1994年12月，北斗導航實驗衛(wèi)星系統(tǒng)工程獲批，一場匯集全國400多家單位、30余萬名科研人員的“大會戰(zhàn)”就此開啟。2020年7月31日，北斗三號全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)正式開通，中國成為第三個獨立擁有全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)的國家。20余年間，從技術攻關到組網，中國科學院在北斗系統(tǒng)精準定位的核心——時空基準的建立、保持和傳遞技術方面作出了突出貢獻。衛(wèi)星導航系統(tǒng)規(guī)模大、造價高，和國民生活息息相關。我國導航衛(wèi)星建設規(guī)劃為——北斗一號覆蓋國內區(qū)域，北斗二號擴大到亞太區(qū)域，北斗三號走向全球。但僅僅走向亞太就很不容易，合作不暢、國際封鎖、核心技術攻關等一系列問題亟待解決。規(guī)劃中的北斗三號，應該怎么走？2007年，上海微小衛(wèi)星工程中心（中國科學院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院〈以下簡稱衛(wèi)星創(chuàng)新院〉前身）向中國科學院請纓參與北斗系統(tǒng)攻關研究。2009年，北斗三號工程實施方案獲批，中國科學院任命時任載人航天工程應用系統(tǒng)副總設計師林寶軍為衛(wèi)星總設計師。林寶軍確立的目標是，要做出能經受住歷史考驗、與大國氣度相當的大國重器。“關鍵技術攻關一般需要10年，衛(wèi)星的壽命往往在10年以上，到衛(wèi)星運行終結時，使用的已經是20年前的技術了?！绷謱氒姀娬{，“理念的創(chuàng)新性和前瞻性就顯得更加重要。”為了給衛(wèi)星“瘦身”，林寶軍將原來的結構、熱控等十幾個分系統(tǒng)合并成電子學、控制、結構、載荷四大功能鏈，簡化了系統(tǒng)結構，同時提升了整體可靠性。“比如原來每個分系統(tǒng)都需要計算機，一顆衛(wèi)星上甚至要24臺計算機，現在1臺計算機就可以完成整星計算功能?！绷謱氒娕e例說，“即便增加兩臺備用計算機，重量和功耗也能降到原有的八分之一?！?/span>同時，林寶軍帶領團隊對配置進行了前瞻性規(guī)劃，在“后墻”不倒的前提下，選用成熟的元器件和工藝路線，確保創(chuàng)新技術落地，使衛(wèi)星整體技術領先。那段時間，林寶軍經常聽到這樣的聲音：“歐美都沒試過，我們可以嗎？”“咱們已經跑得夠快了，能不能稍微穩(wěn)當點？”要說沒有壓力是不可能的。林寶軍曾花了整整一周時間，從早上9點到晚上12點，一家一家單位跑，一個人一個人溝通，累了就喝功能飲料，終于讓所有人都接納了他的新觀念。2015年3月30日，北斗三號全球系統(tǒng)首發(fā)試驗星成功升空入軌，這是中國科學院抓總研制的第一顆北斗導航衛(wèi)星。這顆試驗星的新技術超過70%，運行良好。林寶軍為團隊自豪：“81個人、平均年齡才31歲的團隊，用3年零3個月的時間就走出跨越之路。”全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)包含導航、定位、授時三大功能，時間基準技術水平直接決定導航定位精度。定位的基本原理是用光速乘以時間來測量距離，如果時間信號測量存在十億分之一秒的誤差，就會引起0.3米的距離測量或定位誤差。只有被稱為導航衛(wèi)星“心臟”的原子鐘，才可作為計時的秒長時間標準參與測量如此高精度要求的時間差。