北斗傳奇路

本刊綜合報道

2020年6月23日上午，大涼山腹地的西昌衛(wèi)星發(fā)射中心。推遲一周發(fā)射的長征三號乙運載火箭矗立在發(fā)射塔架旁。

9時43分，伴著山呼海嘯般的巨響，北斗三號最后一顆全球組網(wǎng)衛(wèi)星飛向太空。約30分鐘后，衛(wèi)星順利進入預定軌道，至此，中國提前半年完成北斗全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)星座部署。

推遲的發(fā)射

此次北斗三號最后一顆衛(wèi)星原計劃于6月16日上午發(fā)射，當天清晨6點多新華社對外發(fā)布了發(fā)射任務推遲的消息。

6月15日傍晚，長征三號乙運載火箭已按流程完成常規(guī)推進劑加注，開始進行發(fā)射前的功能檢查。晚上8點多，發(fā)射現(xiàn)場工作人員卻發(fā)現(xiàn)：控制氧流量的一個穩(wěn)壓器中的減壓閥出現(xiàn)了故障。

經(jīng)過討論，專家們一致認為如果排除測試設備問題，那么閥門產(chǎn)品是否存在問題需要盡快排查。發(fā)射塔架上，操作人員按流程進入火箭艙體中對減壓閥進行檢查，殼體上一個三四公分大小的雞爪形細小裂紋映入眼簾。在場的人都驚出一身冷汗。

身在發(fā)射場的人員迅速聯(lián)系北京的同事，對同批次產(chǎn)品從設計到生產(chǎn)、檢驗進行全過程核查。同時，緊急更換備份產(chǎn)品，并檢查其工作狀況是否滿足要求。

臨近12點，新更換的同批次產(chǎn)品經(jīng)檢測工作狀態(tài)正常，具備實施任務條件，但任務指揮部沒有很快作出重啟發(fā)射的決定。中國衛(wèi)星導航系統(tǒng)管理辦公室主任、北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)工程副總設計師冉承其說：“雖然發(fā)生的是材料的一種現(xiàn)象，但我們認為還有不是特別清楚的地方?！弊罱K，前線任務指揮部決策，中止這次任務發(fā)射，不帶疑點加注，不帶隱患上天。

6月16日，問題產(chǎn)品被迅速送回北京，接受材料檢測。當晚，經(jīng)過前后方結果比對，證明了問題發(fā)生的機理。

已經(jīng)加注常規(guī)推進劑的火箭矗立在塔架上，必須迅速拿出符合要求的替換產(chǎn)品，協(xié)調工作隨即展開。與此同時，圍繞問題的研究和歸零工作也在緊張推進。據(jù)冉承其介紹，這個“零”就是讓產(chǎn)品的質量技術狀態(tài)回到跟正常產(chǎn)品一樣，不帶任何隱患回到歸零狀態(tài)。

6月16日中止發(fā)射以后，技術人員爭分奪秒，幾乎沒有休息，6月18日完成了產(chǎn)品的徹底歸零。

6月18日晚，工作人員加班加點，將從北京運來的替換產(chǎn)品安裝上箭。經(jīng)測試，指標符合任務要求。但是，由于夏季氣溫較高，已經(jīng)加注常規(guī)推進劑的火箭貯箱內的燃料溫度和氣枕容積出現(xiàn)變化，已不滿足發(fā)射實施條件。

推進劑不泄出顯然不行，但泄出后再重新加注，會不會又出現(xiàn)新的問題？航天人做出了一個艱難的決定：長三甲系列火箭將進行歷史上前所未有的最大規(guī)模推進劑泄出及重新加注。

“相對于加注，泄出是一個逆操作。推進劑特別是它的氧化劑是有腐蝕性的，時間長了對管路對部件會帶來一定影響，并且要求保證推進劑泄回的過程中不能有任何閃失，還有一定安全性的風險?！比匠衅湔f。

經(jīng)過萬全準備，技術人員分析出此項操作可能涉及的21項風險，并分別制定了應對策略。

從6月19日到20日，火箭一級、二級及四個助推加注口以上的氧化劑、燃燒劑分別安全完成泄出操作。粗略計算，泄出量約占加注燃料總量的3/4，規(guī)模之大世所罕見。

