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北斗,争当天上最亮的“星”

来源:人民日报2022-10-31 08:50

  2020年6月23日9时43分,西昌卫星发射中心发射场“轰”的一声巨响,一枚 “长三乙”运载火箭冉冉升起,将北斗卫星导航系统第五十五颗卫星,也是北斗三号最后一颗全球组网卫星送上太空。至此,北斗三号全球卫星导航系统星座部署全面完成,比原计划提前半年。

  完美收官,星耀全球。北斗卫星导航系统终于迈入全球时代!

  为了这一天,北斗人奋斗了二十六年。为了这一天,国家组织千军万马,北斗人克服千难万险、历经千辛万苦。现在,北斗终于开始走进千家万户、造福千秋万代。听到这个消息,北斗人所有的艰辛与付出,都化作了欣慰:“这辈子能参与北斗卫星导航系统建设,是人生的幸运与幸福!”

  北斗卫星导航系统模型。新华社记者 林善传摄

  2020年6月23日,我国北斗三号全球卫星导航系统最后一颗组网卫星在西昌卫星发射中心点火升空。新华社记者 江宏景摄

  一

  2015年3月30日晚,一枚“长三丙”运载火箭划破西昌卫星发射中心沉寂的夜色,带着美丽的尾焰直刺星光闪烁的夜空,将肩负北斗全球卫星导航系统重大核心关键技术试验任务的第十七颗北斗卫星送入预定轨道。

  “太阳能帆板顺利打开”的消息传来,发射指挥大厅里一片欢腾,记者们开始现场采访。一名记者走到时任北斗卫星导航系统总设计师助理、工程总体室主任的郭树人面前。

  “北斗二号启动已经满十年了,这十年,您最大的欣慰是什么?”记者问道。

  郭树人答道:“通过不计其数的计算、论证设计出的方案,终于得到肯定,取得统一意见。”

  在科研工作中,常常会有不同的意见和看法。郭树人作为工程总体室主任,主要任务之一就是通过积极协调,统一大家的意见。

  建设北斗卫星导航系统,需要在太空布设数十颗北斗卫星。首先需要解决的问题,就是这些卫星采用什么样的星座结构。

  GPS导航卫星全部采用距离地球两万千米左右的中地球轨道卫星(MEO)。但北斗卫星星座设计团队带头人许其凤带领团队对其覆盖性、性价比、管理模式进行细致分析、深入测算后,发现它根本不适合北斗二号区域卫星导航系统。团队根据北斗导航“三步走”战略特点,通过缜密推演、细致计算,在国际上首次将距离地球三万六千千米的地球静止轨道卫星(GEO)、倾斜地球同步轨道卫星(IGSO)运用于卫星导航,设计了世界上第一个“GEO+IGSO+MEO”混合星座。

  郭树人带领总体团队,通过计算、论证,认为混合星座对亚太地区覆盖率高,投入性价比高,建设速度快,技术风险小,而且见效快、易管理,完全符合区域系统特点,并能够给未来的全球系统建设准备广阔空间。

  但这一创举与用户部门、研制部门的意见大相径庭,遭到不少反对。

  为了统一内部意见,北斗卫星导航工程领导小组和总设计师系统(以下简称北斗“两总”)把各系统专家召集到航天城协作楼,进行集中讨论。大会小会不下百次,郭树人也先后一百多次上台解答各种疑问,大家依然存在分歧。

  各系统专家大多是各科技领域的名家,其中不少是“两院”院士。而郭树人当年只有三十多岁,是年轻后辈,他带着团队大会解惑、小会释疑、个别沟通。一次不行,两次;两次不行,三次;三次不行,四次……不厌其烦、反反复复从各个角度用客观的数据回答各种疑问,终于使大家基本接受了“混合星座”方案。

  郭树人说:“大家都是为北斗好。每个人看问题的角度不同,我的任务就是把大家的意见统一起来。”