目前實現導航衛(wèi)星應用的有銣原子鐘（以下簡稱銣鐘）、銫原子鐘和氫原子鐘（以下簡稱氫鐘）。相較而言，銣鐘體積小、重量輕、功耗低、可靠性高、壽命長，制造和使用成本最低。中國科學院精密測量科學與技術創(chuàng)新研究院（簡稱精密測量院）研究員梅剛華帶領團隊，從1997年開始便扎進了星載銣鐘的研究。團隊開發(fā)了開槽管式微波腔、長壽命光譜燈、精密泡頻控制等一批具有自主知識產權的關鍵技術，逐一突破精度、小型化、壽命、可靠性、衛(wèi)星環(huán)境適應性等技術難點，使我國星載原子鐘實現從無到有的跨越。第一代星載銣鐘滿足了北斗二號工程建設需求。2009年，北斗三號衛(wèi)星工程啟動，計劃研制高精度星載銣鐘。梅剛華在調研中發(fā)現，即便經過幾年的努力做出了高精度銣鐘，性能也比GPS新一代銣鐘差一大截。為實現建設國際一流北斗系統(tǒng)的目標，梅剛華建議，同時開展高精度和甚高精度星載銣鐘的技術攻關，后者要直接對標GPS。2016年，甚高精度銣鐘成功通過驗收，無論是短穩(wěn)還是長穩(wěn)均超過了GPS銣鐘。后續(xù)銣鐘產品天穩(wěn)定度平均值為3.8E-15，對應的計時誤差為每天一百億分之三秒，可滿足分米級定位需求。從事星載銣鐘研究20多年，梅剛華說大部分時間都是在仰視國外技術的壓抑中度過的，甚高精度銣鐘研制成功，讓他長長舒了一口氣。星載氫鐘具備頻率穩(wěn)定性好、漂移率小的特點，既能保證精度，又能提高衛(wèi)星自主運行能力。“銣鐘的成熟度和可靠性都很高。”衛(wèi)星創(chuàng)新院導航研究所所長、北斗三號導航衛(wèi)星副總指揮沈苑解釋，“選用氫鐘，對衛(wèi)星總體而言，是一個全新挑戰(zhàn)。”綜合考慮北斗導航系統(tǒng)未來的發(fā)展趨勢，衛(wèi)星總體團隊決定采用“氫鐘+銣鐘+鐘組無縫切換的時頻技術”設計，確保當某個原子鐘出現異常時，導航系統(tǒng)運行不會中斷。衛(wèi)星時頻系統(tǒng)交給了兩個年輕人——如今的衛(wèi)星創(chuàng)新研究院研究員、北斗三號衛(wèi)星總設計師張軍和中國科學院上海天文臺（以下簡稱上海天文臺）正高級工程師帥濤。他們與時任中國科學院國家授時中心（以下簡稱授時中心）時間頻率測量與控制研究室主任李孝輝等共同攻關，從電路原理設計開始一步步摸索。白天開會、協(xié)調總體相關事項，下班或節(jié)假日就抓緊時間調試設備、做測試，解決時頻相關問題，是張軍和帥濤那段時間的常態(tài)。這個小團隊在學科交叉中探索出一套擁有自主知識產權的數字化星載原子時頻解決方案，實現主備原子鐘切換時，輸出信號的相位誤差不到五百億分之一秒，滿足了“無縫切換”的要求。在2012年的兩次大系統(tǒng)比測中，他們開發(fā)的時頻原型樣機均表現優(yōu)秀。但此時，星載氫鐘的研制卻不太順利。2013年，在林寶軍的建議下，帥濤加入上海天文臺氫鐘團隊。上海天文臺是國內首家開展氫鐘研制的單位，到北斗三號工程實施時，已開發(fā)出第四代地面氫鐘，用于地面系統(tǒng)守時并校準星載氫鐘?！斑@幾年我們主要解決的問題包括尋找合適的氫原子吸附材料，以進一步提高可靠性、實現批量化生產?！鄙虾Ｌ煳呐_正高級工程師、地面氫鐘負責人蔡勇介紹。同時，在上海天文臺研究員林傳富的帶領下，上海天文臺首次將電極式微波腔技術、雙頻電路技術應用于星載氫鐘的研制。星載氫鐘需適應惡劣的太空環(huán)境，還要經歷衛(wèi)星和火箭分離時劇烈的振動沖擊過程。帥濤加入時，團隊已研制出30公斤級別的星載氫鐘原理樣機，但產品的工程化程度離上天應用還有差距。