獨(dú)家專訪北斗三號(hào)衛(wèi)星系統(tǒng)總設(shè)計(jì)師林寶軍 北斗系統(tǒng)整體核心指標(biāo)已超GPS

《中國(guó)經(jīng)濟(jì)周刊》 記者 賈璇| 上海報(bào)道

“天上建好，地上用好”，是北斗系統(tǒng)的口號(hào)。

時(shí)至今日，北斗系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于國(guó)家經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展各行業(yè)領(lǐng)域，助力各行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)、提質(zhì)增效，產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

2020 年，在北斗三號(hào)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正式開通后，《中國(guó)經(jīng)濟(jì)周刊》記者專訪了北斗三號(hào)衛(wèi)星系統(tǒng)總設(shè)計(jì)師、中科院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院副院長(zhǎng)林寶軍，聽這位“北斗狂人”親身講述北斗的“世界領(lǐng)先”是如何煉成的。

時(shí)隔三年，如今北斗衛(wèi)星運(yùn)行效果怎樣？下一階段的任務(wù)是什么？近日，《中國(guó)經(jīng)濟(jì)周刊》再次對(duì)話林寶軍，探尋答案。

北斗系統(tǒng)精度比GPS 高一個(gè)量級(jí)

世界四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)分別為美國(guó)的全球定位系統(tǒng)（GPS）、俄羅斯的格洛納斯定位系統(tǒng)（GLONASS）、歐洲的伽利略衛(wèi)星定位系統(tǒng)（Galileo）和中國(guó)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)。

“這四大導(dǎo)航系統(tǒng)里，原來(lái)北斗的目標(biāo)是爭(zhēng)二保三。但現(xiàn)在來(lái)看，北斗系統(tǒng)運(yùn)行效果超出預(yù)期，整體核心指標(biāo)已經(jīng)超過(guò)GPS，是世界一流的?！绷謱氒娂?dòng)地說(shuō)。

他回憶道，一次調(diào)研中當(dāng)他向別人說(shuō)出同樣答案時(shí)，對(duì)方震驚地質(zhì)疑：“GPS 是美國(guó)航天三個(gè)里程碑式成果之一，你們才干十幾年，是不是一些指標(biāo)在特定的情況下比別人好，就說(shuō)成是超過(guò)別人了？”

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林寶軍堅(jiān)定地回答“不是”。

導(dǎo)航系統(tǒng)中，用于計(jì)量時(shí)頻（時(shí)間和頻率統(tǒng)稱為時(shí)頻）的精密儀器——星載原子鐘，可謂衛(wèi)星的“心臟”，也是技術(shù)制高點(diǎn)。它的每一次跳動(dòng)都直接決定著衛(wèi)星定位、測(cè)速和授時(shí)功能的精度。某種程度上，誰(shuí)的原子鐘做得更好，誰(shuí)的導(dǎo)航系統(tǒng)就做得更好。

曾經(jīng)，在北斗二號(hào)系統(tǒng)研制初期，星載原子鐘在國(guó)內(nèi)尚屬技術(shù)空白，想從國(guó)外引進(jìn)，卻被好幾家廠商以“保密”為由，一口回絕。

“北斗之父”、中國(guó)科學(xué)院院士孫家棟說(shuō)：“我們?cè)僖膊荒軐?duì)進(jìn)口產(chǎn)品存在依賴性了。星載原子鐘必須下決心自己搞，就是砸鍋賣鐵也要做出自己的品牌?！?/p>

如今，北斗三號(hào)組網(wǎng)星裝上了“中國(guó)心”，還“豪橫”地采用了“一星兩鐘”，即同時(shí)配置兩個(gè)氫鐘和兩個(gè)銣鐘。林寶軍詳解：“我們發(fā)明并采用原子鐘無(wú)縫切換技術(shù)——讓氫鐘和銣鐘同時(shí)工作，一旦任何一方出現(xiàn)問(wèn)題，立刻切換至另一方，切換時(shí)相位誤差僅為20 皮秒（1 皮秒等于一萬(wàn)億分之一秒），用戶毫無(wú)感覺(jué)?！?/p>

《中國(guó)經(jīng)濟(jì)周刊》首席攝影記者 肖翊I 攝

對(duì)于這項(xiàng)技術(shù)優(yōu)勢(shì)，三年前，林寶軍說(shuō)：“北斗衛(wèi)星的精度比美國(guó)GPS 導(dǎo)航系統(tǒng)高約10 倍，每300 萬(wàn)年才會(huì)差一秒?！?/p>

經(jīng)過(guò)三年的在軌驗(yàn)證，他給出更加確定的回答——“在時(shí)頻精度上，北斗衛(wèi)星比GPS 高出近一個(gè)量級(jí)”。

此外，為了使北斗從區(qū)域走向全球，北斗系統(tǒng)全球首創(chuàng)突破了Ka 頻段這種測(cè)量型的星間鏈路技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)使我們所有北斗衛(wèi)星連成一個(gè)大網(wǎng)，每顆星之間可以“通話”，可以測(cè)距，一星通、星星通，使衛(wèi)星定位的精度大幅度提高。

