26載59星 中國(guó)北斗的非凡之旅

龐丹

2020年6月23日，由中國(guó)航天科技集團(tuán)有限公司五院抓總研制的第55顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星成功發(fā)射，北斗三號(hào)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)星座部署全面完成。

中國(guó)航天人于20世紀(jì)80年代開始探索適合國(guó)情的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展道路，形成了“三步走”發(fā)展戰(zhàn)略。隨后，用26年的時(shí)間實(shí)現(xiàn)了59星發(fā)射?；厥字袊?guó)北斗自主創(chuàng)新的發(fā)展歷程，作為北斗導(dǎo)航研制的“國(guó)家隊(duì)”，航天科技集團(tuán)五院的研制團(tuán)隊(duì)匯聚各方力量，同舟共濟(jì)，攜手拼搏，走出了一條獨(dú)特的探索道路。

雄關(guān)漫道導(dǎo)航路

早在北斗工程誕生之前，我國(guó)就曾在衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域苦苦摸索，在理論探索和研制實(shí)踐方面都開展了卓有成效的工作。作為先驅(qū)者，立項(xiàng)于20世紀(jì)60年代末的“燈塔計(jì)劃”雖然最終因技術(shù)方向轉(zhuǎn)型、財(cái)力有限等原因終止，但它卻如同黑夜中的一盞明燈，以十余年的設(shè)計(jì)、研制為五院積累了寶貴的工程經(jīng)驗(yàn)。

艱難的抉擇。1983年，以陳芳允院士為代表的專家學(xué)者提出了利用兩顆地球同步軌道衛(wèi)星來測(cè)定地面和空中目標(biāo)的設(shè)想，通過大量理論和技術(shù)上的研究工作，雙星定位系統(tǒng)的概念逐步明晰。接下來的北斗路，是一步跨到全球組網(wǎng)，還是分階段走？在當(dāng)時(shí)引發(fā)了不小的爭(zhēng)議。最終，“先區(qū)域、后全球”的思路被確定下來，“三步走”的北斗之路由此鋪開。

先解決有無。1993年初，五院提出衛(wèi)星總體方案，初步確定了衛(wèi)星技術(shù)狀態(tài)和總體技術(shù)指標(biāo)。1994年，北斗一號(hào)系統(tǒng)工程立項(xiàng)，五院組建了衛(wèi)星研制隊(duì)伍，全面展開研制工作。然而，當(dāng)時(shí)國(guó)外對(duì)我們技術(shù)封鎖，國(guó)內(nèi)的部件廠家尚未成熟，北斗一號(hào)研制只能在摸索中起步。據(jù)航天科技集團(tuán)五院北斗一號(hào)總設(shè)計(jì)師范本堯院士回憶，國(guó)產(chǎn)化從北斗一號(hào)的太陽帆板做起，“當(dāng)時(shí)很多衛(wèi)星都不敢上，北斗是第一個(gè)‘吃螃蟹的，硬著頭皮上”。之后的國(guó)產(chǎn)化攻關(guān)更為艱苦，不論是東方紅三號(hào)平臺(tái)的橫空出世，還是影響長(zhǎng)壽命的關(guān)鍵部件，憑借自力更生的創(chuàng)業(yè)精神，以李祖洪總指揮、范本堯總設(shè)計(jì)師等為代表的老一輩北斗人逐一攻克，終于在2003年建成了北斗一號(hào)系統(tǒng)，使我國(guó)成為繼美、俄之后第三個(gè)擁有自主衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的國(guó)家。此間積累的建設(shè)和應(yīng)用實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)、教訓(xùn)，以及迅速成長(zhǎng)的北斗研制隊(duì)伍，為后續(xù)工程建設(shè)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

長(zhǎng)風(fēng)破浪會(huì)有時(shí)

1999年，五院在全力研制北斗一號(hào)衛(wèi)星的同時(shí)，展開了對(duì)第二代衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的論證。2004年，北斗二號(hào)衛(wèi)星工程正式立項(xiàng)研制。為實(shí)現(xiàn)快速形成區(qū)域?qū)Ш椒?wù)能力的國(guó)家戰(zhàn)略，以謝軍、楊慧等為代表的北斗人設(shè)計(jì)了國(guó)際上首個(gè)以GEO/IGSO衛(wèi)星為主、有源與無源導(dǎo)航多功能服務(wù)相融合的衛(wèi)星方案，攻克了以導(dǎo)航衛(wèi)星總體技術(shù)、高精度星載原子鐘等為代表的多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，打破了國(guó)外的技術(shù)封鎖，建成了國(guó)際上首個(gè)混合星座區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。2012年12月，該系統(tǒng)開通服務(wù)，服務(wù)區(qū)覆蓋亞太地區(qū)。

