6月23日，由中國航天科技集團有限公司第五研究院（下文簡(jiǎn)稱(chēng)“五院”）抓總研制的第55顆北斗導航衛星成功發(fā)射，北斗三號全球衛星導航系統星座部署全面完成。

 

 

　　“‘嚞(音“哲”zhé)星’發(fā)射成功，標志著(zhù)北斗衛星全球導航系統星座部署完美收官。”五院北斗三號衛星總設計師陳忠貴說(shuō)。

 

　　“嚞星”，是五院對北斗三號第30顆衛星的昵稱(chēng)。它是北斗衛星導航系統第55顆衛星，也是北斗三號衛星導航系統中的第三顆地球同步軌道衛星（GEO衛星)。

 

　　“GEO系列衛星數量不多，但作用關(guān)鍵，五院北斗人稱(chēng)其為‘吉星’。”五院北斗三號研制團隊的科研人員告訴記者，因在“吉星”家族中排行第三，第55顆北斗導航衛星被叫作“嚞星”。

 

　　如今，“嚞星”攜帶著(zhù)諸多“神器”，駐守在高軌天疆，肩負顯著(zhù)增強北斗三號整體技術(shù)指標的職責。隨著(zhù)“嚞星”在北斗全球組網(wǎng)“大棋局”的落子定盤(pán)，北斗三號30顆組網(wǎng)衛星已全部到位，北斗全球組網(wǎng)部署完成。

 

 

▲ 北斗導航衛星組網(wǎng)圖

 

 

衛星導航系統達到國際先進(jìn)水平

 

　　“高性能、高可靠的北斗全球衛星導航系統建設，既是對北斗區域系統的完善與升級，更是聚焦世界一流衛星導航系統的攀登與跨越。”五院北斗三號工程副總設計師、衛星首席總設計師謝軍說(shuō)，系統建成后性能與美國GPS相當，使我國衛星導航系統達到國際先進(jìn)水平。

 

　　相對于北斗二號區域系統，北斗三號的服務(wù)區域將擴展至全球，同時(shí)，實(shí)現了下行導航信號升級與改造等關(guān)鍵技術(shù)的突破，完成了與北斗二號下行導航信號的平穩過(guò)渡，并在此基礎上增加了新的導航信號，為用戶(hù)提供更為優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。

 

 

▲ 北斗三號衛星翱翔在太空中

 

　　據介紹，北斗三號全球衛星導航系統由MEO衛星（地球中圓軌道衛星）、IGSO衛星（傾斜地球同步軌道衛星）和GEO衛星（地球靜止軌道衛星）三種不同軌道的衛星組成，包括24顆MEO衛星，3顆IGSO衛星和3顆GEO衛星。

 

　　作為北斗家族中的大個(gè)子，GEO“吉星”家族駐守在36000公里的天疆，為北斗導航系統的技術(shù)指標提升提供增強服務(wù)。

 

　　據介紹，“吉星”家族采用的衛星平臺是五院研制的東方紅三B（導航）衛星平臺，是我國現役規模較大的衛星平臺之一。

 

　　強大的承載能力讓“吉星”家族具備無(wú)線(xiàn)電導航、無(wú)線(xiàn)電測定、星基增強、精密單點(diǎn)定位、功率增強、站間時(shí)間同步和定位六大本領(lǐng)，可為我國及周邊地區用戶(hù)提供定位導航授時(shí)、短報文通信、星基增強、星間通信與測量、站間同步、精密單點(diǎn)定位等多樣化服務(wù)。

 

　　“最鮮明的特色是有源定位和短報文通信，這是中國北斗系統的創(chuàng )舉。”謝軍介紹，有源定位利用無(wú)線(xiàn)電測定技術(shù)，是北斗的“基因”。通過(guò)兩顆GEO導航衛星聯(lián)手，不僅能回答用戶(hù)“我在哪”，還能告訴關(guān)注著(zhù)用戶(hù)行蹤的相關(guān)方“你在哪”，在搜救、漁業(yè)等領(lǐng)域被廣泛使用，是保障民生安全的“千里眼”。