同時，工作人員在對泄出后的助推器氧箱進行檢查時，發(fā)現(xiàn)連接傳感器的法蘭盤螺栓出現(xiàn)輕微腐蝕現(xiàn)象，需要盡快更換。這項操作只能在狹窄的箭體內進行，操作人員要身著防化服從儀器艙艙口鉆進火箭內部，以俯臥的姿勢，在一個小時內精準完成拆除和新產(chǎn)品安裝工作。冉承其說，氧化劑有腐蝕性，燃燒劑對人體有毒副作用，需要操作人員膽大心細，還要有一種舍我其誰的奉獻精神。最終，工作人員完成了4個助推器氧箱24個螺栓的緊急更換任務。

歷經(jīng)為期7天的緊急處置，6月23日上午，長征三號乙運載火箭托舉北斗三號最后一顆全球組網(wǎng)衛(wèi)星從西昌衛(wèi)星發(fā)射中心升空，衛(wèi)星順利進入預定軌道，發(fā)射取得圓滿成功。

收官之星有何不同

“這是北斗三號全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)第3顆GEO衛(wèi)星（地球靜止軌道衛(wèi)星），GEO系列衛(wèi)星雖然數(shù)量不多，但是作用關鍵，作為一顆駐守在高軌天疆的‘大塊頭，它們肩負顯著增強北斗三號整體技術指標的職責，還攜帶了很多利器，為中國北斗在軌運行和應用之路開疆拓土。”中國航天科技集團五院北斗三號工程副總設計師、北斗三號衛(wèi)星首席總設計師謝軍說。

據(jù)謝軍介紹，北斗三號全球系統(tǒng)空間段由中圓地球軌道衛(wèi)星（MEO衛(wèi)星）、傾斜地球同步軌道衛(wèi)星（IGSO衛(wèi)星）和地球靜止軌道衛(wèi)星（GEO衛(wèi)星）3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，共計30顆。謝軍說，GEO衛(wèi)星家族安靜地駐守在地球上方3.6萬公里的天疆，凝視著其他衛(wèi)星“兄弟”的工作，雖自身也具備“十八般武藝”，但是它們給自己賦予更重要的使命—為北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的技術指標提升提供增強服務。

GEO衛(wèi)星家族具有強大的承載能力，因而這顆收官之星和此前已經(jīng)入軌的GEO衛(wèi)星一樣，除具備定位、導航、授時功能外，還具有星基增強、精密單點定位等特色功能，可為中國及周邊地區(qū)用戶提供導航及增強服務。

同時，GEO衛(wèi)星家族沿襲了北斗系統(tǒng)最鮮明的特色，有源定位和短報文通信—這是中國北斗系統(tǒng)的創(chuàng)舉。所謂有源定位，即利用無線電測定技術，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”—這在搜救、漁業(yè)等領域被廣泛應用。

謝軍說，北斗三號的短報文能力從一次120個漢字提升到一次1000個漢字，還可發(fā)送圖片等信息，應用場景更為豐富。此外，北斗三號的特色服務能力較北斗二號進行了拓展，在通信、電力、金融、測繪交通、漁業(yè)、農(nóng)業(yè)、林業(yè)等領域實現(xiàn)更廣的服務。

事實上，在2018年年底，隨著北斗三號基本系統(tǒng)完成建設，中國已經(jīng)開始提供全球衛(wèi)星導航服務。如今，隨著最后一顆北斗三號組網(wǎng)衛(wèi)星的加入，中國將為全球提供更為精準的服務。

中國智慧與中國方案

中國開始研究利用衛(wèi)星進行地面定位服務，始于二十世紀六七十年代。按照空間定位原理，對地球上一個目標點進行定位，至少需要3顆衛(wèi)星；考慮到時間誤差，精確定位至少需要4顆衛(wèi)星。當時的中國，無論是經(jīng)濟實力還是技術基礎，對此都可望不可即。

1983年，中國著名電子學專家陳芳允院士介紹了利用地球同步衛(wèi)星進行定位和通信的設想，解決快速定位與通信問題。這一理論后來被歸納為“雙星定位”，成為日后北斗系統(tǒng)建設發(fā)展的奠基理論。不同于美國全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）的四星定位，“雙星定位”這一方案，能以最小的星座、最少的投入、最短的周期，實現(xiàn)中國衛(wèi)星導航系統(tǒng)從無到有。

1994年，中國啟動北斗一號工程。是時，美國GPS已完成全球組網(wǎng)。

2000年10月31日和12月21日，在不到兩個月的時間內，中國相繼發(fā)射兩顆北斗導航試驗衛(wèi)星，北斗一號系統(tǒng)建成。至此，中國人正式擁有完全屬于自己的衛(wèi)星導航系統(tǒng)，中國成為世界上第三個建成衛(wèi)星導航系統(tǒng)的國家。

