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揭秘中國北斗是怎樣煉成的:能否和GPS一決高下

2017年11月13日 07:46   來源:中國青年報   參與互動參與互動
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視頻:全球組網(wǎng)未來可期 七問北斗衛(wèi)星  來源:央視新聞

  中國北斗想和GPS一決高下

  大國重器北斗三號是怎樣煉成的

  任何一個大國重器的誕生,似乎都避免不了和發(fā)達(dá)國家同類產(chǎn)品拼力比試、同臺競爭甚至“掰手腕”的命運,作為要走進(jìn)尋常百姓家的導(dǎo)航利器,北斗更是如此。11月5日晚,我國最新一代導(dǎo)航衛(wèi)星北斗三號首次發(fā)射后,人們便迫不及待想知道走向全球的中國北斗,究竟能否和GPS一決高下。

  這可能也是航天活動不近人情的地方,在最抓眼球的火箭點火、呼嘯蒼穹之后,人們的好奇心大多留給了“火箭發(fā)射有多厲害”“飛天衛(wèi)星有什么用”等問題,至于其背后技術(shù)含量、研制人員辛勞程度則鮮有問津。不過,這一點并不完全適用于北斗,因為要真正說清楚它和GPS的區(qū)別,一些技術(shù)細(xì)節(jié)甚至是技術(shù)路線問題是繞不開的。

  畢竟,中國北斗比GPS起步晚了20多年,不僅沒能和后者站在同一條起跑線,就是在之后的追趕過程中,也不能說完全躋身到了同一個賽道上。以導(dǎo)航系統(tǒng)的地面站建設(shè)為例,美國打造GPS,可以在全世界“布點設(shè)站”,而中國囿于種種原因只能在“天上”想辦法,攻堅衛(wèi)星之間、星座之間的鏈路技術(shù)。

  這正應(yīng)了人們常說的那句 “既是挑戰(zhàn),也是機(jī)遇”。太空是個大舞臺,在這個舞臺上亮相的各種衛(wèi)星,扮演著生旦凈末丑不同的“角色”,但是無論什么樣的角色,都有其基本功以及獨門手藝,北斗也不例外。中國青年報·中青在線記者就此采訪有關(guān)專家,揭秘走向全球的中國北斗究竟是怎樣煉成的。

11月5日,中國在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心用長征三號乙運載火箭,以“一箭雙星”方式成功發(fā)射第24顆、第25顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星。<a target='_blank' >中新社</a>發(fā) 李晉 攝
11月5日,中國在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心用長征三號乙運載火箭,以“一箭雙星”方式成功發(fā)射第24顆、第25顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星。中新社發(fā) 李晉 攝

  “大腦”:數(shù)十顆北斗衛(wèi)星“天上漂”如何不擅離職守?

  作為北斗三號衛(wèi)星的打造者,中國航天科技集團(tuán)五院的專家給出過這樣一個比方——

  如果把衛(wèi)星類比成人的話,那么衛(wèi)星的控制系統(tǒng)就相當(dāng)于人的“大腦與神經(jīng)組織”,指揮肢體完成各種工作;衛(wèi)星推進(jìn)系統(tǒng)相當(dāng)于人的“肌肉組織”,推動肢體完成各種工作;而能源系統(tǒng)相當(dāng)于人的“血液循環(huán)組織”,為大腦和肢體提供能量。

  而為整個衛(wèi)星提供時間基準(zhǔn)、維持時間準(zhǔn)確性的守時設(shè)備——原子鐘,則相當(dāng)于人的“心臟”,可謂“沒有原子鐘就沒有全球?qū)Ш健?。衛(wèi)星之間的鏈路技術(shù),相當(dāng)于人的“靈魂”,讓人與人遠(yuǎn)距離之間也能夠相互感應(yīng),彼此惦記,做到“心有靈犀”。

  先說“大腦與神經(jīng)組織”。這關(guān)乎不少人的一個疑問,即“數(shù)十顆北斗衛(wèi)星同時在天上漂,他們?nèi)绾巫龅讲簧秒x職守?”