據(jù)介紹，導(dǎo)航衛(wèi)星不同于其他功能衛(wèi)星，精準(zhǔn)度高度依賴實(shí)時(shí)的測(cè)運(yùn)控。測(cè)運(yùn)控可簡(jiǎn)單理解為，對(duì)運(yùn)行中的導(dǎo)航衛(wèi)星進(jìn)行跟蹤、測(cè)量和控制，并負(fù)責(zé)整個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的運(yùn)行控制。

我國(guó)國(guó)土資源有限，很多衛(wèi)星無(wú)法實(shí)時(shí)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，精度就無(wú)從保證。通過(guò)Ka 相控陣星間鏈路技術(shù)，讓能看到的星和看不到的星進(jìn)行通話和傳輸。

“一開始所有人都認(rèn)為，這種解決方案只是個(gè)研究方向，連美國(guó)人都還沒(méi)做出來(lái)，中國(guó)人不可能做出來(lái)。事實(shí)證明，我們不僅做出來(lái)了，而且這種基于國(guó)內(nèi)測(cè)站實(shí)現(xiàn)全球星座運(yùn)營(yíng)的創(chuàng)新方式，還是穩(wěn)定可信、世界領(lǐng)先的?！绷謱氒娬f(shuō)。

CPU 芯片是衛(wèi)星最為核心的元器件之一，北斗三號(hào)首次采用了國(guó)產(chǎn)龍芯?！皩?shí)際在天上工作時(shí)，原本用的進(jìn)口芯片大概一周會(huì)出現(xiàn)一次單粒子事件（空間高能粒子的影響，把芯片中的二進(jìn)制數(shù)1 打成0、0 打成1），但龍芯在軌累計(jì)工作逾46 萬(wàn)小時(shí)，單粒子翻轉(zhuǎn)為0，保證了北斗系統(tǒng)的超高穩(wěn)定性?！?/p>

除了運(yùn)行連續(xù)穩(wěn)定可靠，北斗系統(tǒng)的功能也更強(qiáng)大。

據(jù)介紹，除具備其他三大導(dǎo)航系統(tǒng)都有的定位功能外，北斗三號(hào)還提供6項(xiàng)特色服務(wù)，即全球短報(bào)文、區(qū)域短報(bào)文、星基增強(qiáng)、地基增強(qiáng)、搜救服務(wù)和精密單點(diǎn)定位，性能方面達(dá)到“人無(wú)我有、人有我優(yōu)”。

發(fā)備份星是因?yàn)榻M網(wǎng)星出問(wèn)題？

一般來(lái)說(shuō)，對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)而言，可見星的數(shù)量和好的幾何特性決定著定位的精確性。

從星座構(gòu)成來(lái)講，GPS、格洛納斯和伽利略均采用中軌道地球衛(wèi)星，衛(wèi)星軌道距離地球表面約20000 千米；北斗系統(tǒng)則采用低中高軌道結(jié)合的組網(wǎng)方式，除有24 顆中軌道地球衛(wèi)星外，還有6 顆距離地表約36000 千米的高軌道地球衛(wèi)星。

視覺(jué)中國(guó)

《中國(guó)經(jīng)濟(jì)周刊》首席攝影記者 肖翊I 攝

《中國(guó)經(jīng)濟(jì)周刊》首席攝影記者 肖翊I 攝

“高軌道衛(wèi)星的參與，讓中國(guó)及周邊地區(qū)北斗系統(tǒng)的可見星數(shù)更多，定位更快、精度更高，尤其在低緯度地區(qū)，特別在高樓林立的城市中，其性能優(yōu)勢(shì)更為明顯?！绷謱氒娬f(shuō)。

他以自己在上海辦公室測(cè)試的可見星為例?！爱?dāng)時(shí)接收到20 顆北斗衛(wèi)星，十二三顆GPS 衛(wèi)星，八九顆格洛納斯衛(wèi)星。現(xiàn)在大部分智能手機(jī)兼容四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，收集的所有信號(hào)共同解算位置，北斗的可見星多，就是北斗系統(tǒng)在起主要作用，特別是在國(guó)內(nèi)。”

近期，北斗系統(tǒng)的高軌星座再添新成員。

2023 年5 月17 日10 時(shí)49 分，我國(guó)在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心用長(zhǎng)征三號(hào)乙運(yùn)載火箭，成功發(fā)射第56 顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星。該衛(wèi)星屬地球靜止軌道衛(wèi)星，是2020 年北斗三號(hào)全球組網(wǎng)以來(lái)發(fā)射的首顆，也是唯一一顆高軌備份衛(wèi)星。入軌并完成在軌測(cè)試后，將接入北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。

該衛(wèi)星將增強(qiáng)系統(tǒng)的可用性和穩(wěn)健性，提升系統(tǒng)現(xiàn)有區(qū)域短報(bào)文通信容量三分之一，還有助于用戶實(shí)現(xiàn)快速高精度定位。