北斗系統(tǒng)所擁有的“發(fā)短信”的短報文服務，是國外其他任何一個衛(wèi)星導航系統(tǒng)都不具備的中國北斗特色。北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)工程總設計師楊長風介紹說，兼具導航定位和短報文通信的通導融合模式，是中國對世界衛(wèi)星導航領域的重要貢獻，充分體現(xiàn)了中國人的智慧。

實事求是地說，與美國的GPS、俄羅斯的格洛納斯相比，北斗一號仍有不小差距，但“服務全球、造福人類”是中國北斗人的初心。

于是，北斗二號系統(tǒng)建設提上日程。

彼時，最適合衛(wèi)星導航的黃金頻段被美俄全部占用。中國與同時希望建設衛(wèi)星導航系統(tǒng)的歐盟，推動國際電聯(lián)從航空導航頻段中，最大限度地擠出一小段頻率，供衛(wèi)星導航共同使用。

這一小段頻率，只有黃金頻段的四分之一，卻是建設一個全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)最基本的頻率需求，且各國均可平等申請。

2000年4月17日，中國北斗和歐盟伽利略系統(tǒng)同時成功申報。按照國際電聯(lián)規(guī)則，必須在7年有效期內成功發(fā)射導航衛(wèi)星。

2007年4月14日4時11分，肩負著重要使命的首顆北斗二號衛(wèi)星發(fā)射升空，幾天后太空傳來這顆衛(wèi)星的信號，中國趕上了建設全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)的最后一班車。這一刻，距離國際電聯(lián)規(guī)定的頻率申請失效最后期限只有不到4個小時。

建成覆蓋全球的導航定位系統(tǒng)，至少需要24顆衛(wèi)星。北斗人開創(chuàng)性地設計了混合星座構型，并于2012年底建成由GEO、IGSO和MEO共14顆衛(wèi)星構成的北斗二號系統(tǒng)，實現(xiàn)了全天時全天候為亞太大部分地區(qū)提供定位導航授時服務。

按照傳統(tǒng)衛(wèi)星管理手段，控制使用好繞飛地球的衛(wèi)星，需要有遍布全球的地面站。在難以全球布站的情況下，北斗給出的中國方案是星間鏈路，即衛(wèi)星之間、星地之間互聯(lián)互通，實現(xiàn)衛(wèi)星管衛(wèi)星。2015年8月，兩顆全球系統(tǒng)試驗衛(wèi)星首次建立起星間鏈路，標志著中國掌握了這一國際領先的核心技術。

2017年11月5日，北斗三號全球組網(wǎng)雙星首次發(fā)射。2018年12月27日，北斗三號基本系統(tǒng)建成并開始提供全球服務。2019年12月16日，北斗三號全球系統(tǒng)核心星座部署完成，北斗全球服務能力全面實現(xiàn)。2020年6月23日，中國完成北斗全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)星座部署，北斗完整服務全球的目標指日可待。

走自主創(chuàng)新的中國道路

“作為時間和空間的基準，如果由別人提供，安全感何來？比如當前的熱點新基建，也將是中國建設發(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基礎，北斗導航系統(tǒng)是新基建的基建，基礎的基礎。”中國航天科技集團五院北斗三號衛(wèi)星總設計師陳忠貴說。

從北斗一號解決有無問題，到北斗二號打破國外技術封鎖，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，再到北斗三號一馬當先，走出了自主創(chuàng)新的北斗之路。

這個過程殊為不易。

早在項目最初的總體設計方案評審會上，針對北斗導航電文參數(shù)如何解算問題就存在激烈的爭論，多數(shù)人主張采用與GPS相同的技術體制，北斗工程團隊抓住了技術發(fā)展趨勢，認為導航通信多業(yè)務一體化融合更適合北斗系統(tǒng)，并鼓勵團隊說：“我們要堅定地走自主創(chuàng)新之路，勇敢地走最適合中國北斗導航系統(tǒng)之路?！?/p>

