26年风雨兼程,北斗卫星导航系统背后的非凡和不易

2020-06-24

30颗卫星全部就位,中国北斗三号全球卫星导航星座部署顺利完成,对中国航天乃至中国科技而言都是一个历史性的成就。

6月23日,由中国航天科技集团有限公司五院抓总研制的第55颗北斗导航卫星成功发射,北斗三号全球卫星导航系统星座部署全面完成。

从1994年北斗一号系统工程立项到2020年完成全球卫星导航星座部署,中国北斗走过了非凡的26载。

中国北斗三号全球卫星导航星座部署顺利完成意义重大。本文图片,航天五院、航天一院供图

北斗一号第一步迈得并不顺

从古至今,人类都在思考一个问题:我们在哪儿?古人用北斗星等天体进行导航。

1957年10月,人类第一颗人造卫星上天。这颗名为“斯普特尼克1号”的苏联人造地球卫星正式拉开了人类进军太空的序幕,也开启了人类依靠卫星进行导航的时代。在观测这颗卫星过程中,美国霍普斯金应用物理实验室科学家发现卫星运动引起的多普勒频移效应,断言可以用来实现卫星导航。于是后来在60年代美国实施了“子午仪”卫星导航系统,并取得了成功。

提到中国卫星导航系统,大家都会想到家喻户晓的北斗卫星导航系统,其实中国人关于利用人造卫星进行导航定位的设想在上世纪60年代就已经萌生,并付诸实践,与世界同步的。 “美国提出‘子午仪’卫星导航卫星之后,航天相关单位开始跟踪研究卫星导航技术。我国第一颗人造卫星‘东方红一号’发射成功以后,通信卫星、气象卫星、定位导航卫星等就都进入决策层的视野。当时,卫星导航系统命名为‘灯塔一号’,但由于技术转型、财力有限等原因,该计划在上世纪80年代下马。”

“灯塔一号”是我国对卫星导航的早期探索,“灯塔”与“北斗”有异曲同工之妙,都象征高挂天宇、永远不落的指路明灯。1983年,以陈芳允院士为代表的专家学者提出了利用2颗地球同步轨道卫星来测定地面和空中目标的设想,通过大量理论和技术上的研究工作,双星定位系统的概念逐步明晰。接下来的北斗路,是一步跨到全球组网,还是分阶段走?在当时引发了不小的争议。最终,“先区域、后全球”的思路被确定下来,“三步走”的北斗之路由此铺开。

北斗三号卫星

今天的北斗,给中国人提了不少气。但很多人不知道的是,北斗卫星导航系统建设“三步走”的第一步——北斗一号系统差点因经费无法迈步。1994年,我国正制定国民经济和社会发展的“九五”计划,有关部门向国务院汇报了北斗立项计划。根据《中国航天报》此前报道,原北斗卫星导航系统工程副总设计师李祖洪介绍说:“当时,包括北斗系统在内,我国有三个卫星项目需立项,另外两个卫星项目已经获批。由于卫星研究经费紧张,有人建议北斗项目考虑先搞预研,国家划拨少量款项进行尝试性预研工作。缺钱是当时北斗一号系统遇到的最大问题,国家少量的拨款不能保证项目完成。”

看着北斗一号系统项目很可能因经费问题搁浅,参与的研究人员都非常焦急,多次开会讨论如何保住北斗一号项目。“在当时的国情下,再向国家单独申请立项经费的可能性非常低,只能内部想办法。刚好,另外两颗卫星项目分别由一颗备份星的指标经费。经过反复协商,大家决定将另外两颗备份星资金拿出来,分给北斗一号项目,解决了制约北斗一号项目继续开展的经费难题。”李祖洪说。

经过多年研制,2000年,随着两颗地球静止轨道卫星发射成功,北斗一号系统建成并投入使用,其采用有源定位体制,可为中国用户提供定位、授时和短报文通信服务。据航天科技集团五院北斗一号总设计师范本尧院士回忆,国产化从北斗一号的太阳帆板做起,“当时很多卫星都不敢上,北斗是第一个‘吃螃蟹’的,硬着头皮上”。之后的国产化攻关更为艰苦,不论是东方红三号平台的横空出世,还是影响长寿命的关键部件,凭借自力更生的创业精神,以李祖洪总指挥、范本尧总设计师等为代表的老一辈北斗人逐一攻克,终于在2003年建成了北斗一号系统,使我国成为继美、俄之后第三个拥有自主卫星导航系统的国家。

原北斗一号副总设计师、北斗二号总设计师的杨慧曾介绍说:“虽然北斗一号系统是一个比较初级的卫星导航系统,但通过这个系统我们探索了卫星导航系统的原理,满足国防和民用的基本需求,为未来北斗系统的进一步发展奠定了一些基础。比如,2003年发射的第三颗卫星不仅仅是一颗在轨备份星,而且还是一颗北斗二号系统部分技术的试验星,因为这颗卫星搭载了一些北斗二号系统的载荷,开始探索无源导航技术。”