 

　　北斗三號的短報文通信能力也顯著(zhù)提升，信息發(fā)送能力從一次120個(gè)漢字提升到一次1200個(gè)漢字，突發(fā)情況時(shí)無(wú)需字斟句酌，足以將情節一次性說(shuō)清楚，還可發(fā)送圖片等信息，應用場(chǎng)景更為豐富。同時(shí)，北斗三號的服務(wù)能力較北斗二號拓展了10倍，在通信、電力、金融、測繪交通、漁業(yè)、農業(yè)、林業(yè)等領(lǐng)域，更多人可以享受到北斗導航系統的普惠服務(wù)。

 

　　在大眾應用方面，從手機定位到手表授時(shí)，從共享單車(chē)到無(wú)人駕駛；從交通導航到防災減災，從無(wú)人耕作到助力抗疫；從車(chē)聯(lián)網(wǎng)到物聯(lián)網(wǎng)，從智能港口到聰明鉆機，隨著(zhù)5G商用時(shí)代的到來(lái)，北斗正在與新一代移動(dòng)通信、區塊鏈、人工智能等新技術(shù)加速融合，北斗應用的新模式、新業(yè)態(tài)、新經(jīng)濟不斷涌現，將深刻改變著(zhù)人們的生產(chǎn)生活方式。

 

　　今年3月份，北斗三號第二顆GEO衛星就位后，北斗系統新體制下有源定位功能得到驗證，拉開(kāi)了無(wú)線(xiàn)電測定功能全面升級的序章。隨著(zhù)“嚞星”的入列，北斗三號“吉星”三兄弟在太空團聚，將在赤道上拉開(kāi)更大距離，為一帶一路沿線(xiàn)更廣闊的區域提供服務(wù)，北斗特色將躍升到新高度。

 

 

▲ 五院的設計師們在工作現場(chǎng)針對具體問(wèn)題展開(kāi)討論

 

北斗“三步走”連戰連捷

 

　　“上世紀80年代，中國開(kāi)始探索適合國情的衛星導航系統發(fā)展道路，形成了‘三步走’發(fā)展戰略。”陳忠貴說(shuō)，北斗系統經(jīng)歷了北斗一號、二號、三號系統3個(gè)建設階段。

 

　　1983年，以我國“兩彈一星功勛獎?wù)?rdquo;獲得者、國家“863計劃”的主要提出者陳芳允院士為代表的專(zhuān)家學(xué)者提出了利用兩顆地球同步軌道衛星來(lái)測定地面和空中目標的設想。

 

　　1994年，北斗一號系統工程啟動(dòng)建設。2000年，兩顆地球靜止軌道衛星成功發(fā)射，系統建成并投入使用；2003年和2007年，完成了第3顆、第4顆地球靜止軌道衛星的發(fā)射，進(jìn)一步增強了系統的性能。北斗一號系統采用有源定位體制，為中國用戶(hù)提供定位、授時(shí)、廣域差分和短報文通信服務(wù)，使我國成為繼美俄后第三個(gè)擁有自主衛星導航系統的國家。

 

　　2004年，北斗二號系統工程啟動(dòng)建設。到2012年底，完成組網(wǎng)發(fā)射，成功建成國際上首個(gè)混合星座區域衛星導航系統，服務(wù)區域覆蓋亞太，北斗系統成為國際衛星導航系統四大服務(wù)商之一。

 

　　2009年，北斗三號系統啟動(dòng)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)與工程建設。2018年，北斗三號基本系統建設完成，正式向“一帶一路”及全球提供基本導航服務(wù)，中國北斗向全球組網(wǎng)的目標邁出了實(shí)質(zhì)性的一步；2019年12月底，全球系統核心星座部署完成；2020年6月23日，第55顆北斗導航衛星成功發(fā)射，北斗三號全球衛星導航系統星座部署全面完成。