  “GEO+IGSO+MEO”混合星座是中国首创,被外国学者称为“中国星座”。

  事实证明,“GEO+IGSO+MEO”混合星座非常适合北斗卫星导航系统特点,为北斗导航确保“中国特色”、跻身世界一流奠定了坚实基础。

  二

  星座模式好不容易确定下来,寻找北斗卫星向地面发射信号的频率又遭遇“寒冬”。

  太空茫茫,无边无际,但它并不是一片任人类信马由缰、肆意驰骋的无边草原,而是一条条“狭路”。比如卫星导航频率,可供人类使用的无线电频谱非常有限,而且其中绝大部分已被航天强国抢占。

  北斗二号2004年立项时,只有一段频率可用于导航卫星通信。中国北斗、欧盟伽利略同时申报了该段频率使用权。按照国际电信联盟规则,谁先把卫星发射升空并在地面收到卫星信号,谁就能优先使用该频率。国际电信联盟同时规定,自申报之日起,必须在七年内使用频率,逾期视为自动放弃。

  这时,欧盟伽利略卫星导航已经进入卫星发射阶段,而北斗的申报时间已经过去四年。这意味着三年内中国必须把北斗卫星发射升空,并抢在欧盟伽利略之前在地面收到卫星发回的信号,北斗卫星导航建设才能赢得主动权。否则,北斗卫星导航建设将处处受制于人,甚至面临夭折的风险。

  能否打赢这场频率争夺战,关键在于能否尽快研制出北斗卫星。而这时,进口核心关键技术设备星载铷钟谈判又宣告失败。

  铷钟作为导航卫星的频率基准,直接决定着导航卫星定位、测距、授时的精度,是整个导航卫星的“心脏”。

  北斗“两总”紧急布局国产星载铷钟研制,组建研制团队,对星载铷钟这个卫星导航领域的技术制高点发起了顽强的攻势。

  在铷钟研制过程中,中国空间技术研究院时频基准类产品首席专家贺玉玲和她的团队功不可没。

  曾有铷钟研究领域的前辈说过:“铷钟的研制是一项耗费生命的事业。”这不仅指它的难度,还指研制它需要花费的时间。就拿铷钟稳定指标的测试来说,要得到一次测量值,需要连续监测十六天,这期间任何异常都会影响测试指标。贺玉玲每天上班第一件事及下班最后一件事,一定是去实验室看测试数据,认真检查各个遥测数据、检查各个仪器设备的运行情况、维护钟房的稳定运行。星载铷钟的精度相对于地面产品提升了约三个量级,这就决定了必须充分考虑各个部组件的细微差异,通过整机的精细调整使产品性能最优。整机每调试一个参数,都需要放到真空罐里测试较长时间才能看到结果。铷钟研制队伍里的人常说:“我把这个调完再走,这样明天就能看到数据了。”但等到调完、测好、再多观察一会儿,走出楼门时早已夜深。

  为让“慢性子”的星载铷钟研制跑出快节奏、高效率,他们只能“以百米冲刺的速度跑完一个马拉松”。

  连续九个月,团队全体成员平均加班八百多个小时,没有休息一天。他们提前一年拿出星载铷钟正样产品。

  这是中国航天史上的第一个高性能星载铷钟!

  核心关键技术突破后,北斗卫星研制顺风顺水,很快研制完成。

  2007年4月14日4时11分,随着指挥员一声“点火”命令,托举北斗二号首星的“长三甲”运载火箭,在惊天动地的轰隆声中,孔雀开屏般绽放出美丽的尾焰,扶摇直上,飞向苍穹,渐渐融入黎明前漆黑的夜色……

  4月17日20时,十多台地面接收机相继收到太空传过来的卫星信号,而且非常清晰!

  这一刻,离“七年期限”截止时间只有四小时!

  中国北斗成功占据最后一段卫星导航频率使用主动权,标志着中国北斗卫星导航建设终于突出重围,完全摆脱了受制于人的被动局面。

  在此后五年多时间里,北斗人先后将十六颗北斗导航卫星送上蓝天。

  2012年12月27日,中国向世界宣告:北斗二号正式向亚太地区开通运行服务!