  答案是,他們非?!白月伞?,知道自己該待在什么地方。而這種“自律”就得益于被稱作衛(wèi)星“大腦與神經(jīng)組織”的控制系統(tǒng)。

  按照中國航天科技集團(tuán)五院北斗三號副總設(shè)計師高益軍的說法,控制系統(tǒng)就是衛(wèi)星在天上保持正確軌道、正確姿態(tài)的“總指揮”,它實時搜集衛(wèi)星的軌道和姿態(tài)信息,一旦發(fā)現(xiàn)有所偏離,就指揮自己回到正常狀態(tài)。

  高益軍說,有了這個北斗三號的控制分系統(tǒng),就相當(dāng)于增加衛(wèi)星“至少60天”的完全自主運行能力。這意味著,一旦地面測控站出現(xiàn)故障期間,北斗衛(wèi)星仍能夠正常在軌工作。

  “這樣大大減少了對地面站的依賴,成就‘可視’范圍外對衛(wèi)星的控制。并大大降低系統(tǒng)的運行管理成本,當(dāng)然這也給衛(wèi)星控制系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)帶來了很大的難度?!备咭孳娬f。

  值得一提的是,此次北斗三號研制任務(wù)中,控制系統(tǒng)國產(chǎn)化單機(jī)達(dá)100%,分系統(tǒng)國產(chǎn)化元器件占90%以上——這是高益軍透露的一組數(shù)據(jù)。他說:“控制系統(tǒng)里沒有一臺進(jìn)口產(chǎn)品?!?/p>

  至于衛(wèi)星的“血液循環(huán)組織”,有一個重要的組成部分,名為“二次電源”,它將衛(wèi)星上一次太陽能或電池的電能進(jìn)行轉(zhuǎn)換,并通過星上線纜網(wǎng)——相當(dāng)于衛(wèi)星的“血管系統(tǒng)”,輸送到各種電子設(shè)備。

  按照中國航天科技集團(tuán)五院510所專家的說法,電子設(shè)備有什么樣的口味,他們就有什么樣的“電能菜譜”,讓衛(wèi)星電子設(shè)備“大快朵頤”,來完成在太空中的表演。

11月5日,中國在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心用長征三號乙運載火箭,以“一箭雙星”方式成功發(fā)射第24顆、第25顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星。<a target='_blank' >中新社</a>發(fā) 謝奇勇 攝
11月5日,中國在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心用長征三號乙運載火箭,以“一箭雙星”方式成功發(fā)射第24顆、第25顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星。中新社發(fā) 謝奇勇 攝

  “心臟”:精確定位的前提是一只“300萬年1秒誤差”的鐘

  不少人談及北斗、GPS等衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),第一個疑問就是“天上的‘星星’是如何‘看到’我們的位置,又怎么能如此精準(zhǔn)地‘指引’我們的方向?”

  這就不得不提到被稱作衛(wèi)星“心臟”的原子鐘,導(dǎo)航系統(tǒng)幾乎都是依靠它來“掌握”時間的精度。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)總設(shè)計師楊長風(fēng)說,時間精度就是衛(wèi)星導(dǎo)航的“命門”,天地間時間越同步、誤差越小,定位精度越高。

  然而,在北斗導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)展初期,我國并不具備研制生產(chǎn)星載原子鐘的能力。楊長風(fēng)說,過去,只有少數(shù)國家能夠制造衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)使用的高精度原子鐘,但對我國實行嚴(yán)格限制,甚至直接禁運,“這才倒逼我們研制能夠上星的原子鐘”。

  直到北斗二號建設(shè)時,他國壟斷才被徹底打破。如今,北斗三號建設(shè)大幕拉開,我們也迎來了最新一代原子鐘——“銣原子鐘”。

  所謂“銣原子鐘”,是以銣原子躍遷為物理基礎(chǔ)建立的一套極度精密的電子設(shè)備,簡稱“銣鐘”。其穩(wěn)定度,直接關(guān)乎導(dǎo)航衛(wèi)星的定位、測速和授時功能的精度,甚至可以說,直接決定著導(dǎo)航衛(wèi)星的成敗。

  楊長風(fēng)說,北斗三號所配備的銣鐘,其穩(wěn)定度達(dá)到E-14量級,“這相當(dāng)于300萬年只有1秒誤差”。

  中國航天科技集團(tuán)五院北斗三號衛(wèi)星總設(shè)計師王平說,這一技術(shù)進(jìn)步,直接推動了我國全球?qū)Ш较到y(tǒng)定位精度,由之前“區(qū)域系統(tǒng)”的10米,跨越到后續(xù)“全球系統(tǒng)”米級分辨率,測速和授時精度同步提高一個量級。

