精益求精 導航天下

失之厘毫，謬以千里。減少誤差，力求精確精準，一直是科技專家追求的目標之一。2024年，中國科技工作者繼續(xù)為這個目標而努力，并取得一系列突出成就，特別是在導航精度、計時精度、探測精度、施工精度等方面，給人們的生產(chǎn)生活帶來新的變化。

北斗三號“收官星”發(fā)射入軌

增強導航服務(wù)精度可至分毫

2024年9月19日，第59顆、第60顆北斗導航衛(wèi)星在長征三號乙運載火箭與遠征一號上面級的托舉下直沖九霄，之后按計劃順利進入預定軌道。至此，北斗三號全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)正式收官。自1994年立項以來，北斗系統(tǒng)工程走過30年非凡歷程，被打造成“中國的北斗、世界的北斗、一流的北斗”。

百尺竿頭再進一步。隨著兩顆“收官星”發(fā)射入軌，北斗系統(tǒng)運行穩(wěn)定性和導航精度再次提升。據(jù)北斗三號衛(wèi)星系統(tǒng)總設(shè)計師、中國科學院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院副院長林寶軍介紹，北斗的定位精度現(xiàn)已提升到厘米級，在交通運輸、搶險救災(zāi)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、重大工程建設(shè)等諸多方面的應(yīng)用價值進一步凸顯。

建立星間鏈路是北斗三號進一步保持和提升導航性能核心手段之一。該技術(shù)旨在通過衛(wèi)星之間的通信和測量，實現(xiàn)組成星座的各衛(wèi)星之間自主定軌、時鐘同步和協(xié)同工作，從而提高導航系統(tǒng)的精度和可靠性。據(jù)了解，新入軌的兩顆北斗衛(wèi)星搭載了新型星間鏈路終端，可以更好地實現(xiàn)與其他衛(wèi)星之間的組網(wǎng)及信息傳輸，不僅可以更好支撐北斗系統(tǒng)穩(wěn)定運行和北斗規(guī)模應(yīng)用，而且將為下一代北斗導航衛(wèi)星技術(shù)升級進行相關(guān)試驗。

建立北斗星間鏈路的構(gòu)想最早可以追溯到中國科學家開始研究衛(wèi)星導航系統(tǒng)階段。北斗三號建設(shè)啟動后，星間鏈路技術(shù)開始正式實施，從而助力北斗三號構(gòu)建起服務(wù)全球的衛(wèi)星星座系統(tǒng)并不斷走向成熟和完善。

北斗三號提升導航精度的另一項措施是建立地基增強系統(tǒng)。作為國家衛(wèi)星導航高精度服務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施，北斗地基增強系統(tǒng)由基準站網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、運營服務(wù)平臺、數(shù)據(jù)播發(fā)系統(tǒng)和用戶終端五部分組成?；鶞收窘邮招l(wèi)星導航信號后，通過數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)解算形成導航衛(wèi)星精密軌道和鐘差等差分增強信息，經(jīng)衛(wèi)星、廣播、移動通信等手段實時播發(fā)給應(yīng)用終端，應(yīng)用終端利用差分增強信息修正誤差，實現(xiàn)米、分米、厘米級以及后處理毫米級服務(wù)，廣泛服務(wù)于智能網(wǎng)聯(lián)汽車、精準農(nóng)業(yè)、智慧城市、測繪和土木工程建設(shè)等。

2024年，全國多省份在北斗地基增強系統(tǒng)構(gòu)建方面取得碩果。根據(jù)近日發(fā)布的《四川省地理信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展報告（2024）》，該省目前已建成北斗地基增強系統(tǒng)“一張網(wǎng)”，共有251座北斗衛(wèi)星導航定位基準站。湖北作為全國首個建成省級北斗地基增強網(wǎng)的省份，截止到2024年9月末，全省地基增強基準站近700座，可提供實時厘米級增強定位服務(wù)。

