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

 

 

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

 

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

 

　　“GEO系列衛(wèi)星數(shù)量不多，但作用關鍵，五院北斗人稱其為‘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(wèi)星被叫作“嚞星”。

 

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

 

 

▲ 北斗導航衛(wèi)星組網(wǎng)圖

 

 

衛(wèi)星導航系統(tǒng)達到國際先進水平

 

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

 

　　相對于北斗二號區(qū)域系統(tǒng)，北斗三號的服務區(qū)域將擴展至全球，同時，實現(xiàn)了下行導航信號升級與改造等關鍵技術的突破，完成了與北斗二號下行導航信號的平穩(wěn)過渡，并在此基礎上增加了新的導航信號，為用戶提供更為優(yōu)質(zhì)的服務。

 

 

▲ 北斗三號衛(wèi)星翱翔在太空中

 

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

 

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

 

　　據(jù)介紹，“吉星”家族采用的衛(wèi)星平臺是五院研制的東方紅三B（導航）衛(wèi)星平臺，是我國現(xiàn)役規(guī)模較大的衛(wèi)星平臺之一。

 

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

 

　　“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(tǒng)的創(chuàng)舉。”謝軍介紹，有源定位利用無線電測定技術，是北斗的“基因”。通過兩顆GEO導航衛(wèi)星聯(lián)手，不僅能回答用戶“我在哪”，還能告訴關注著用戶行蹤的相關方“你在哪”，在搜救、漁業(yè)等領域被廣泛使用，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提升，信息發(fā)送能力從一次120個漢字提升到一次1200個漢字，突發(fā)情況時無需字斟句酌，足以將情節(jié)一次性說清楚，還可發(fā)送圖片等信息，應用場景更為豐富。同時，北斗三號的服務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(nóng)業(yè)、林業(yè)等領域，更多人可以享受到北斗導航系統(tǒng)的普惠服務。

 

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

 

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

 

 

▲ 五院的設計師們在工作現(xiàn)場針對具體問題展開討論

 

北斗“三步走”連戰(zhàn)連捷

 

　　“上世紀80年代，中國開始探索適合國情的衛(wèi)星導航系統(tǒng)發(fā)展道路，形成了‘三步走’發(fā)展戰(zhàn)略。”陳忠貴說，北斗系統(tǒng)經(jīng)歷了北斗一號、二號、三號系統(tǒng)3個建設階段。

 

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

 

　　1994年，北斗一號系統(tǒng)工程啟動建設。2000年，兩顆地球靜止軌道衛(wèi)星成功發(fā)射，系統(tǒng)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(wèi)星的發(fā)射，進一步增強了系統(tǒng)的性能。北斗一號系統(tǒng)采用有源定位體制，為中國用戶提供定位、授時、廣域差分和短報文通信服務，使我國成為繼美俄后第三個擁有自主衛(wèi)星導航系統(tǒng)的國家。

 

　　2004年，北斗二號系統(tǒng)工程啟動建設。到2012年底，完成組網(wǎng)發(fā)射，成功建成國際上首個混合星座區(qū)域衛(wèi)星導航系統(tǒng)，服務區(qū)域覆蓋亞太，北斗系統(tǒng)成為國際衛(wèi)星導航系統(tǒng)四大服務商之一。

 

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

 

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

 

　　“幾十年來，北斗系統(tǒng)的服務定位精度、系統(tǒng)穩(wěn)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)濟社會發(fā)展的需要。”陳忠貴說，展望未來，計劃2035年以北斗系統(tǒng)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體系。

 

 

▲ 衛(wèi)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，事關國防現(xiàn)代化建設和國民經(jīng)濟發(fā)展，自主可控至關重要。”陳忠貴說，作為重要的時間和空間信息，如果由別人提供，安全感何來？比如，當前的熱點“新基建”，將是我國建設發(fā)展下一階段的重要方向，時間基準和空間位置基準就是至關重要的基礎，北斗導航系統(tǒng)是“新基建”的基建、基礎的基礎。

 

　　“關鍵核心技術是要不來、買不來、討不來的。”在北斗研制的道路上，這一點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？自己的位置誰來測？怎么保持穩(wěn)定？多顆衛(wèi)星如何能安全、可靠地工作？”謝軍說，這“四連問”涉及到從衛(wèi)星本體構造、導航總體技術、核心單機研制、自主創(chuàng)新突破4個方面，北斗的國產(chǎn)化之路，步履艱辛，通過三代北斗系統(tǒng)的探索與實踐，終不負時光，交出了一份閃亮答卷。

 

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

 

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

 

　　之后的國產(chǎn)化攻關更是一路披荊斬棘。

 

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

 

　　北斗三號開啟了創(chuàng)新發(fā)展的新征程。五院衛(wèi)星團隊率先提出國際上首個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)絡協(xié)議、自主定軌、時間同步等系統(tǒng)方案，填補了國內(nèi)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期依賴進口、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(tǒng)有三大看點：

 

　　一是，新突破實現(xiàn)聯(lián)通無極限。由于我國北斗系統(tǒng)不能像美國GPS那樣，在全球建立地面站，為了解決境外衛(wèi)星的數(shù)據(jù)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，采取星間、星地傳輸功能一體化設計，實現(xiàn)了衛(wèi)星與衛(wèi)星、衛(wèi)星與地面站的鏈路互通。

 

　　也就是說，雖然“看不見”在地球另一面的北斗衛(wèi)星，但用北斗衛(wèi)星的星間鏈路同樣能與它們?nèi)〉寐?lián)系。用星間鏈路技術，不僅實現(xiàn)了衛(wèi)星相互的通信和數(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。星間鏈路技術的應用中，設計了全新的網(wǎng)絡協(xié)議、管理策略和路由策略，解決了不能全球布站進行衛(wèi)星境外監(jiān)測的難題，是北斗全球導航系統(tǒng)建設的一大特色。

 

　　二是，新技術實現(xiàn)衛(wèi)星長壽命。“北斗是一個開放的系統(tǒng)，中國的北斗也是世界的北斗，中國發(fā)展衛(wèi)星導航技術是國民經(jīng)濟的重要基礎設施，也是為全人類提供時間坐標和空間坐標的基礎設施，服務的連續(xù)性和穩(wěn)定性十分重要。”五院北斗三號衛(wèi)星總指揮遲軍說，就像停水停電影響城市生活一樣，衛(wèi)星導航服務一旦中斷，國家和社會的正常運行會受到很大的影響。因此，對衛(wèi)星導航的可靠性、連續(xù)性提出了苛刻的設計要求。

 

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

 

　　三是，新“神器”讓服務“零誤差”。為了提高服務的精度，北斗三號配置了新一代原子鐘，通過提升原子鐘指標，提升衛(wèi)星性能、改善用戶體驗。原子鐘是利用原子躍遷頻率穩(wěn)定的特性保證產(chǎn)生時間的精準性，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(wèi)星采用銣原子鐘，同時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(wěn)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(tǒng)進行了技術探索，至今功能、性能十分穩(wěn)定。星載氫原子鐘的在軌應用，對于實現(xiàn)北斗導航定位“分秒不差”發(fā)揮著重要作用。

 

　　“‘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，北斗導航衛(wèi)星單機和關鍵元器件國產(chǎn)化率達到100%。”謝軍說，核心技術可控是中國空間事業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的關鍵。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