原子鐘被譽為北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的“心臟”，為系統(tǒng)提供高穩(wěn)定的時間頻率基準信號，決定了導航系統(tǒng)的導航定位、測速及授時精度，是一個國家是否具備獨立發(fā)展導航系統(tǒng)能力的核心標志之一。星載原子鐘精度要求高，技術難度大，曾長期為美國、俄羅斯、瑞士等少數(shù)國家所壟斷。為了滿足北斗系統(tǒng)工程建設需求，中國科學院精密測量科學與技術創(chuàng)新研究院梅剛華研究員及其團隊開展了長達20余年的科技攻關。

抱著“讓北斗用上最好的鐘”的信念，梅剛華團隊相繼突破了星載銣原子鐘精度、小型化、壽命、可靠性和衛(wèi)星環(huán)境適應性五大關鍵技術，研制出三代星載銣原子鐘，使中國星載銣鐘技術實現(xiàn)了從無到有、由有到精的跨越。

一代代北斗人用熱血和汗水澆灌的北斗系統(tǒng)，不負眾望地交出了一份舉世矚目的成績單：北斗基礎產(chǎn)品現(xiàn)已實現(xiàn)國產(chǎn)化，北斗芯片、模塊等關鍵技術全面突破，性能指標與國際同類產(chǎn)品相當。截至2019年底，國產(chǎn)北斗導航型芯片、模塊等基礎產(chǎn)品銷量已突破1億片，國產(chǎn)高精度板卡和天線銷量分別占國內市場30%和90%的市場份額……

在艱苦卓絕的奮斗中，北斗人用了20年的時間，走完了其他全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)40多年的發(fā)展之路。

北斗大事記

全球四大衛(wèi)星導航系統(tǒng)：

● 美國的GPS

（Global Positioning System，即全球定位系統(tǒng)）。成熟的衛(wèi)星導航系統(tǒng)。至2019年底，GPS衛(wèi)星星座有30顆衛(wèi)星，為民用、商用和軍用用戶提供定位、導航和授時服務。

● 俄羅斯的GLONASS

（格洛納斯，Global Navigation Satellite System，即全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)）。截至2019年底，格洛納斯系統(tǒng)在軌衛(wèi)星28顆，包括26顆GLONASS-M衛(wèi)星和2顆GLONASS-K衛(wèi)星，其中提供導航服務衛(wèi)星22顆，其余衛(wèi)星處于測試、備份等狀態(tài)。

● 歐盟的伽利略

（Galileo Satellite Navigation System，即伽利略衛(wèi)星導航系統(tǒng)）。它的衛(wèi)星數(shù)量多、軌道位置高、覆蓋面積大，可為更廣泛的人群提供服務；同時，它的精確度更高、抗干擾能力更強。截至2019年底，伽利略在軌衛(wèi)星數(shù)量25顆，其中22顆提供導航服務。

● 中國的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)

（BeiDou Navigation Satellite System，簡稱BDS）。2020年6月23日，北斗三號最后一顆全球組網(wǎng)衛(wèi)星發(fā)射成功，完成北斗全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)星座部署。北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)具有以下特色優(yōu)勢：擁有短報文通訊功能，采用混合星座多軌道，能夠獨立運行也能夠與其他衛(wèi)星導航系統(tǒng)兼容共用，信號安全穩(wěn)定。

北斗，在我們身邊

星空布陣的同時，北斗也在深度融入社會生活，規(guī)?；?、產(chǎn)業(yè)化和國際化應用不斷邁上新的臺階。近年來，從減災救災到交通運輸，從農(nóng)業(yè)漁業(yè)到旅游服務，北斗在各行各業(yè)發(fā)揮著越來越舉足輕重的作用。

70%

在中國入網(wǎng)的智能手機，已經(jīng)有70%以上提供了北斗服務?；诒倍返膶Ш椒找驯浑娮由虅铡⒁苿又悄芙K端制造、位置服務等廠商采用，廣泛進入中國大眾消費、共享經(jīng)濟和民生領域，深刻改變著人們的生產(chǎn)生活方式。

3450億元

據(jù)《2020中國衛(wèi)星導航與位置服務產(chǎn)業(yè)發(fā)展白皮書》數(shù)據(jù)，2019年，中國衛(wèi)星導航與位置服務產(chǎn)業(yè)總體產(chǎn)值近3450億元，較2018年增長14.4%，已連續(xù)9年保持兩位數(shù)的增長。預計2020年產(chǎn)業(yè)總體產(chǎn)值將超過4000億元。