高精度地基授時系統(tǒng)授時臺開播

“北斗”授時國際化取得突破

時間的準確性對于許多領(lǐng)域至關(guān)重要，無論是電話、電視、互聯(lián)網(wǎng)，還是衛(wèi)星導航系統(tǒng)，都需要精確的標準時間來確保信息的正確傳遞，在日常生活中，人們需要標準時間來規(guī)劃日程、安排作息等。對于我們而言，這個標準時間就是北京時間，而“執(zhí)掌”北京時間的機構(gòu)就是中國科學院國家授時中心。經(jīng)過一代代科學家艱苦努力，中國不僅實現(xiàn)了北京時間的自主測量而且授時精度和授時保障能力不斷提升，2024年見證了北京時間和國家授時領(lǐng)域新的進步。

2024年9月30日，高精度地基授時系統(tǒng)的敦煌長波授時臺宣布建成并成功試播，這是中國科學院國家授時中心承擔的“十三五”國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施——高精度地基授時系統(tǒng)的重要組成部分。據(jù)了解，長波授時是目前最為可靠的地基授時手段。中國通過在甘肅敦煌、新疆庫爾勒和西藏那曲增建3個長波授時臺，結(jié)合已有長波授時臺站，可以實現(xiàn)長波授時信號全國土覆蓋。中國科學院國家授時中心主任張首剛表示，高精度地基授時系統(tǒng)分別利用增強型羅蘭無線電長波授時技術(shù)和光纖授時技術(shù)的高可靠、高精度特征，建設(shè)與衛(wèi)星導航授時相互獨立、相互備份、相互補充、相互增強的地基授時系統(tǒng)，與現(xiàn)有其他授時系統(tǒng)一起構(gòu)建立體交叉、統(tǒng)一溯源、安全可控、性能先進的國家級授時系統(tǒng)，更好地支撐經(jīng)濟社會運行和相關(guān)科技發(fā)展、更好地保障國家安全。

關(guān)于授時精度，張首剛表示，中國已建成目前世界上技術(shù)手段最為完備的國家授時系統(tǒng)，授時精度從最開始的毫秒級（千分之一秒）到了如今的百皮秒級（百億分之一秒），提高了7個數(shù)量級，處于世界領(lǐng)先水平，較好地滿足了國家需求。

中國科學家積極為“駕馭”國際原子時作出貢獻。2024年4月發(fā)布的國際計量局相關(guān)公報公布了銫原子噴泉鐘連續(xù)18個月的頻率數(shù)據(jù)，表明中國科學院國家授時中心自主研制的銫原子噴泉鐘被認可參與校準國際標準時間。該銫原子噴泉鐘裝置是張首剛領(lǐng)銜的課題組連續(xù)多年攻關(guān)的科研成果，此前已與其他校準國際原子時的基準鐘進行了8個月比對測量并獲得性能驗證。衛(wèi)星導航系統(tǒng)是目前覆蓋范圍最廣、使用性價比最高、廣泛應(yīng)用于全球各行各業(yè)的授時服務(wù)系統(tǒng)。2024年，中國北斗導航衛(wèi)星系統(tǒng)的授時服務(wù)國際化取得新突破。2024年6月，國際計量局發(fā)布中國北斗導航衛(wèi)星星座授時監(jiān)測結(jié)果，標志著基于北斗的授時服務(wù)獲國際認可，可以為全球提供精準可信的標準時間服務(wù)。2022年，國際計量局正式啟動基于北斗的國際標準時間比對鏈路校準工作，對開展的授時監(jiān)測工作給予充分肯定和高度評價，采納了中國相關(guān)機構(gòu)提供的全部北斗授時監(jiān)測結(jié)果，促進了北斗導航衛(wèi)星系統(tǒng)的國際化應(yīng)用。