然而，首顆備份星的發(fā)射，也讓一些質(zhì)疑聲音出現(xiàn)：“發(fā)備份星是因?yàn)榻M網(wǎng)星出了問(wèn)題？”

對(duì)此，林寶軍給出明確回應(yīng)。一般來(lái)說(shuō)，一年發(fā)2～3 顆備份星是行業(yè)慣例。北斗三號(hào)組網(wǎng)星的設(shè)計(jì)壽命為10年，在軌期間表現(xiàn)很好。備用星是在軌待命，組網(wǎng)星并未出現(xiàn)任何問(wèn)題。

他還用早期發(fā)射的北斗導(dǎo)航試驗(yàn)衛(wèi)星為例，進(jìn)一步證明北斗衛(wèi)星的超高性能?！?015 年3 月30 日發(fā)射的首顆新一代北斗導(dǎo)航衛(wèi)星，設(shè)計(jì)壽命是3～5 年，目前在軌運(yùn)行8 年，功能一切正常?，F(xiàn)在該星承載更多科學(xué)實(shí)驗(yàn)，屬于超期服役?！绷謱氒娬f(shuō)。

據(jù)介紹，最新“入列”的第56 顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星，采用更高處理能力的國(guó)產(chǎn)化核心處理器件，采用更優(yōu)越的抗空間環(huán)境設(shè)計(jì)，進(jìn)行了一些信號(hào)播發(fā)性能的提升。

林寶軍透露，除了這顆備份星，我國(guó)后續(xù)還計(jì)劃發(fā)射中圓地球軌道（即MEO 衛(wèi)星，是北斗全球組網(wǎng)的主力）的備份星，進(jìn)一步提升和優(yōu)化北斗系統(tǒng)的穩(wěn)健性。

有擔(dān)當(dāng)，真創(chuàng)新，謀跨越

目前中國(guó)北斗的服務(wù)空間是地表到地表以上數(shù)千公里的范圍。對(duì)于下一代北斗的建設(shè)發(fā)展，中國(guó)北斗人早在北斗三號(hào)系統(tǒng)開通服務(wù)時(shí)，便錨定了目標(biāo)。

2020 年8 月3 日，國(guó)務(wù)院新聞辦舉行的新聞發(fā)布會(huì)上，中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)管理辦公室主任、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)新聞發(fā)言人冉承其表示，要在2035 年前建成更加泛在、更加融合、更加智能的國(guó)家綜合定位導(dǎo)航授時(shí)體系（PNT 體系）。綜合定位導(dǎo)航授時(shí)體系是國(guó)家綜合定位、導(dǎo)航、授時(shí)的一個(gè)時(shí)空信息領(lǐng)域的體系化構(gòu)建。它以衛(wèi)星導(dǎo)航為核心和基礎(chǔ)，并融合現(xiàn)有各種各樣創(chuàng)新技術(shù)。特點(diǎn)是更安全、更高性能、更可靠。

簡(jiǎn)單來(lái)講，PNT 體系就是陸?？仗煲惑w、室內(nèi)室外無(wú)縫銜接、安全可靠、便捷實(shí)用的全方位的導(dǎo)航定位體系。

在林寶軍看來(lái)，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)要“有擔(dān)當(dāng)，真創(chuàng)新，謀跨越”。

“航天領(lǐng)域有個(gè)傳統(tǒng)，一個(gè)航天器上采用的新技術(shù)不超過(guò)30%，但我們團(tuán)隊(duì)研發(fā)的衛(wèi)星采用了100 多項(xiàng)自主研發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)，幾乎70%都是新的?！彼寡?，當(dāng)初提出要采用如此高比例的創(chuàng)新技術(shù)時(shí)，很多人都認(rèn)為無(wú)法實(shí)現(xiàn)，甚至覺(jué)得如此大膽的嘗試近乎瘋狂，他還被人稱為“北斗狂人”。

在林寶軍看來(lái)，難突破的不僅是技術(shù)，還有固有觀念?！昂芏嗄陙?lái)，大家都認(rèn)為進(jìn)口的東西更保險(xiǎn)。我們團(tuán)隊(duì)認(rèn)為只要理論行得通、驗(yàn)證充分，國(guó)產(chǎn)不等于不可靠。三年的實(shí)踐也證明，自主創(chuàng)新經(jīng)得起考驗(yàn)”。

秉持“真創(chuàng)新”的原則，他及團(tuán)隊(duì)已經(jīng)在北斗三號(hào)衛(wèi)星上實(shí)現(xiàn)了多項(xiàng)“超前”布局的功能，“衛(wèi)星在軌程序重構(gòu)”就是其中一項(xiàng)。

據(jù)介紹，這項(xiàng)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)將地面編好的程序上傳到星上，讓衛(wèi)星在軌升級(jí)內(nèi)部程序。做到不重新發(fā)新衛(wèi)星，就能擁有“新”衛(wèi)星。