  五院原子頻標(biāo)領(lǐng)域首席專家賀玉玲博士透露,當(dāng)前,中國航天科技集團(tuán)五院西安分院正在研制甚高精度銣原子鐘,爭取未來將導(dǎo)航衛(wèi)星的定位精度、授時精度再提高一個量級,屆時,這種追求精度極致的探索,或?qū)有屡d產(chǎn)業(yè)和新興社會應(yīng)用的出現(xiàn)。

  “靈魂”:離“天地之間萬物互聯(lián)”不遠(yuǎn)了

  當(dāng)然,只有一顆衛(wèi)星不足以稱之為系統(tǒng)。我們常說的北斗,是中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的簡稱,不是指一顆衛(wèi)星,以北斗三號這一代為例,按照計劃,要到2020年,完成30多顆組網(wǎng)衛(wèi)星發(fā)射,才能構(gòu)成全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),實現(xiàn)所謂的全球服務(wù)能力。

  另一個容易被忽略的細(xì)節(jié)是,除了空間段這30多顆衛(wèi)星,整個北斗系統(tǒng)還包括地面段和用戶段,前者有地面基準(zhǔn)站,后者有用戶終端。

  這就引出一個問題,即我國很難像GPS那樣,在全球大范圍建立地面站,為解決境外衛(wèi)星的數(shù)據(jù)傳輸通道,似乎只能從“星間鏈路”下手——在衛(wèi)星之間搭建的通信測量鏈路,實現(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,雖然我們“看不見”處在地球另一面的北斗衛(wèi)星,但通過北斗衛(wèi)星的星間鏈路,同樣能和它們?nèi)〉寐?lián)系。

  五院西安分院北斗導(dǎo)航副總設(shè)計師張立新說,星間鏈路技術(shù)就好比讓北斗三號“太空兄弟手拉手”,不僅相互間通信和數(shù)據(jù)傳輸,還能相互測距,自動“保持隊形”,可以減輕地面管理維護(hù)壓力。

  當(dāng)然,星間鏈路并非只是“地面站難以大范圍建設(shè)”的權(quán)宜之計,也是掌握著“主動出擊”“自主導(dǎo)航”的關(guān)鍵。

  所謂自主導(dǎo)航,就是指“即使地面站全部失效,30多顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星也能通過星間鏈路提供精準(zhǔn)定位和授時,地面用戶通過手機(jī)等終端仍舊能進(jìn)行定位及導(dǎo)航”。

  張立新說,由于北斗導(dǎo)航衛(wèi)星的地面站較少,地面系統(tǒng)的全球連續(xù)完好性監(jiān)測,和實時告警的時間一般需要“數(shù)十秒到幾小時”,而衛(wèi)星上的直接監(jiān)測預(yù)警,僅僅需要幾秒鐘的時間。

  在他看來,衛(wèi)星自主完好性監(jiān)測,是北斗三號的一項新技術(shù),相較于美國的GPS、俄羅斯的格洛納斯以及歐洲的伽利略等導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng),中國北斗在世界上首次實現(xiàn)了衛(wèi)星的在軌完好性自主監(jiān)測功能。

  此外,北斗三號的星間鏈路系統(tǒng),還能與其他類型衛(wèi)星相關(guān)聯(lián),聯(lián)網(wǎng)的數(shù)量可達(dá)上百顆。張立新說:“這對于構(gòu)建我國的天基綜合信息網(wǎng),實現(xiàn)我國衛(wèi)星之間聯(lián)網(wǎng)具有不可小覷的作用?!?/p>

  他以遙感衛(wèi)星為例,遙感衛(wèi)星對全球的地面進(jìn)行測繪,但只有衛(wèi)星經(jīng)過國土境內(nèi)時,才能將其收集到的圖片信息傳回地面,而在天基綜合信息網(wǎng)中,遙感衛(wèi)星就能夠以北斗導(dǎo)航衛(wèi)星的星間鏈路為“通道”,實現(xiàn)信息的實時傳輸,互通天地信息。

  如此,也就離我們所說的“天地之間萬物互聯(lián)”不遠(yuǎn)了。

  中國青年報·中青在線記者 邱晨輝

【責(zé)任編輯:丁海平】
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