翱翔于九天之上，衛(wèi)星怎樣探測到海洋鹽度信息并且還要做到精準呢？答案是通過測量“輻射亮溫”來實現(xiàn)。

九天之上精準探測海洋鹽度

“超級顯微鏡”二期開建

海洋鹽度數(shù)據(jù)在海洋環(huán)境預報、海洋生態(tài)預報、短期氣候預測、極地海冰監(jiān)測等方面具有重要作用，而獲得大范圍連續(xù)穩(wěn)定的高精度海洋鹽度數(shù)據(jù)是一大難點。長期以來，中國科學家主要通過海洋科考船或布防漂流浮標等方式，獲取海洋鹽度數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)覆蓋范圍和觀測連續(xù)性很有限。

2024年11月14日，中國首顆海洋鹽度探測衛(wèi)星在太原衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射成功，破解了上述難題，實現(xiàn)了全天時、全天候獲取全球海洋鹽度準確數(shù)據(jù)信息，填補了中國星載海洋鹽度探測空白，提高了中國海洋觀測衛(wèi)星綜合觀測能力。

翱翔于九天之上，衛(wèi)星怎樣探測到海洋鹽度信息并且還要做到精準呢？答案是通過測量“輻射亮溫”來實現(xiàn)。亮溫是衡量海面微波輻射強度的物理量，會跟隨海洋鹽度變化而變化，可通過微波輻射計進行測量。不過，海洋鹽度所帶來的亮溫信號變化非常微弱，測量過程還會受海面溫度、海面粗糙度、人為信號干擾等因素影響，實現(xiàn)對輻射亮溫的準確測量并不容易。

為了準確捕捉并提取海水輻射亮溫，衛(wèi)星研制團隊給衛(wèi)星配備一批高精尖載荷，其中包括綜合孔徑輻射計和主被動探測儀，它們可以接收到海面微波信號。該衛(wèi)星對相關(guān)儀器的要求極高。據(jù)主被動微波探測儀的負責人、中國科學院國家空間科學中心研究員劉浩介紹，對連舌頭都無法辨別出的海水咸度細微差別，衛(wèi)星微波輻射計要從天上辨別出來，難度可想而知。劉浩帶領(lǐng)團隊創(chuàng)新設(shè)計的輻射計綜合利用多種技術(shù)，尤其是利用綜合孔徑技術(shù)實現(xiàn)高分辨率、寬視場成像，同時利用大孔徑反射面保證輻射計具有足夠的分辨鹽度變化的靈敏度，并且可以同時兼容多頻主被動探測。海洋鹽度探測衛(wèi)星探測效率很高，它可以不間斷地記錄觀測數(shù)據(jù)，并在飛行至地面站接收范圍內(nèi)時下傳數(shù)據(jù)，每天可獲取全球70%以上的海洋鹽度數(shù)據(jù)，每3天可完成一次全球覆蓋。

在微觀世界的精準探測領(lǐng)域，中國科學家也取得新成就，相關(guān)科技領(lǐng)域獲得新進展。2024年7月，位于廣東東莞的中國散裂中子源的兩臺譜儀設(shè)備高分辨中子衍射儀、高壓中子衍射儀成功出束，這意味著中國散裂中子源的8臺合作譜儀建設(shè)已基本完成，將顯著增強中國散裂中子源的多學科研究能力。散裂中子源被譽為“超級顯微鏡”，利用中子作為探針，具有極強的穩(wěn)定性和卓越的穿透能力，能夠深入揭示物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)，應(yīng)用于很多方面。比如，在材料科學領(lǐng)域，通過優(yōu)化鋼材的微觀結(jié)構(gòu)，提高鋼材的強度和韌性。

1月，中國散裂中子源二期工程正式啟動。據(jù)悉，該工程建成后，譜儀數(shù)量將增加到20臺，加速器打靶束流功率將從一期的100千瓦提高到500千瓦。屆時，中國散裂中子源的設(shè)備研究能力將大幅提升，實驗精度和速度將顯著提高，能夠測量更小的樣品、研究更快的動態(tài)過程，為前沿科學研究、國家重大需求和國民經(jīng)濟發(fā)展提供更先進的研究平臺。