談起北斗二號(hào)8年激情燃燒的研制歲月，很多北斗人記憶猶新。2007年正是首顆北斗二號(hào)衛(wèi)星研制攻關(guān)的關(guān)鍵時(shí)刻。根據(jù)國(guó)際電聯(lián)的規(guī)則，頻率資源是有時(shí)限的，過期作廢。時(shí)間不等人！爭(zhēng)分奪秒完成了前期所有研制，為節(jié)省時(shí)間，所有參試人員進(jìn)駐發(fā)射場(chǎng)后又大干三天體力活，搬設(shè)備、扛機(jī)柜、布電纜。沒有片刻的喘息，緊接著就是200小時(shí)不間斷地加電測(cè)試。這一次，院士、型號(hào)老總和技術(shù)人員一起排班，共同度過次次險(xiǎn)情和種種考驗(yàn)。不少隊(duì)員都因?yàn)樗敛环亲?、發(fā)燒，謝軍總設(shè)計(jì)師暈倒了三次，但大家都帶病堅(jiān)持在崗位上……2007年4月16日，在成功發(fā)射的兩天后，北京從飛行試驗(yàn)星獲得清晰信號(hào)，此時(shí)距離空間頻率失效僅有不到4個(gè)小時(shí)。此次壯舉，有效地保護(hù)了我國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的頻率資源，為北斗區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)建設(shè)有序推進(jìn)起到了重要的作用。

和空間頻率申報(bào)期賽跑、攻克一道道技術(shù)難關(guān)、三年14星連戰(zhàn)連捷……汗水與淚水交錯(cuò)中，研制團(tuán)隊(duì)圓滿完成了北斗二號(hào)衛(wèi)星部署，2012年12月27日，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正式提供區(qū)域服務(wù)，北斗系統(tǒng)成為國(guó)際衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)四大服務(wù)商之一。

扶搖九天任君行

2000年成功研制我國(guó)第一代導(dǎo)航衛(wèi)星試驗(yàn)系統(tǒng)，2012年成功建成國(guó)際上首個(gè)混合星座區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，北斗導(dǎo)航“三步走”戰(zhàn)略順利完成前面兩大步，蹄疾而步穩(wěn)。

就在北斗二號(hào)正式提供區(qū)域?qū)Ш蕉ㄎ环?wù)前，北斗三號(hào)全球?qū)Ш较到y(tǒng)的論證驗(yàn)證工作拉開序幕，并明確了研制要求，確定了建設(shè)獨(dú)立自主、開放兼容、技術(shù)先進(jìn)、穩(wěn)定可靠的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展目標(biāo)，自此，北斗一馬當(dāng)先，開啟了從創(chuàng)新發(fā)展的新征程。

建設(shè)高性能、高可靠的北斗全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，是我國(guó)科技領(lǐng)域中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃的16項(xiàng)重大專項(xiàng)之一，系統(tǒng)建設(shè)既是對(duì)北斗區(qū)域系統(tǒng)的完善與升級(jí)，更是聚焦世界一流衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的攀登與跨越。系統(tǒng)建成后性能與GPS相當(dāng)，將使我國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

相對(duì)于北斗二號(hào)區(qū)域系統(tǒng)，北斗三號(hào)服務(wù)區(qū)域?qū)U(kuò)展至全球，同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了下行導(dǎo)航信號(hào)升級(jí)與改造等關(guān)鍵技術(shù)方面的突破，實(shí)現(xiàn)了與北斗二號(hào)下行導(dǎo)航信號(hào)的平穩(wěn)過度，并在此基礎(chǔ)上增加了新的導(dǎo)航信號(hào)，為用戶提供更為優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。

站在前兩代星座的肩膀上，北斗“第三步”邁得無比自信。航天科技集團(tuán)五院的研制團(tuán)隊(duì)在謝軍、遲軍、王平、陳忠貴等專家的帶領(lǐng)下，匯聚各方力量，把車間當(dāng)成戰(zhàn)場(chǎng)，把攻關(guān)當(dāng)成戰(zhàn)斗，奮勇拼搏，先后攻克了北斗系統(tǒng)的各種難關(guān)。

新突破實(shí)現(xiàn)聯(lián)通無極限。由于我國(guó)北斗系統(tǒng)不能像美國(guó)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，航天科技集團(tuán)五院北斗三號(hào)研制團(tuán)隊(duì)攻克了星座星間鏈路技術(shù)，采取星間、星地傳輸功能一體化設(shè)計(jì)，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，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(shù)實(shí)現(xiàn)太空兄弟間手拉手，心相通，不僅實(shí)現(xiàn)了相互間的通信和數(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。星間鏈路技術(shù)的應(yīng)用中，設(shè)計(jì)了全新的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、管理策略和路由策略，解決了不能全球布站進(jìn)行衛(wèi)星境外監(jiān)測(cè)的難題，是北斗全球?qū)Ш较到y(tǒng)建設(shè)的一大特色。

