中國(guó)北斗想和GPS一決高下

大國(guó)重器北斗三號(hào)是怎樣煉成的

任何一個(gè)大國(guó)重器的誕生，似乎都避免不了和發(fā)達(dá)國(guó)家同類(lèi)產(chǎn)品拼力比試、同臺(tái)競(jìng)爭(zhēng)甚至“掰手腕”的命運(yùn)，作為要走進(jìn)尋常百姓家的導(dǎo)航利器，北斗更是如此。11月5日晚，我國(guó)最新一代導(dǎo)航衛(wèi)星北斗三號(hào)首次發(fā)射后，人們便迫不及待想知道走向全球的中國(guó)北斗，究竟能否和GPS一決高下。

這可能也是航天活動(dòng)不近人情的地方，在最抓眼球的火箭點(diǎn)火、呼嘯蒼穹之后，人們的好奇心大多留給了“火箭發(fā)射有多厲害”“飛天衛(wèi)星有什么用”等問(wèn)題，至于其背后技術(shù)含量、研制人員辛勞程度則鮮有問(wèn)津。不過(guò)，這一點(diǎn)并不完全適用于北斗，因?yàn)橐嬲f(shuō)清楚它和GPS的區(qū)別，一些技術(shù)細(xì)節(jié)甚至是技術(shù)路線問(wèn)題是繞不開(kāi)的。

畢竟，中國(guó)北斗比GPS起步晚了20多年，不僅沒(méi)能和后者站在同一條起跑線，就是在之后的追趕過(guò)程中，也不能說(shuō)完全躋身到了同一個(gè)賽道上。以導(dǎo)航系統(tǒng)的地面站建設(shè)為例，美國(guó)打造GPS，可以在全世界“布點(diǎn)設(shè)站”，而中國(guó)囿于種種原因只能在“天上”想辦法，攻堅(jiān)衛(wèi)星之間、星座之間的鏈路技術(shù)。

這正應(yīng)了人們常說(shuō)的那句 “既是挑戰(zhàn)，也是機(jī)遇”。太空是個(gè)大舞臺(tái)，在這個(gè)舞臺(tái)上亮相的各種衛(wèi)星，扮演著生旦凈末丑不同的“角色”，但是無(wú)論什么樣的角色，都有其基本功以及獨(dú)門(mén)手藝，北斗也不例外。中國(guó)青年報(bào)·中青在線記者就此采訪有關(guān)專(zhuān)家，揭秘走向全球的中國(guó)北斗究竟是怎樣煉成的。

“大腦”：數(shù)十顆北斗衛(wèi)星“天上漂”如何不擅離職守？

作為北斗三號(hào)衛(wèi)星的打造者，中國(guó)航天科技集團(tuán)五院的專(zhuān)家給出過(guò)這樣一個(gè)比方——

如果把衛(wèi)星類(lèi)比成人的話，那么衛(wèi)星的控制系統(tǒng)就相當(dāng)于人的“大腦與神經(jīng)組織”，指揮肢體完成各種工作；衛(wèi)星推進(jìn)系統(tǒng)相當(dāng)于人的“肌肉組織”，推動(dòng)肢體完成各種工作；而能源系統(tǒng)相當(dāng)于人的“血液循環(huán)組織”，為大腦和肢體提供能量。

而為整個(gè)衛(wèi)星提供時(shí)間基準(zhǔn)、維持時(shí)間準(zhǔn)確性的守時(shí)設(shè)備——原子鐘，則相當(dāng)于人的“心臟”，可謂“沒(méi)有原子鐘就沒(méi)有全球?qū)Ш?rdquo;。衛(wèi)星之間的鏈路技術(shù)，相當(dāng)于人的“靈魂”，讓人與人遠(yuǎn)距離之間也能夠相互感應(yīng)，彼此惦記，做到“心有靈犀”。

先說(shuō)“大腦與神經(jīng)組織”。這關(guān)乎不少人的一個(gè)疑問(wèn)，即“數(shù)十顆北斗衛(wèi)星同時(shí)在天上漂，他們?nèi)绾巫龅讲簧秒x職守？”

答案是，他們非常“自律”，知道自己該待在什么地方。而這種“自律”就得益于被稱(chēng)作衛(wèi)星“大腦與神經(jīng)組織”的控制系統(tǒng)。

按照中國(guó)航天科技集團(tuán)五院北斗三號(hào)副總設(shè)計(jì)師高益軍的說(shuō)法，控制系統(tǒng)就是衛(wèi)星在天上保持正確軌道、正確姿態(tài)的“總指揮”，它實(shí)時(shí)搜集衛(wèi)星的軌道和姿態(tài)信息，一旦發(fā)現(xiàn)有所偏離，就指揮自己回到正常狀態(tài)。