在2008年的汶川地震抗震救灾中,北斗一号系统发挥了重要作用。地震发生后,中心为救援部队紧急配备了1000多台“北斗一号”终端机,实现了各点位之间、点位与北京之间的直线联络。在灾区通信没有完全修复,信息传送不畅的情况下,各救援部队利用北斗一号及时准确地将各种信息发回,,为指挥部指挥抗震救灾提供了重要的信息支援。北斗一号系统的优秀表现坚定了我国发展更先进卫星导航系统的决心。

北斗卫星由长征三号甲系列火箭发射

抢出来和熬出来的北斗二号

采用有源定位原理的北斗一号系统组建成功之后,北斗系统团队开始将目光转向无源定位的卫星导航系统。与北斗一号系统立项之初遭遇经费困难的境遇相比,北斗二号系统在经费方面则顺利得多。 “当时是2005年8月份,在中南海汇报项目,一同去汇报的有嫦娥二期等大家关注度很高的航天项目。因为当是北斗系统名气并不大,我们在众多待批复项目中是排最后的。让人意想不到的是,北斗竟然是第一个被批复的。”杨慧说出这些话时,语气仍然带着点惊讶和欣然。“之所以会出现这种情况,就是因为当时共识多了,我们国家急需自己的卫星导航系统。”

经费没有成为北斗二号的拦路虎,但技术障碍却让北斗二号“走得”并不容易。首先是频率问题。国际电联将S频段给了导航卫星,僧多粥少的局面让美国和俄罗斯这两个先来者抢占了不少宝贵的频点资源。在北斗二号起步的时候,一个实力强劲的竞争者——伽利略卫星导航系统,让北斗二号不得不与时间赛跑。

国际电联规定:导航的频点国家或组织都可以申请,第一个申请的有优选使用的权利,其他国家或组织也可以申请,遵循先到先得的规定。即大家都可以申请,但谁先发射卫星并使用了这个频点,为了防止出现相互干扰的现象,其他国家或组织就无法使用这个频点。

“一开始,欧空局伽利略卫星导航系统和我们都觉得有必要合作,后来我们发现,合作是有条件的,我们无法参与到核心载荷部分,只是一个搭载载荷的用户。出了钱却干这些活,这是不公平的。”杨慧回忆说。

2004年9月,北斗二号系统建设正式启动。2007年4月14日,北斗二号首颗试验星发射成功,仅用不到3年多的时间就将试验星送入太空,这速度在航天型号当中是难得一见的。杨慧感叹说:“当时卫星处于初样阶段,设备很多都是鉴定件,不是用于飞行的正样件。卫星变完轨,载荷全开,就是为了占住频率,必须与时间赛跑。”

2007年4月16日,在成功发射的两天后,北京从飞行试验星获得清晰信号,此时距离空间频率失效仅有不到四个小时。此次壮举,有效地保护了我国卫星导航系统的频率资源,为北斗区域导航系统建设有序推进起到了重要的作用。

北斗团队工作人员对卫星进行检测

当时的研制工作面临很多难题:首先,这是一个多星组网系统,必须通过批量生产和密集发射保证其效应的发挥,但生产能力和长寿命问题是巨大考验;其次,导航系统要提供连续稳定的服务,任何一个小部件的质量问题都会对整个北斗导航星座产生影响,造成服务中断,因此必须保证零缺陷;第三,卫星系统采用许多新技术、新器件、新工艺,攻关难度巨大;其四,研制队伍非常年轻,缺乏必要的系统知识和工程经验。

在这些难题中,研制国产星载铷钟又是最大的困难。星载铷钟自主研发过程充满了戏剧性。当时,我国准备从欧洲进口,并于欧洲生产星载铷钟的公司签订了合同。但对方提出了一个前提条件,即必须取得瑞士政府颁发的对华销售许可证,至于何时获得许可证、能否取得许可证,对方不作任何承诺。这件事情影响了北斗二号系统的研发进度。作为北斗二号首席总设计师的谢军比谁都清楚:星载铷钟做不出来,工程任务确定的定位精度和研发进程就无法保证。星载铷钟研制工作启动后,经过研制团队的全力攻关,自主研发的星载铷钟终于诞生了,填补了国内空白,指标甚至优于国外产品。在谢军看来,攻克这一难关,靠的就是持之以恒。