  三

  北斗二号胜利开通后,北斗人立刻向北斗三号进军。有人为中国北斗的前途担心:覆盖国土的北斗一号和覆盖亚太地区的北斗二号,对于中国来说不成问题,但覆盖全球的北斗三号就有些麻烦了。

  北斗卫星导航从覆盖亚太到覆盖全球这一步,的确太难走!

  作为全球卫星导航系统,不仅需要在太空布设数十颗卫星,同时要在地球上各个地区建设众多的地面站点。如GPS,就在全球各地建了众多地面站。但中国难以在全球布设站点,建不成“地网”。这是北斗卫星导航由区域向全球拓展面临的首要亦是最大障碍。

  不能在世界各地建设地面站点,北斗全球系统就不建了吗?

  北斗人通过艰苦探索,开创性设计出无须在亚太以外地区建设地面站点的星间链路方案。星间链路是航天器与航天器、航天器与地面站之间具有数据传输和测距功能的无线链路。即在星星之间、星地之间,织成一个“天罗地网”。

  信息天路串并联,从此天堑变通途。

  星间链路,是典型的中国特色、北斗绝技!

  但星间链路工程实现难度非常大:不仅测量距离、信息传输量增加了一个数量级,而且卫星以每秒七八公里的速度运行,要相互对准难度本来就很大,相隔几万公里的卫星之间要实现厘米级距离测量,更是难上加难。

  为此,国内多个优势单位集成攻关,其中就有某研究院空间仪器工程团队。

  接到任务安排后,空间仪器工程团队的郭熙业风尘仆仆地前往成都中电集团某研究所,开始投身星间链路攻坚战。

  攻关难度超常,而完成任务还不能超时。郭熙业给自己定下了一个雷打不动的规矩:每周工作七天,每天十六个小时;攻关遇到问题,不解决不下班;工作时间手机关机。而实际情况是,几乎每天都会遇到难题,几乎每月要熬十个通宵。

  郭熙业的项目攻关完成一个阶段后,上级前来检查。看了他们的星间链路模拟演示后,孙家栋总设计师说:“你们要继续加强攻关,把一个个未知难题搞清楚,并进行充分验证,确保在工程建设中好用、管用。”

  孙家栋总设计师对他们前期工作的充分肯定和鼓励,让这个三十出头的小伙子感到万分激动,也更加信心十足。

  星间链路设备比测开始了。参加比测的几家单位,都拿出自己精心生产调试的设备进行对抗式演示。让郭熙业没想到的是,第一场比测,他们竟然输了!

  怎么会这样?郭熙业连续一周几乎不眠不休,仔细梳理系统设计方案,检测每个设备的技术状态,终于找到问题的症结所在。至于如何解决问题,他面临两种选择:一是在原方案上打补丁,堵住漏洞,提升设备性能;二是推翻原有方案,另起炉灶,设计新的算法。前者实现容易,但性能提升空间有限;后者前景广阔,但推倒重来需要耗时半年,而距离下一场比测只有一个月时间!

  郭熙业毫不犹豫地选择了后者,用一个月干完了原本需要半年才能完成的任务。

  第二场比测,郭熙业的设备研制团队反败为胜,而且设备性能指标大幅跃升。

  但郭熙业没有松劲,他带领团队继续加班加点,完善改进设备,在第三场比测中,他们以绝对优势稳占鳌头。

  比测工作后,又开展了大量的体制优化设计、星地试验验证工作,才最终突破了关键技术,实现了有关技术性能的一系列跨越:主要技术指标提升了数十倍;温度控制性能比原计划提高一倍;测距精度相当于能看到两千公里外的一根头发丝!

