制生產(chǎn)星載原子鐘的能力。楊長風說，過去，只有少數(shù)國家能夠制造衛(wèi)星導航系統(tǒng)使用的高精度原子鐘，但對我國實行嚴格限制，甚至直接禁運，“這才倒逼我們研制能夠上星的原子鐘”。
直到北斗二號建設時，他國壟斷才被徹底打破。如今，北斗三號建設大幕拉開，我們也迎來了最新一代原子鐘——“銣原子鐘”。
所謂“銣原子鐘”，是以銣原子躍遷為物理基礎建立的一套極度精密的電子設備，簡稱“銣鐘”。其穩(wěn)定度，直接關乎導航衛(wèi)星的定位、測速和授時功能的精度，甚至可以說，直接決定著導航衛(wèi)星的成敗。
楊長風說，北斗三號所配備的銣鐘，其穩(wěn)定度達到E－14量級，“這相當于300萬年只有1秒誤差”。
中國航天科技集團五院北斗三號衛(wèi)星總設計師王平說，這一技術進步，直接推動了我國全球?qū)Ш较到y(tǒng)定位精度，由之前“區(qū)域系統(tǒng)”的10米，跨越到后續(xù)“全球系統(tǒng)”米級分辨率，測速和授時精度同步提高一個量級。
五院原子頻標領域首席專家賀玉玲博士透露，當前，中國航天科技集團五院西安分院正在研制甚高精度銣原子鐘，爭取未來將導航衛(wèi)星的定位精度、授時精度再提高一個量級，屆時，這種追求精度極致的探索，或?qū)有屡d產(chǎn)業(yè)和新興社會應用的出現(xiàn)。
“靈魂”：離“天地之間萬物互聯(lián)”不遠了
當然，只有一顆衛(wèi)星不足以稱之為系統(tǒng)。我們常說的北斗，是中國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的簡稱，不是指一顆衛(wèi)星，以北斗三號這一代為例，按照計劃，要到2020年，完成30多顆組網(wǎng)衛(wèi)星發(fā)射，才能構成全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)，實現(xiàn)所謂的全球服務能力。
另一個容易被忽略的細節(jié)是，除了空間段這30多顆衛(wèi)星，整個北斗系統(tǒng)還包括地面段和用戶段，前者有地面基準站，后者有用戶終端。
這就引出一個問題，即我國很難像GPS那樣，在全球大范圍建立地面站，為解決境外衛(wèi)星的數(shù)據(jù)傳輸通道，似乎只能從“星間鏈路”下手——在衛(wèi)星之間搭建的通信測量鏈路，實現(xiàn)了衛(wèi)星與衛(wèi)星、衛(wèi)星與地面站的鏈路互通。
這就是說，雖然我們“看不見”處在地球另一面的北斗衛(wèi)星，但通過北斗衛(wèi)星的星間鏈路，同樣能和它們?nèi)〉寐?lián)系。
五院西安分院北斗導航副總設計師張立新說，星間鏈路技術就好比讓北斗三號“太空兄弟手拉手”，不僅相互間通信和數(shù)據(jù)傳輸，還能相互測距，自動“保持隊形”，可以減輕地面管理維護壓力。
當然，星間鏈路并非只是“地面站難以大范圍建設”的權宜之計，也是掌握著“主動出擊”“自主導航”的關鍵。
所謂自主導航，就是指“即使地面站全部失效，30多顆北斗導航衛(wèi)星也能通過星間鏈路提供精準定位和授時，地面用戶通過手機等終端仍舊能進行定位及導航”。
張立新說，由于北斗導航衛(wèi)星的地面站較少，地面系統(tǒng)的全球連續(xù)完好性監(jiān)測，和實時告警的時間一般需要“數(shù)十秒到幾小時”，而衛(wèi)星上的直接監(jiān)測預警，僅僅需要幾秒鐘的時間。
在他看來，衛(wèi)星自主完好性監(jiān)測，是北斗三號的一項新技術，相較于美國的GPS、俄羅斯的格洛納斯以及歐洲的伽利略等導航衛(wèi)星系統(tǒng)，中國北斗在世界上首次實現(xiàn)了衛(wèi)星的在軌完好性自主監(jiān)測功能。
此外，北斗三號的星間鏈路系統(tǒng)，還能與其他類型衛(wèi)星相關聯(lián)，聯(lián)網(wǎng)的數(shù)量可達上百顆。張立新說：“這對于構建我國的天基綜合信息網(wǎng)，實現(xiàn)我國衛(wèi)星之間聯(lián)網(wǎng)具有不可小覷的作用。”
他以遙感衛(wèi)星為例，遙感衛(wèi)星對全球的地面進行測繪，但只有衛(wèi)星經(jīng)過國土境內(nèi)時，才能將其收集到的圖片信息傳回地面，而在天基綜合信息網(wǎng)中，遙感衛(wèi)星就能夠以北斗導航衛(wèi)星的星間鏈路為“通道”，實現(xiàn)信息的實時傳輸，互通天地信息。
如此，也就離我們所說的“天地之間萬物互聯(lián)”不遠了。