“在一次鑒定級力學試驗中，一個核心器件內部的引線斷裂了，當時距離衛(wèi)星發(fā)射僅剩幾個月?！睅洕貞洠拔覀冎荒茼斨鴫毫?，聯(lián)合廠家加班加點排查、解決問題，同時舉一反三，并行開展正樣產品研制工作。”2015年9月，首臺雙頻被動式氫鐘搭載試驗衛(wèi)星進入太空。在軌數據表明，氫鐘的平均每日頻率穩(wěn)定度和漂移率均達到了小系數E-15量級，核心指標優(yōu)于伽利略星載氫鐘。也是在2015年，授時中心建成了第一顆北斗導航衛(wèi)星的地面支持系統(tǒng)以及我國第一套全面的、實時連續(xù)運行的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)時間，以及信號授時和軌道性能評估系統(tǒng)。“地面支持系統(tǒng)全面完成了第一顆北斗衛(wèi)星的在軌測試和試驗，驗證了北斗全球系統(tǒng)兩個核心體制。”授時中心副研究員楊海彥介紹，“性能評估系統(tǒng)用于對北斗系統(tǒng)進行‘常規(guī)體檢’，追蹤其提供的定位、導航和授時服務是否正常。我們形成了一體化軟硬件平臺，在北斗系統(tǒng)衛(wèi)星在軌測試、全球組網、精穩(wěn)運行等核心環(huán)節(jié)中發(fā)揮著支撐作用?！?/span>長期以來，授時中心在提高北斗系統(tǒng)時間的準確性、穩(wěn)定性和自主性方面，發(fā)揮了重要作用，自主研發(fā)建成了全球首個以40米天線為核心的北斗空間信號質量評估系統(tǒng)。2018年，是北斗三號密集發(fā)射組網星的一年，共發(fā)射了18顆衛(wèi)星，其中8顆都由中國科學院的團隊研制。其間，授時中心研究員饒永南和同事一邊運維40米大口徑天線，一邊攜帶設備奔赴各地開展衛(wèi)星出廠測試。人手不足、時間緊張都不是問題。他們專門租借了大鐵皮箱，把裝備裝進鐵箱，一個人扛著就能奔赴各地測試；測試廠房無法與外界討論技術問題，就自己開發(fā)小程序進行排查。躺在地上擰電纜、裹著軍大衣加班、半夜睡泡沫箱，是那段時間里團隊成員們常有的經歷。“那時候經常干到深夜，但每個人的臉上都洋溢著信心和希望。”這些畫面，久久地留在饒永南腦海中。2019年10月，當北斗三號組網進入最后沖刺階段時，一個好消息傳來——可移動式激光測距系統(tǒng)研制完成并通過驗收。這個移動測距站是一個長8米、寬2.5米的“屋子”，里面分為望遠鏡艙、光學室艙、控制室艙。衛(wèi)星激光測距系統(tǒng)好比一把“量天尺”，通過測定激光信號從地面站與搭載光學反射器導航衛(wèi)星的往返時間差，計算出它們之間的距離，進而標校北斗的定位、導航等指標精度。此前，我國在北京、三亞、喀什建有地面站，但容易受到天氣影響，機動性很強的移動站可以彌補固定臺站有限布局的缺欠。上海天文臺正高級工程師張忠萍從20世紀80年代初，就開始和激光測距系統(tǒng)打交道，但要做出這樣一套機動性極強的移動測距站，他還是犯了怵。其中一項挑戰(zhàn)是“一鍵式”——只要按下控制鍵，移動站就能從密閉的長方體變?yōu)榭晒┤诉M入并操作的平臺。這要求系統(tǒng)具有高度自動化能力。此外，衛(wèi)星激光測距系統(tǒng)的核心激光器非常“嬌貴”，溫度波動大一些、房間潔凈度下降一些，就可能“罷工”。由于低估了環(huán)境對激光器造成的影響，第一臺激光器無法完全滿足移動站日常使用要求。張忠萍和合作者決定，一起湊經費重新研制一臺。新的激光器很快投入常規(guī)運作，規(guī)避了此前的問題，最遠測距可達38800公里，最佳測距誤差在亞厘米級。