  四

  星间链路技术的突破,对于北斗三号卫星研制来说,只是万里长征迈出一大步。北斗三号卫星导航系统覆盖面比北斗二号更宽,不仅要求组网卫星数量更多,而且卫星技术性能要实现全面飞跃。

  以林宝军为总设计师的上海微小卫星工程中心北斗卫星团队,为让新一代北斗卫星“有灵魂”“会思考”,在国内第一次给卫星设计了一项“看家本领”——在轨赋能:让天上的卫星“有错能改”“有病自治”“功能刷新”。

  哪知林宝军带领团队历尽坎坷才完成的卫星在轨赋能设备,到卫星载荷生产单位联系生产时,却遇到了不小阻力。有人说在轨赋能简直是“异想天开”,是“瞎折腾”。

  以往国内做卫星,都是走先分系统再组合的研制模式。这种“拼图”式组合,使同一学科功能在分系统中重复出现,每个系统需要两三台计算机,整颗星的计算机多达二十多台,带来了星载大、故障多、能耗高等一系列弊端。

  林宝军带领团队大胆打破传统的分系统模式,走“功能链”设计,合并各分系统中的学科功能“同类项”,将整星研制分为有效载荷、结构热、电子学和姿轨控等四条功能链,砍掉了六个分系统,把过去的二十四台计算机,变魔术般浓缩为一台。星载计算机的重量、故障率、能耗等,几乎呈几何级减少,从前几吨重的卫星一下子“瘦身”到一吨左右!

  按卫星研制的惯例,卫星外形一般选用正方体,飞行姿态采用“竖着飞”。如果照这个老思路设计新一代北斗导航卫星,散热问题就非常棘手:新一代北斗卫星功能要求非常高,功率也水涨船高,采用正方体外形,根本无法解决散热问题。

  林宝军带领团队经过深入计算、反复验证,创造性地将卫星正方体外形改为长方体设计,把“竖着飞”变成“横着飞”。这样一来,卫星几个面表面积有所不同,让较小的面对着太阳,较大的面作为散热面,有效减少热辐射并提高散热速度;“横着飞”则把表面积最大的面作为对地面,使卫星装载更多导航天线,以提高卫星信号发送、接收效率。

  新一代北斗导航卫星,终于以崭新的容颜展现在大家面前。见过它的人,无一不被它的“美丽”所吸引:“卫星居然还能做得这么漂亮啊,简直就是一位身段苗条的‘飞天仙子’!”

  2017年11月5日19时45分,随着指挥员一声“点火”命令,“长三乙”运载火箭瞬间变身为一只火凤凰,展开绚烂的尾翼,牵手北斗三号第一、二颗组网卫星扶摇直上,将它们准确送入工作轨道。

  这之后,北斗人将三十颗北斗导航卫星送上蓝天。在组网最密集阶段,平均半个月发射一次卫星,而且百分之八十采用“一箭双星”发射模式,发射成功率百分之百,创造了世界航天的“中国速度”。

  北斗三号全球卫星导航系统,总体水平与GPS旗鼓相当,星间链路等多项技术处于国际领先水平,并拥有短报文通信这一北斗特色功能。

  目前,中国北斗向全球用户提供定位精度优于十米、测速精度优于零点二米每秒、授时精度优于二十纳秒的免费服务,成功运用于交通运输、灾害监测、精细农业、土地规划等人类生活的方方面面,真正实现了“中国的北斗、世界的北斗、一流的北斗”“走进千家万户、造福千秋万代”的建设目标。

  北斗卫星导航基本系统虽然全面建成和应用,但对于中国卫星导航发展事业来说,这只是一个阶段性胜利,继续完善、提升系统性能及推广应用的任务,依然非常艰巨。对于2035年前建成以北斗系统为核心的,更加泛在、更加融合、更加智能的国家综合定位导航授时(PNT)体系这一宏伟目标,北斗人深感使命崇高,任重如山!

  到那时,北斗无疑是世界卫星导航这片璀璨星空上最明亮、最耀眼的星星!(作者:龚盛辉,版式设计:沈亦伶)

[ 责编:邱晓琴 ]
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