在北斗导航卫星的研制历程中还经历过一些挫折。

在杨慧的记忆中,研发过程中最难熬的日子是有一次遇到了故障,由于故障数据只有几秒,通过这几秒找出故障的位置和原因,难度可想而知。

北斗团队成员白天向专家和同行汇报查找问题的进展,晚上通宵查找问题,连续干了一周,困了就在桌子上趴一会,终于在地面复现了问题。

杨慧接着回忆说:“当时压力很大,整个团队陷入了低谷,因为我们暗暗和伽利略系统赛跑,卫星出现问题的结果就是进程推迟。那段时间真可以用‘苦’来形容,这种苦不只是工作强度大、经常加班,主要是要顶住方方面面的压力,把国家交给的重要任务保质按时完成。那时只有时刻告诫自己决不能放弃,更不可能打退堂鼓、撂挑子,这是国家的任务,我们只能咬牙坚持。”

从2009年北斗系统踏上新的征程——启动北斗全球卫星导航系统建设以来,研制团队开始开展全球系统的相关技术攻关。

2010年1月17日,第一颗正式组网的北斗导航卫星发射成功。2012年10月25日,第16颗导航卫星发射,这颗卫星与先期发射的15颗北斗导航卫星组网运行,形成区域服务能力。短短几年内就发射了十几颗导航卫星,此举不仅创造了我国单一型号的密集交付、发射纪录,在国际上也不多见。

北斗团队合影

北斗第三步迈得无比自信

就在北斗二号正式提供区域导航定位服务前,北斗三号全球导航系统的论证验证工作拉开序幕,并明确了研制要求,确定了建设独立自主、开放兼容、技术先进、稳定可靠的全球卫星导航系统的发展目标,自此,北斗一马当先,开启了从创新发展的新征程。

建设高性能、高可靠的北斗全球卫星导航系统,是我国科技领域中长期发展规划的16项重大专项之一,系统建设既是对北斗区域系统的完善与升级,更是聚焦世界一流卫星导航系统的攀登与跨越。系统建成后性能与GPS相当,将使我国卫星导航系统达到国际先进水平。

相对于北斗二号区域系统,北斗三号服务区域将扩展至全球,同时,实现了下行导航信号升级与改造等关键技术方面的突破,实现了与北斗二号下行导航信号的平稳过度,并在此基础上增加了新的导航信号,为用户提供更为优质的服务。

站在前两代星座的肩膀上,北斗“第三步”迈得无比自信。航天科技集团五院的研制团队在谢军、迟军、王平、陈忠贵等专家的带领下,汇聚各方力量,把车间当成战场,把攻关当成战斗,奋勇拼搏,先后攻克了北斗系统的各种难关。

2019年12月,北斗三号全球核心星座完成部署

由于我国北斗系统不能像美国GPS那样,在全球建立地面站,为了解决境外卫星的数据传输通道,航天科技集团五院北斗三号研制团队攻克了星座星间链路技术,采取星间、星地传输功能一体化设计,实现了卫星与卫星、卫星与地面站的链路互通。用星间链路技术不仅实现了相互间的通信和数据传输,还能相互测距,自动“保持队形”,可以减轻地面管理维护压力。星间链路技术的应用中,设计了全新的网络协议、管理策略和路由策略,解决了不能全球布站进行卫星境外监测的难题,是北斗全球导航系统建设的一大特色。

新技术实现让北斗卫星寿命更长。 “北斗是一个开放的系统,中国的北斗,世界的北斗,中国发展卫星导航技术是国民经济的重要基础设施,也是为全人类提供时间坐标和空间坐标的基础设施,服务的连续性和稳定性十分重要”,航天科技集团五院北斗三号卫星总指挥迟军介绍说,就像停水停电影响城市生活一样,卫星导航服务一旦中断,国家和社会的正常运行会受到很大的影响,因此,对卫星导航的可靠性、连续性提出了苛刻设计的要求。为了提高卫星在轨服务的可靠性,北斗三号卫星采取了多项可靠性措施,使卫星的设计寿命达到12年,达到国际导航卫星的先进水平,为北斗系统服务的连续、稳定提供了基础保证。

为了提高服务的精度,北斗三号配置了新一代原子钟,通过提升原子钟指标,提升卫星性能、改善用户体验。原子钟是利用原子跃迁频率稳定的特性保证产生时间的精准性,目前国际上主要有铷原子钟、氢原子钟、铯原子钟等。我国北斗卫星采用铷原子钟,同时还配置了性能更高的新研国产氢原子钟。氢原子钟虽然质量和功耗比铷原子钟大,但稳定性和漂移率等指标更优。

相对于铷原子钟,我国起步更晚,2015年我国研制的氢原子钟首次在轨应用验证,为北斗全球导航系统进行了技术探索,至今功能、性能十分稳定。星载氢原子钟的在轨应用,对于实现北斗导航定位“分秒不差”,发挥着重要作用。


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