新技術(shù)實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星長(zhǎng)壽命?！氨倍肥且粋€(gè)開放的系統(tǒng)，中國(guó)的北斗，世界的北斗，中國(guó)發(fā)展衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要基礎(chǔ)設(shè)施，也是為全人類提供時(shí)間坐標(biāo)和空間坐標(biāo)的基礎(chǔ)設(shè)施，服務(wù)的連續(xù)性和穩(wěn)定性十分重要”，航天科技集團(tuán)五院北斗三號(hào)衛(wèi)星總指揮遲軍介紹說，就像停水停電影響城市生活一樣，衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù)一旦中斷，國(guó)家和社會(huì)的正常運(yùn)行會(huì)受到很大的影響，因此，對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航的可靠性、連續(xù)性提出了苛刻設(shè)計(jì)的要求。為了提高衛(wèi)星在軌服務(wù)的可靠性，北斗三號(hào)衛(wèi)星采取了多項(xiàng)可靠性措施，使衛(wèi)星的設(shè)計(jì)壽命達(dá)到12 年，達(dá)到國(guó)際導(dǎo)航衛(wèi)星的先進(jìn)水平，為北斗系統(tǒng)服務(wù)的連續(xù)、穩(wěn)定提供了基礎(chǔ)保證。

新“神器”讓服務(wù)“零誤差”。為了提高服務(wù)的精度，北斗三號(hào)配置了新一代原子鐘，通過提升原子鐘指標(biāo)，提升衛(wèi)星性能、改善用戶體驗(yàn)。原子鐘是利用原子躍遷頻率穩(wěn)定的特性保證產(chǎn)生時(shí)間的精準(zhǔn)性，目前國(guó)際上主要有銣原子鐘、氫原子鐘、銫原子鐘等。我國(guó)北斗衛(wèi)星采用銣原子鐘，同時(shí)還配置了性能更高的新研國(guó)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(biāo)更優(yōu)。相對(duì)于銣原子鐘，我國(guó)起步更晚，2015年我國(guó)研制的氫原子鐘首次在軌應(yīng)用驗(yàn)證，為北斗全球?qū)Ш较到y(tǒng)進(jìn)行了技術(shù)探索，至今功能、性能十分穩(wěn)定。星載氫原子鐘的在軌應(yīng)用，對(duì)于實(shí)現(xiàn)北斗導(dǎo)航定位“分秒不差”，發(fā)揮著重要作用。

自2009年12月，北斗三號(hào)研制團(tuán)隊(duì)開始加速?zèng)_刺，并在2018年成功實(shí)現(xiàn)一年19星發(fā)射，在太空中再次刷新了“中國(guó)速度”，不僅率先提出了國(guó)際上首個(gè)高中軌道星間鏈路混合型新體制，形成了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的星間鏈路網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，自主定軌、時(shí)間同步等系統(tǒng)方案，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白;而且研發(fā)、建立了器部件國(guó)產(chǎn)化從研制、驗(yàn)證到應(yīng)用的一體化體系，徹底打破了核心器部件長(zhǎng)期依賴進(jìn)口、受制于人的局面……今日之北斗，已取得史詩(shī)般的進(jìn)步和成就，“三步走”的戰(zhàn)略路徑，從“夢(mèng)想在望”變成“夢(mèng)想在握”。

讓我們沿著時(shí)間的脈絡(luò)，再次梳理中國(guó)北斗的傳奇之路：

1994年，北斗一號(hào)系統(tǒng)工程立項(xiàng);

2003年，北斗一號(hào)系統(tǒng)建成，我國(guó)成為繼美、俄之后第三個(gè)擁有自主衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的國(guó)家;

2004年，北斗二號(hào)衛(wèi)星工程立項(xiàng);

2012年，成功建成國(guó)際上首個(gè)混合星座區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正式提供區(qū)域服務(wù)，北斗系統(tǒng)成為國(guó)際衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)四大服務(wù)商之一;

2009年12月，北斗三號(hào)基本系統(tǒng)立項(xiàng);

2018年12月27日，北斗三號(hào)基本系統(tǒng)正式向“一帶一路”及全球提供基本導(dǎo)航服務(wù)，中國(guó)北斗距離全球組網(wǎng)的目標(biāo)邁出了實(shí)質(zhì)性的一步;

2019年12月底，全球系統(tǒng)核心星座部署完成，對(duì)北斗導(dǎo)航系統(tǒng)全球組網(wǎng)的順利完成具有里程碑式重要意義;

2020年6月23日，第55顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星成功發(fā)射，北斗三號(hào)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)星座部署全面完成。

未來計(jì)劃2035年，以北斗系統(tǒng)為核心，建設(shè)完善更加廣泛、更加融合、更加智能的國(guó)家綜合定位導(dǎo)航授時(shí)體系。