高益軍說(shuō)，有了這個(gè)北斗三號(hào)的控制分系統(tǒng)，就相當(dāng)于增加衛(wèi)星“至少60天”的完全自主運(yùn)行能力。這意味著，一旦地面測(cè)控站出現(xiàn)故障期間，北斗衛(wèi)星仍能夠正常在軌工作。

“這樣大大減少了對(duì)地面站的依賴(lài)，成就‘可視’范圍外對(duì)衛(wèi)星的控制。并大大降低系統(tǒng)的運(yùn)行管理成本，當(dāng)然這也給衛(wèi)星控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)帶來(lái)了很大的難度。”高益軍說(shuō)。

值得一提的是，此次北斗三號(hào)研制任務(wù)中，控制系統(tǒng)國(guó)產(chǎn)化單機(jī)達(dá)100%，分系統(tǒng)國(guó)產(chǎn)化元器件占90%以上——這是高益軍透露的一組數(shù)據(jù)。他說(shuō)：“控制系統(tǒng)里沒(méi)有一臺(tái)進(jìn)口產(chǎn)品。”

至于衛(wèi)星的“血液循環(huán)組織”，有一個(gè)重要的組成部分，名為“二次電源”，它將衛(wèi)星上一次太陽(yáng)能或電池的電能進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并通過(guò)星上線纜網(wǎng)——相當(dāng)于衛(wèi)星的“血管系統(tǒng)”，輸送到各種電子設(shè)備。

按照中國(guó)航天科技集團(tuán)五院510所專(zhuān)家的說(shuō)法，電子設(shè)備有什么樣的口味，他們就有什么樣的“電能菜譜”，讓衛(wèi)星電子設(shè)備“大快朵頤”，來(lái)完成在太空中的表演。

“心臟”：精確定位的前提是一只“300萬(wàn)年1秒誤差”的鐘

不少人談及北斗、GPS等衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，第一個(gè)疑問(wèn)就是“天上的‘星星’是如何‘看到’我們的位置，又怎么能如此精準(zhǔn)地‘指引’我們的方向？”

這就不得不提到被稱(chēng)作衛(wèi)星“心臟”的原子鐘，導(dǎo)航系統(tǒng)幾乎都是依靠它來(lái)“掌握”時(shí)間的精度。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)總設(shè)計(jì)師楊長(zhǎng)風(fēng)說(shuō)，時(shí)間精度就是衛(wèi)星導(dǎo)航的“命門(mén)”，天地間時(shí)間越同步、誤差越小，定位精度越高。

然而，在北斗導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)展初期，我國(guó)并不具備研制生產(chǎn)星載原子鐘的能力。楊長(zhǎng)風(fēng)說(shuō)，過(guò)去，只有少數(shù)國(guó)家能夠制造衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)使用的高精度原子鐘，但對(duì)我國(guó)實(shí)行嚴(yán)格限制，甚至直接禁運(yùn)，“這才倒逼我們研制能夠上星的原子鐘”。

直到北斗二號(hào)建設(shè)時(shí)，他國(guó)壟斷才被徹底打破。如今，北斗三號(hào)建設(shè)大幕拉開(kāi)，我們也迎來(lái)了最新一代原子鐘——“銣原子鐘”。

所謂“銣原子鐘”，是以銣原子躍遷為物理基礎(chǔ)建立的一套極度精密的電子設(shè)備，簡(jiǎn)稱(chēng)“銣鐘”。其穩(wěn)定度，直接關(guān)乎導(dǎo)航衛(wèi)星的定位、測(cè)速和授時(shí)功能的精度，甚至可以說(shuō)，直接決定著導(dǎo)航衛(wèi)星的成敗。

楊長(zhǎng)風(fēng)說(shuō)，北斗三號(hào)所配備的銣鐘，其穩(wěn)定度達(dá)到E－14量級(jí)，“這相當(dāng)于300萬(wàn)年只有1秒誤差”。

中國(guó)航天科技集團(tuán)五院北斗三號(hào)衛(wèi)星總設(shè)計(jì)師王平說(shuō)，這一技術(shù)進(jìn)步，直接推動(dòng)了我國(guó)全球?qū)Ш较到y(tǒng)定位精度，由之前“區(qū)域系統(tǒng)”的10米，跨越到后續(xù)“全球系統(tǒng)”米級(jí)分辨率，測(cè)速和授時(shí)精度同步提高一個(gè)量級(jí)。