 

　　“隨著(zhù)‘嚞星’的成功發(fā)射和在軌穩定運行，意味著(zhù)北斗系統走出中國，走向世界。”謝軍說(shuō)。

 

　　“幾十年來(lái)，北斗系統的服務(wù)定位精度、系統穩定性、功能全面性不斷提升，成為國家重要的空間基礎設施，全面支撐國家安全和經(jīng)濟社會(huì )發(fā)展的需要。”陳忠貴說(shuō)，展望未來(lái)，計劃2035年以北斗系統為核心，建設完善更加泛在、更加融合、更加智能的國家綜合定位導航授時(shí)體系。

 

 

▲ 衛星轉運到發(fā)射塔架，“吉星”隊伍與星箭合影

 

 

自主可控肩負強國重任

 

　　“北斗是國之重器，事關(guān)國防現代化建設和國民經(jīng)濟發(fā)展，自主可控至關(guān)重要。”陳忠貴說(shuō)，作為重要的時(shí)間和空間信息，如果由別人提供，安全感何來(lái)？比如，當前的熱點(diǎn)“新基建”，將是我國建設發(fā)展下一階段的重要方向，時(shí)間基準和空間位置基準就是至關(guān)重要的基礎，北斗導航系統是“新基建”的基建、基礎的基礎。

 

　　“關(guān)鍵核心技術(shù)是要不來(lái)、買(mǎi)不來(lái)、討不來(lái)的。”在北斗研制的道路上，這一點(diǎn)五院北斗人感觸尤深。

 

 

▲ 五院北斗人精心操作

 

 

　　“高精度的太空燈塔如何建立起來(lái)？自己的位置誰(shuí)來(lái)測？怎么保持穩定？多顆衛星如何能安全、可靠地工作？”謝軍說(shuō)，這“四連問(wèn)”涉及到從衛星本體構造、導航總體技術(shù)、核心單機研制、自主創(chuàng )新突破4個(gè)方面，北斗的國產(chǎn)化之路，步履艱辛，通過(guò)三代北斗系統的探索與實(shí)踐，終不負時(shí)光，交出了一份閃亮答卷。

 

　　“國產(chǎn)化是從北斗一號的太陽(yáng)帆板做起的。”北斗一號總設計師范本堯院士回憶說(shuō)，北斗一號系統建設時(shí)，國外對我們技術(shù)封鎖，關(guān)鍵單機和元器件被一些國家“卡脖子”，而國內的部件廠(chǎng)家尚未成熟，北斗一號研制只能在摸索中起步。

 

　　“當時(shí)北斗是第一個(gè)‘吃螃蟹’的，硬著(zhù)頭皮上。”范本堯說(shuō)。不論是東方紅三號平臺的橫空出世，還是影響長(cháng)壽命的三大關(guān)鍵部件，憑借自力更生的創(chuàng )業(yè)精神，北斗一號解決了衛星最基本的問(wèn)題。供配電的太陽(yáng)帆板，為衛星提供由光轉為電的部件，以及控制系統的轉動(dòng)機構，這些核心產(chǎn)品的國產(chǎn)化，讓北斗衛星的身體有了一副“中國體格”。

 

　　之后的國產(chǎn)化攻關(guān)更是一路披荊斬棘。

 

　　北斗二號打破了國外的技術(shù)封鎖，攻克了以導航衛星總體技術(shù)、高精度星載原子鐘等為代表的多項關(guān)鍵技術(shù)，讓衛星導航系統“心臟”跳動(dòng)出“中國心率”。

 

　　北斗三號開(kāi)啟了創(chuàng )新發(fā)展的新征程。五院衛星團隊率先提出國際上首個(gè)高中軌道星間鏈路混合型新體制，形成了具有自主知識產(chǎn)權的星間鏈路網(wǎng)絡(luò )協(xié)議、自主定軌、時(shí)間同步等系統方案，填補了國內空白；建立了器部件國產(chǎn)化從研制、驗證到應用一體化體系，徹底打破了核心器部件長(cháng)期依賴(lài)進(jìn)口、受制于人的局面。