10納秒

通過北斗衛(wèi)星進行時間校準，可以避免鐘表之間的誤差，讓時間整齊劃一。在全球范圍內，北斗的授時精度優(yōu)于20納秒，在亞太地區(qū)優(yōu)于10納秒。在金融、電力等需要精確時間校準的領域，北斗的授時功能十分重要。

650萬輛

中國有超過650萬輛營運車輛、3萬輛郵政和快遞車輛，36個中心城市約8萬輛公交車、3200余座內河導航設施、2900余座海上導航設施已應用北斗系統(tǒng)，建成全球最大的營運車輛動態(tài)監(jiān)管系統(tǒng)。

2萬臺

基于北斗的農(nóng)機自動駕駛系統(tǒng)超過2萬臺（套）?；诒倍返霓r(nóng)機作業(yè)監(jiān)管平臺物聯(lián)網(wǎng)平臺，為10萬多臺（套）農(nóng)機設備提供服務。目前，含智能手機在內，采用北斗兼容芯片的終端產(chǎn)品社會總保有量已超過7億臺（套）。

1.4萬家

中國衛(wèi)星導航與位置服務領域企事業(yè)單位數(shù)量保持在1.4萬家左右，從業(yè)人員超過50萬人。截至2019年底，業(yè)內相關上市公司（含新三板）總數(shù)為46家。北斗高精度及北斗輔助快速定位用戶已突破5億。

快速響應、全面融入抗疫戰(zhàn)場

湖北武漢火神山、雷神山醫(yī)院的修建引發(fā)“全民圍觀”，北斗為復雜地形地貌實現(xiàn)高精度定位、精確測繪。面向全國的“千尋位置”網(wǎng)上無人機平臺，能夠實現(xiàn)無人機精準噴灑等防疫作業(yè)，北斗提供高精度數(shù)據(jù)。物資運輸車輛實時監(jiān)管調控，智能機器人將各地送達的醫(yī)療物資快速送往醫(yī)院隔離區(qū)，北斗提供背后的支持系統(tǒng)。

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)更加“智慧”

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)已廣泛應用于小麥收割、滅茬、深松耕地、無人機植保等多個領域。農(nóng)機可以通過內置定位板卡獲取北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的位置信息，設置好作業(yè)路徑后，即便駕駛室內沒有農(nóng)機手，車輛依然可以筆直前行，精準作業(yè)。北斗服務的無人駕駛農(nóng)機不僅能夠提高作業(yè)效率和質量，還能讓部分作業(yè)過程納入監(jiān)管平臺。

助力出行

通過北斗精準定位，共享單車即使在高架橋下、樓宇間、樹蔭下等信號遮擋的地方，定位也不會出現(xiàn)“漂移”。

由北斗高精度定位賦能的無人清掃車，可以按規(guī)劃路線自主完成工作，環(huán)衛(wèi)工人可以站在樹蔭下用App指揮它工作。

災害預警更及時

通過北斗系統(tǒng)的短報文與位置報告功能，可以實現(xiàn)災害預警速報、救災指揮調度、快速應急通信等，提高災害應急救援反應速度和決策能力。比如林業(yè)管理部門可利用北斗應用進行林業(yè)資源清查、林地管理與巡查，開展林區(qū)面積測算、木材量估算、巡林員巡林、森林防火、測定地區(qū)界線等應用，降低管理成本，提升工作效率。

讓科考工作不再“迷路”

2020珠峰高程測量登山隊隊員可以在珠峰峰頂開展測量工作。藏羚羊棲息在海拔5000米左右的高原荒漠，條件惡劣且屬于無人區(qū)，利用北斗系統(tǒng)為藏羚羊裝上定位項圈，以幫助人們掌握藏羚羊的習性。

構建安全便捷的服務系統(tǒng)

可以讓家長時刻知道孩子的定位，可以讓兒女及時獲悉老人的足跡，可以讓市民出門前能“看到”想要乘坐的公交車到哪一站，可以為私家車主精確規(guī)劃最優(yōu)路徑。

保障居民安全

北斗系統(tǒng)能快速依據(jù)此前危房的“病歷”，判斷出房子的“病癥”。如果房子的傾斜、沉降超過一定的安全值，系統(tǒng)會立即發(fā)出警報，為人員撤離與救援爭取寶貴時間。

在偏遠又沒有手機信號的地方，北斗獨有的短報文功能可以向服務中心發(fā)送使用者的位置信息，并可以實現(xiàn)一鍵求救。

（本報道得到北斗宣傳研究與傳播中心、中國航天科技集團五院的支持。特表謝意。）