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卫星通信
2020/8/3 10:40

中国北斗横空出世纪实?

中国青年报  邱晨辉

中国人的全球卫星导航系统——“北斗”终于建成了!

2020年7月31日,中国向全世界郑重宣告,中国自主建设、独立运行的北斗三号全球卫星导航系统已全面建成,中国北斗开启了高质量服务全球、造福人类的新篇章。

抚今追昔,从北斗一号工程立项开始,二十六载风雨兼程,几代北斗人接续奋斗、数十万建设者聚力托举,一次又一次刷新“中国速度”、展现“中国精度”、彰显“中国气度”。回望来路,这份沉甸甸的北斗成绩单来之不易。

传说中的“五千万工程”和30万无名北斗人

目光回到上世纪末。

1994年,无论在世界还是中国卫星导航发展史上都是极具特殊意义的一年。这一年,世界首个全球卫星导航系统GPS全面建成;而此时,中国北斗一号系统则刚刚立项。

很多人没有想到,有朝一日中国能独立建成与美俄欧卫星导航系统比肩的世界一流系统。

2000年,北斗一号构建起兼具定位授时和短报文通信服务的双星定位系统,我国成为继美国、俄罗斯之后世界上第三个具有卫星导航系统的国家;2017年11月,北斗三号系统首组双星发射;2020年6月,北斗全球组网成功,仅用不到3年时间便完成星座部署,让全世界再一次领略到中国集中力量办大事的硬核实力。

这一次,中国不仅兑现了承诺,还比原定计划提前了半年。

谈及北斗圆梦全球,北斗工程总设计师杨长风感慨万千:“北斗是党和国家调动千军万马干出来的,是工程全线几十万人团结一心拼出来的,是广大人民群众坚定支持共同托举起来的。”

据中国卫星导航系统管理办公室统计,北斗工程启动以来,在全国范围内先后调集了400多家单位、30余万名科技人员参与研制建设。陈芳允、孙家栋两位“两弹一星”元勋和几十名两院院士领衔出征。

在这项大国重器横空出世的背后,还有无数普通人辛勤付出。每逢重要节点,数以万计的公安民警、警卫人员和通信、电力、气象、交通、医疗等行业员工坚守各自岗位,共同筑起坚固的安全保障;成千上万科研人员的家人,默默扛起照顾家庭的重担,为他们撑起坚强后盾。

“我们常说,北斗是‘五千万工程’,调动了千军万马,经历了千难万险,付出了千辛万苦,要走进千家万户,将造福千秋万代。”杨长风说。

中国卫星导航系统管理办公室主任冉承其介绍,北斗系统由卫星、火箭、发射场、测控、运控、星间链路、应用验证等七大系统组成,是跨部门、跨学科、跨行业、跨地域的复杂系统工程。

建设全球系统与区域系统相比,不是简单的规模扩容,而是全面的整体升级,对工程全线尤其是卫星系统带来空前挑战。事前据专家论证测算,以当时的研制能力,如果仍由一家单位抓总研制,即便“5+2”“白+黑”连轴转,也很难在2020年年底前完成30颗卫星的研制生产,更别提全部发射入轨、完成星座组网。

2017年11月到2020年6月,31个月时间,我国成功发射30颗北斗三号组网星和两颗北斗二号备份星,成功率达100%,以超过月均1颗星的速度,创造世界卫星导航系统组网发射新纪录。

既不能故步自封,也不能照搬盲从

20世纪90年代初,国际局势复杂多变,人们愈发强烈地意识到,拥有自己的卫星导航系统已经成为世界大国的重要标志、大国竞争的科技制高点。

杨长风说,同样是建设全球卫星导航系统,美、俄和欧盟选择搞“一步建全球”。而我国起步晚、底子薄,明智地选择分步走,先解决有无、满足急需,切实做到“把每个铜板都用在刀刃上”。