在建世界第一高橋誤差毫米級內(nèi)

軌交橋梁完成精準“空中轉(zhuǎn)體”

中國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)速度和規(guī)模贏得世界口碑，離不開不斷提高的工程精度。在2024年重大工程建設(shè)中，中國工程科技人員與廣大建設(shè)者按照工程建設(shè)和規(guī)劃藍圖施工，高度重視科學性和準確性，保障相關(guān)工程高效、高質(zhì)量推進。

2024年11月，在建的世界第一高橋——貴州花江峽谷大橋進行鋼桁梁吊裝，施工人員在距離水面620多米的高空，拼裝重達200多噸的鋼桁梁節(jié)段，最終誤差被控制在毫米級內(nèi)。該橋總長2890米，主橋跨徑1420米，橋兩岸山高谷深、水流湍急，相對高度差將近2000米，在這種施工環(huán)境下，要達到如此堪稱完美的工程精度，面臨的挑戰(zhàn)之大可想而知。比如高風速，山谷中常有陣風和渦流，最高風速可達14級。為了掌握風的“動向”，抓住施工最佳時間窗口，有關(guān)方面在相應(yīng)位置布設(shè)激光雷達風控系統(tǒng)，不間斷捕捉風速、風向、風攻角等數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上再通過風洞實驗進行仿真模擬。此外，在橋體結(jié)構(gòu)中，每段鋼桁梁都加裝具有導流作用的風翼板。

作為懸索橋，花江峽谷大橋有數(shù)百根索股，其中首根索股是其余索股的基準，對其精確定位是保障工程精度和精準施工的重中之重。為此，施工方除使用儀器分別從不同方向同時對基準索股進行測量、計算之外，還引入北斗系統(tǒng)，獲取相關(guān)位置數(shù)據(jù)，進行24小時連續(xù)動態(tài)采樣，提高纜索架設(shè)精度。據(jù)了解，施工方用整整一天時間來架設(shè)首根索股架，并對其位置變化情況持續(xù)觀測一周，最終實現(xiàn)相對高差穩(wěn)定在2毫米以內(nèi)。

2024年12月20日上午，北京軌道交通22號線平谷段施工現(xiàn)場，隨著現(xiàn)場總指揮一聲令下，120米跨度的橋梁上部結(jié)構(gòu)在轉(zhuǎn)體動力系統(tǒng)牽引下開始順時針緩緩旋轉(zhuǎn)，2小時后，完成72度轉(zhuǎn)身，順利就位并與前方路段精準銜接。至此，該線路橋梁結(jié)構(gòu)完成“空中轉(zhuǎn)體”，順利跨越大秦鐵路（山西大同至河北秦皇島的國鐵I級貨運專線鐵路），成為中國大型工程施工精度的一個最新案例。

為減少施工對大秦鐵路運輸?shù)挠绊懀?2號線施工最終確定“先建后轉(zhuǎn)”，即先在大秦鐵路一側(cè)完成橋梁的澆筑施工，隨后橋梁轉(zhuǎn)體，完成與鐵路兩側(cè)主橋梁的最后對接。完成如此大噸位、長跨度的橋梁轉(zhuǎn)體對施工精度要求很高。為此，施工方在橋墩下方安裝了一套球鉸轉(zhuǎn)盤，以鋼絞線和千斤頂推動橋墩旋轉(zhuǎn)。施工方用精密儀器測試采集牽引力、轉(zhuǎn)速、慣性力造成的移動距離等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，并通過全站儀和視頻監(jiān)控對整個轉(zhuǎn)體過程進行持續(xù)監(jiān)測，從而確保轉(zhuǎn)體精確就位。

◎來源|人民日報海外版