五院原子頻標(biāo)領(lǐng)域首席專(zhuān)家賀玉玲博士透露，當(dāng)前，中國(guó)航天科技集團(tuán)五院西安分院正在研制甚高精度銣原子鐘，爭(zhēng)取未來(lái)將導(dǎo)航衛(wèi)星的定位精度、授時(shí)精度再提高一個(gè)量級(jí)，屆時(shí)，這種追求精度極致的探索，或?qū)?dòng)新興產(chǎn)業(yè)和新興社會(huì)應(yīng)用的出現(xiàn)。

“靈魂”：離“天地之間萬(wàn)物互聯(lián)”不遠(yuǎn)了

當(dāng)然，只有一顆衛(wèi)星不足以稱(chēng)之為系統(tǒng)。我們常說(shuō)的北斗，是中國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱(chēng)，不是指一顆衛(wèi)星，以北斗三號(hào)這一代為例，按照計(jì)劃，要到2020年，完成30多顆組網(wǎng)衛(wèi)星發(fā)射，才能構(gòu)成全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)所謂的全球服務(wù)能力。

另一個(gè)容易被忽略的細(xì)節(jié)是，除了空間段這30多顆衛(wèi)星，整個(gè)北斗系統(tǒng)還包括地面段和用戶(hù)段，前者有地面基準(zhǔn)站，后者有用戶(hù)終端。

這就引出一個(gè)問(wèn)題，即我國(guó)很難像GPS那樣，在全球大范圍建立地面站，為解決境外衛(wèi)星的數(shù)據(jù)傳輸通道，似乎只能從“星間鏈路”下手——在衛(wèi)星之間搭建的通信測(cè)量鏈路，實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星與衛(wèi)星、衛(wèi)星與地面站的鏈路互通。

這就是說(shuō)，雖然我們“看不見(jiàn)”處在地球另一面的北斗衛(wèi)星，但通過(guò)北斗衛(wèi)星的星間鏈路，同樣能和它們?nèi)〉寐?lián)系。

五院西安分院北斗導(dǎo)航副總設(shè)計(jì)師張立新說(shuō)，星間鏈路技術(shù)就好比讓北斗三號(hào)“太空兄弟手拉手”，不僅相互間通信和數(shù)據(jù)傳輸，還能相互測(cè)距，自動(dòng)“保持隊(duì)形”，可以減輕地面管理維護(hù)壓力。

當(dāng)然，星間鏈路并非只是“地面站難以大范圍建設(shè)”的權(quán)宜之計(jì)，也是掌握著“主動(dòng)出擊”“自主導(dǎo)航”的關(guān)鍵。

所謂自主導(dǎo)航，就是指“即使地面站全部失效，30多顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星也能通過(guò)星間鏈路提供精準(zhǔn)定位和授時(shí)，地面用戶(hù)通過(guò)手機(jī)等終端仍舊能進(jìn)行定位及導(dǎo)航”。

張立新說(shuō)，由于北斗導(dǎo)航衛(wèi)星的地面站較少，地面系統(tǒng)的全球連續(xù)完好性監(jiān)測(cè)，和實(shí)時(shí)告警的時(shí)間一般需要“數(shù)十秒到幾小時(shí)”，而衛(wèi)星上的直接監(jiān)測(cè)預(yù)警，僅僅需要幾秒鐘的時(shí)間。

在他看來(lái)，衛(wèi)星自主完好性監(jiān)測(cè)，是北斗三號(hào)的一項(xiàng)新技術(shù)，相較于美國(guó)的GPS、俄羅斯的格洛納斯以及歐洲的伽利略等導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)，中國(guó)北斗在世界上首次實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星的在軌完好性自主監(jiān)測(cè)功能。

此外，北斗三號(hào)的星間鏈路系統(tǒng)，還能與其他類(lèi)型衛(wèi)星相關(guān)聯(lián)，聯(lián)網(wǎng)的數(shù)量可達(dá)上百顆。張立新說(shuō)：“這對(duì)于構(gòu)建我國(guó)的天基綜合信息網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)我國(guó)衛(wèi)星之間聯(lián)網(wǎng)具有不可小覷的作用。”

他以遙感衛(wèi)星為例，遙感衛(wèi)星對(duì)全球的地面進(jìn)行測(cè)繪，但只有衛(wèi)星經(jīng)過(guò)國(guó)土境內(nèi)時(shí)，才能將其收集到的圖片信息傳回地面，而在天基綜合信息網(wǎng)中，遙感衛(wèi)星就能夠以北斗導(dǎo)航衛(wèi)星的星間鏈路為“通道”，實(shí)現(xiàn)信息的實(shí)時(shí)傳輸，互通天地信息。

如此，也就離我們所說(shuō)的“天地之間萬(wàn)物互聯(lián)”不遠(yuǎn)了。