1983年,“两弹一星”元勋、“863计划”倡导者之一陈芳允院士创造性地提出“双星定位”构想。这一方案能以最小星座、最少投入、最短周期实现“从无到有”。

后来,“两弹一星”元勋、北斗系统首任工程总设计师孙家栋院士进一步组织研究提出“三步走”发展战略,决定先建试验系统,再建区域系统,最后建成全球系统——

2000年建成北斗一号试验系统,使我国成为世界上第三个拥有自主卫星导航系统的国家。2012年建成北斗二号区域系统,为亚太地区提供服务。2020年建成北斗三号全球系统,实现了中国人孜孜以求的“全球梦”。

据杨长风介绍,与其它全球卫星导航系统采取单一轨道星座构型相比,北斗系统独树一帜,坚定选择走混合星座的特色发展之路。北斗一号建设时,在国际上首次实现地球静止轨道卫星提供导航定位服务。

北斗二号系统则继承北斗一号用地球静止轨道卫星实现区域导航定位覆盖的成功经验,在国际上首创以地球静止轨道和倾斜地球同步轨道卫星为骨干,兼有中圆轨道卫星的混合星座。北斗系统高级顾问、原工程副总设计师李祖洪说,对区域卫星导航系统而言,这种“混搭”组合可以用最少卫星数量实现最好的覆盖效果,已获得国际认可。

李祖洪告诉记者,北斗三号系统将“混合星座构型”发扬光大,建成拥有24颗中圆轨道卫星、3颗地球静止轨道卫星、3颗倾斜地球同步轨道卫星组成的全球系统,为建设全球卫星导航系统提供了全新范式。

杨长风说,北斗系统建设的经验再次证明,任何时候、任何情况下,都要坚定自信、保持定力,坚定不移走中国特色发展之路,既不能故步自封,也不能照搬盲从。

最后时刻“压哨破门”,濒临绝境倒逼自主创新

空间频率资源是战略资源,没有合法可用的频率,卫星就如同没有土地使用许可的高楼大厦,缺少立身之基。

“北斗起步之时,国际上优质频率资源已经所剩无几,经过艰苦谈判,终于推动国际电联从航空导航频段中,辟出两小段资源作为卫星导航合法使用频段。”杨长风说。国际电联规定,各国均可平等申请新资源使用权,但必须在7年有效期内发射导航卫星,并成功接收传回信号,逾期则自动失效。

杨长风回忆,为保住2007年4月17日这一最后“窗口”,工程上下进行全系统总动员和大会战,抢在2月底完成卫星研制。然而临射前,卫星上的应答机突现异常。为确保万无一失,工程试验队果断将已矗立塔架的星箭组合体拆开,取出卫星应答机,72小时不眠不休,成功排除故障。

4月14日4时11分,这颗肩负重要使命的卫星发射成功;17日20时许,北京终于清晰地接收到来自这颗卫星的信号。这一刻,距离频率失效最后期限已不到4个小时。

中国北斗在最后时刻“压哨破门”,拿到了进军全球卫星导航系统俱乐部的“入场券”。

“面对缺乏频率资源、没有自己的原子钟和芯片、区域布站条件下实现全球服务等看似难以逾越的‘娄山关’‘腊子口’!”杨长风说,北斗人凭借滚石上山的毅力和勇气,让北斗走出了一条自主创新、追求卓越的发展道路。

星载原子钟是导航卫星的心脏,是卫星导航领域“皇冠上的明珠”,其性能对系统定位和授时精度具有决定性作用。

北斗工程建设之初,国内星载原子钟技术比较薄弱。当时,全世界只有少数国家有能力研制高性能星载原子钟,进口存在诸多困难和不确定性。

“不能等,不能靠,就自己干!”杨长风说,为尽早“让中国的北斗用上最好的钟”,工程总体下定决心,集中全力打攻坚战,组织相关科研单位和企业,成立3支研发队伍同步攻坚。不到两年时间,3支队伍全都取得成功,自主研发出达到国际先进水平的原子钟。

缺少“中国芯”,一直是困扰我国高科技领域的一块心病。冉承其说,对于北斗系统工程建设和应用来说,拥有国产芯片,对于确保其安全性、稳定性、可靠性至关重要。甚至可以说,搞北斗三号全球系统,全面国产化是头等大事。