 

　　北斗三號研制團隊科研人員介紹，北斗三號系統有三大看點(diǎn)：

 

　　一是，新突破實(shí)現聯(lián)通無(wú)極限。由于我國北斗系統不能像美國GPS那樣，在全球建立地面站，為了解決境外衛星的數據傳輸通道，五院北斗三號研制團隊攻克了星座星間鏈路技術(shù)，采取星間、星地傳輸功能一體化設計，實(shí)現了衛星與衛星、衛星與地面站的鏈路互通。

 

　　也就是說(shuō)，雖然“看不見(jiàn)”在地球另一面的北斗衛星，但用北斗衛星的星間鏈路同樣能與它們取得聯(lián)系。用星間鏈路技術(shù)，不僅實(shí)現了衛星相互的通信和數據傳輸，還能相互測距，自動(dòng)“保持隊形”，可以減輕地面管理維護壓力。星間鏈路技術(shù)的應用中，設計了全新的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議、管理策略和路由策略，解決了不能全球布站進(jìn)行衛星境外監測的難題，是北斗全球導航系統建設的一大特色。

 

　　二是，新技術(shù)實(shí)現衛星長(cháng)壽命。“北斗是一個(gè)開(kāi)放的系統，中國的北斗也是世界的北斗，中國發(fā)展衛星導航技術(shù)是國民經(jīng)濟的重要基礎設施，也是為全人類(lèi)提供時(shí)間坐標和空間坐標的基礎設施，服務(wù)的連續性和穩定性十分重要。”五院北斗三號衛星總指揮遲軍說(shuō)，就像停水停電影響城市生活一樣，衛星導航服務(wù)一旦中斷，國家和社會(huì )的正常運行會(huì )受到很大的影響。因此，對衛星導航的可靠性、連續性提出了苛刻的設計要求。

 

　　為了提高衛星在軌服務(wù)的可靠性，北斗三號衛星采取了多項可靠性措施，使衛星的設計壽命達到12年，達到國際導航衛星的先進(jìn)水平，為北斗系統服務(wù)的連續、穩定提供了基礎保證。

 

　　三是，新“神器”讓服務(wù)“零誤差”。為了提高服務(wù)的精度，北斗三號配置了新一代原子鐘，通過(guò)提升原子鐘指標，提升衛星性能、改善用戶(hù)體驗。原子鐘是利用原子躍遷頻率穩定的特性保證產(chǎn)生時(shí)間的精準性，目前國際上主要有銣原子鐘、氫原子鐘、銫原子鐘等。我國北斗衛星采用銣原子鐘，同時(shí)還配置了性能更高的新研國產(chǎn)氫原子鐘。氫原子鐘雖然質(zhì)量和功耗比銣原子鐘大，但穩定性和漂移率等指標更優(yōu)。相對于銣原子鐘，我國起步更晚，2015年我國研制的氫原子鐘首次在軌應用驗證，為北斗全球導航系統進(jìn)行了技術(shù)探索，至今功能、性能十分穩定。星載氫原子鐘的在軌應用，對于實(shí)現北斗導航定位“分秒不差”發(fā)揮著(zhù)重要作用。

 

　　“‘嚞星’在國產(chǎn)化方面是集大成之作，擁有了自主知識產(chǎn)權和核心技術(shù)，北斗導航衛星單機和關(guān)鍵元器件國產(chǎn)化率達到100%。”謝軍說(shuō)，核心技術(shù)可控是中國空間事業(yè)創(chuàng )新發(fā)展的關(guān)鍵。LW

 

圖/中國航天科技集團有限公司第五研究院供圖

本文將刊于《瞭望》2020年第26期