之后，團隊趁熱打鐵，對3個北斗地面固定站的激光測距系統(tǒng)進行了升級換代，全面實現北斗衛(wèi)星全天時測距，為北斗衛(wèi)星空間位置精確測量“保駕護航”。要服務用戶導航、定位、授時，首先必須計算出衛(wèi)星的位置和時間等信息，確定北斗系統(tǒng)的時空基準。這項任務由北斗衛(wèi)星工程地面運控系統(tǒng)主控站下屬的信息系統(tǒng)實現。信息處理系統(tǒng)被喻為北斗導航系統(tǒng)的“大腦”，它融合衛(wèi)星、地面以及星地之間的各種時間、距離等測量和測控信息，進行精細的計算和建模，并生成導航電文將信息通過北斗衛(wèi)星播發(fā)給用戶使用。由于無法在海外建設觀測站，北斗系統(tǒng)面臨區(qū)域觀測網與全球高精度服務的矛盾。上海天文臺的信息處理系統(tǒng)團隊提出了“融合雙向時間同步的衛(wèi)星測軌”“基于載波相位的四重增強校正”等新技術，在地面觀測網僅有GPS系統(tǒng)1/50的情況下，達到了國際先進的性能指標。同時，針對北斗系統(tǒng)一系列技術和體制的“國際首創(chuàng)”，信息處理系統(tǒng)負責對其進行大系統(tǒng)驗證，并將其應用于北斗系統(tǒng)服務性能的改進。以北斗三號的星間鏈路為例，基于毫米波相控陣的Ka星間鏈路技術，實現了衛(wèi)星之間的觀測。上海天文臺正高級工程師胡小工帶領團隊提出并實現了“區(qū)域監(jiān)測網+星間鏈路”的星地星間聯(lián)合精密定軌技術，并通過特別設計提高了聯(lián)合定軌數據處理算法的穩(wěn)健性和容錯性。“可以理解為讓北斗系統(tǒng)有了‘耳朵’，這樣‘眼睛’看不到的地方，可以通過聽來實現導航的作用。”上海天文臺研究員陳俊平解釋。陳俊平進一步提出“星地融合”理念，一方面通過引入更多地面基準站提高地基精度，另一方面更新北斗信息系統(tǒng)模型算法，提升北斗時空信號精度。北斗坐標系是北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的空間基準，負責為北斗全球導航定位授時服務、星基增強服務、精密單點定位服務提供地面區(qū)域監(jiān)測網臺站精密坐標。上海天文臺正高級工程師周善石帶領團隊，提出聯(lián)合北斗星地星間多源測量手段實現區(qū)域監(jiān)測網高精度臺站坐標解算的新方法，采用全球聯(lián)測方式，2023年實現了與最新版國際地球參考框架ITRF對齊。2020年4月，全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)服務組織對四大衛(wèi)星導航系統(tǒng)的運行，進行了為期兩個月的測試評估。結果顯示，目前能夠向全球用戶提供導航服務的只有北斗和GPS；而在時頻、信號、空間精度等核心指標上，北斗已經全面超過GPS。2021年，GPS之父布拉德·帕金森在一次采訪中表示：“我認為中國（北斗）已經超過GPS。”林寶軍當初暗自設下的目標，已然變?yōu)楝F實，背后既有頂層的高瞻遠矚，也有每一位科研人員的全情投入。作為“國家隊”，中國科學院積極履行“面向國家重大戰(zhàn)略需求”的使命擔當，主動參與北斗建設。每位參與的科研人員，都以昂揚的斗志投入北斗工程的建設，踐行著新時代的北斗精神。如今，他們正在進一步發(fā)揚北斗精神，為實現“2035年前建成更加泛在、更加融合、更加智能的國家綜合定位導航授時體系”的目標而不懈努力。《中國科學報》 (2024-09-26 第4版?專題)
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