据他介绍,通过深入动员,北斗工程上下形成宁可国产化产品“指标低点、价格高点,也要大胆使用”的坚定共识;工程总体研究制定行动规划,将自主可控要求落实到关键技术攻关、产品研发、竞争采购等各环节……

功夫不负有心人。国产北斗芯片工艺由0.35微米提升到28纳米,已在物联网和消费电子领域广泛应用。支持北斗三号新信号的22纳米工艺射频基带一体化导航定位芯片,体积更小、功耗更低、精度更高,已具备批量生产能力。

截至2019年年底,国产导航型芯片出货量已超1亿片,北斗导航型芯片、模块高精度板卡和天线已输出到120余个国家和地区。

按照传统全球卫星导航系统的建设和运行模式,需要在全球范围内建立众多地面站。杨长风说,为解决北斗系统国内建站实现全球运行和服务的难题,北斗系统首创Ka频段星间链路,创造性地提出高效解决方案。通过星间链路,所有在轨北斗卫星连成一张大网,实现北斗“兄弟”手拉手。

北斗三号全球系统星座部署完成后,澳大利亚空间工程研究中心主任安德鲁·登普斯特指出,北斗是一项重大突破,因为它意味着中国可以完全独立地使用自主导航系统,不再依赖任何人。

杨长风说,一路走来,北斗系统建设过五关斩六将,崎岖坎坷、步步惊心,这也让工程队伍磨炼出坚毅的品格和坚强的信心,坚定不移走上自主创新之路。

如同水和电一样,北斗将无处不在、触手可及

有这样一个比喻:如同水和电一样,北斗系统将成为人民日常生活中不可缺少的必需品,无处不在、触手可及。

杨长风说,卫星导航系统是重要的空间基础设施,是事关国计民生的大国重器,对促进经济社会发展、改善人民生产生活具有重要作用。发展到今天,从国内到国外,从区域到全球,北斗服务将为更多国家和人民所共享,这张国家名片的知名度、影响力也将不断增强,北斗对人类的贡献终将被全世界所理解认同。

根据中国卫星导航系统管理办公室统计,近年来,北斗系统已全面服务交通运输、公共安全、救灾减灾、农林牧渔、城市治理等各行各业,已经融入电力、金融、通信等国家核心基础设施,综合效益正在不断显现。

以交通运输为例,截至2019年12月,国内超过650万辆运营车辆、4万辆邮政和快递车辆、36个中心城市的约8万辆公交车、3200余座内河导航设施、2900余座海上导航设施已用北斗,建成全球最大营运车辆动态监管系统。此外,近10年来,我国卫星导航产业产值年均增长约20%,2020年将有望超过4000亿元。

“北斗作为国家重大空间基础设施,提供的是公共服务产品,就如同电、无线网络一样,必须通过终端服务来实现价值。”杨长风告诉记者,“融合发展、万物互联”一直是北斗应用推广的基本方针。

据他介绍,2020年第一季度,在中国入网的智能手机,已经有70%以上提供北斗服务。共享单车配装北斗终端实现精细管理,牧民坐在家里就能通过北斗项圈放牧牛羊,支持北斗系统的手表、手环、学生卡更加方便和保护人们日常生活。通过“北斗+支付”,能对1秒内成百上千的股票、车票购买申请进行精确排队、按序办理。

在新冠肺炎疫情防控阻击战中,北斗的贡献更是有目共睹:北京、湖北的北斗植保无人机被广泛用于区域内消毒防疫,一架无人机单次喷洒面积可覆盖5000平方米,并且能深入防疫车无法抵达的死角。在全国多个地方,数十万台北斗终端进入物流行业,通过北斗精准定位,位置信息一目了然,一些物流企业还通过机器人向部分隔离小区提供物资运输配送。

冉承其以武汉火神山、雷神山医院建设为例:“万丈高楼平地起”,高精度定点定位是基准,快速精确测量是基础。农历大年三十晚上,北斗人闻令而动,奔赴火神山医院工地;北斗高精度定位设备火速驰援,确保工地大部分放线测量一次完成,为医院迅速施工争取了宝贵时间。

“北斗应用只受想象力限制。”杨长风说。面向未来,这句话精辟地勾勒出北斗应用发展的无限可能和广阔前景。

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