中国北斗 稳步迈向全球导航

  中国北斗实现全球导航的梦想,正加速到来。

7月29日9时48分,我国成功发射第33、34颗北斗导航卫星。

  今年7月29日,我国在西昌卫星发射中心用长征三号乙运载火箭(及远征一号上面级),以“一箭双星”方式成功发射第33、34颗北斗导航卫星。这也是北斗三号卫星导航系统第9、10颗组网卫星。

  作为我国北斗卫星导航系统“三步走”发展战略的第三步,北斗三号计划由24颗MEO卫星(中地球轨道卫星)、3颗GEO(地球同步轨道)卫星和3颗IGSO(倾斜地球同步轨道卫星)组成,总共30颗。

  “自去年11月发射首发双星开始,短短9个月来,北斗三号已发射了10颗卫星。这次成功发射的第9、第10颗卫星,是北斗三号在完成最简系统以后向基本系统迈进的首组卫星。”航天科技集团五院北斗三号卫星总设计师王平介绍,今年底将完成基本系统建设,为“一带一路”及沿线国家提供基本服务。到2020年底,将建成全球导航系统,为全球所有国家和地区提供高精度、高可靠的定位、导航、授时服务。届时,北斗卫星导航系统将为民用用户免费提供约10米精度的定位服务、0.2米/秒的测速服务。在世界任何一个地方,用上中国人的北斗,将变得触手可及。

  实现卫星关键元器件100%国产化

  ——北斗“三步走”,创新不断升级

  北斗,是属于中国人自己的卫星导航系统,也是继美国GPS系统和俄罗斯“格洛纳斯”系统后,世界上第三个正式运行的卫星导航系统。它的发展战略是“三步走”,也就是通常所说的北斗一号、北斗二号和北斗三号。

  北斗一号于1994年启动,2000年建成并投入使用,为中国用户提供服务。北斗二号于2004年启动,2012年年底建成,向亚太地区提供服务。北斗全球导航系统建设于2009年启动,2017年11月北斗三号首批组网卫星发射升空并成功入轨,目前已经发射了10颗卫星,全球组网正稳步推进中。

航天科技集团五院北斗三号卫星总设计师王平介绍北斗卫星导航系统三步走发展过程。(裴英 摄)

  “从咱们国家北斗‘三步走’的整个过程来看,不断创新升级的特点非常突出。”王平说。

  ——导航方式从有源向无源发展。北斗一号卫星导航系统采用有源方式,即用户进行导航定位时要主动向卫星发送信号。北斗二号和北斗三号卫星导航系统则采用无源和有源相结合的方式,进行无源卫星导航时,用户只需接收导航卫星信号。

  ——导航范围从区域向全球扩展。北斗一号服务范围是我国及周边,北斗二号服务范围是亚太地区,北斗三号则扩展至全球。

  ——功能变得更加强大。北斗一号只有定位、授时和短报文功能,北斗二号增加了测速、广域差分(用以修正误差、提高精度的)功能,北斗三号还增加了国际搜救等功能。

  ——定位精度不断提高。北斗一号的定位精度是20米左右,北斗二号提高到10米以内,北斗三号则达到3-5米,再加上广域差分等功能,可以进一步提高到1米以下的定位精度。

图解:北斗三号和前两代相比有何不同?

  导航性能的提升,得益于扎实的技术进步。

  以被称作导航卫星“心脏”的原子钟来说,它的技术革新,对提高定位精度至关重要。

  原子钟是为整个卫星提供时间基准、维持时间准确性的守时设备,“掌握”着时间的精度。北斗卫星导航系统总设计师杨长风说,“时间精度是卫星导航的‘命门’,天地间时间越同步、误差越小,定位精度越高”。

  在北斗卫星导航系统发展初期,我国并不具备研制生产星载原子钟的能力。经过刻苦攻关,北斗二号用上了自主研制的星载铷原子钟。北斗三号则采用了我国新型高精度铷原子钟和氢原子钟。据介绍,北斗三号所配备的铷原子钟,其稳定度达到E-14量级,“这相当于300万年只有1秒误差”。

  另一个关键技术是“星间链路”。我国很难像GPS那样,在全球大范围建立地面站。那么,如何保证在国内地面站也能对境外卫星进行操控?

  “星间链路”起了重要作用。“通俗地说,星间链路就是卫星与卫星之间的一条路。它把北斗三号30颗卫星连成一张网,不仅能相互通信和数据传输,还能相互测距。”航天科技集团五院北斗三号卫星主管设计师王海红说,虽然我们“看不见”处在地球另一面的北斗卫星,但通过北斗卫星的星间链路,同样能和它们取得联系。

  除了拥有诸多先进技术,更重要的是,北斗卫星导航系统的关键技术和产品研制实现了自主可控。“目前,北斗三号卫星的关键元器件实现了100%国产化,做到了‘北斗星、中国芯’。”王平自豪地说。

  “无时不在,无处不有”

  ——“北斗+”加速落地,融合应用全面开花

  “北斗应用是无时不在,无处不有,只要你敢想,它就可以应用。”杨长风在一次接受采访中说。

参观者在北京举行的“砥砺奋进的五年”大型成就展上观看“北斗卫星导航全球组网星座系统模型”。

  如今的北斗已经日益走进百姓生活,你可能早已用上而不自知!

  拿手机为例,国产品牌的大部分手机,在使用定位导航服务时,北斗都有参与其中。“两客一危”(旅游包车、大客车、危险品运输车)、出租车、公交车、物流货车、渔船等等也都陆续加装了北斗兼容车载终端。

  共享单车的使用也离不开北斗的身影。北斗的精准定位帮助其划出了“电子围栏”。如果共享单车没有停放在指定位置,用户就会收到短信提示。

  渔船、营运车辆、民航客机安装北斗终端以后,群众出行变得更加安全便利。在北斗导航的指引下,拖拉机自动沿线耕作,无人机定点定量喷洒农药,劳动生产率大幅提升。地震后建筑物几毫米下沉变化等精密数据的测量,也全靠北斗的“火眼金睛”。

  北斗还助力纪检监察干部查处“四风”问题。去年8月,福建为全省公车安装了北斗定位车载终端,依托北斗卫星导航系统,可以实时查询目标车辆的精确位置和历史轨迹,对公车实行动态监管。“北斗就像纪检监察干部的‘天眼’,让披上‘隐形衣’的‘四风’问题无处遁形”,福建省仙游县纪委监委党风政风监督室主任陈建清介绍。该县去年利用北斗“天眼”查处了5起违规使用公车问题。

  统计显示,2017年,中国国内卫星导航产业产值为2550亿元,其中北斗对产业核心产值的贡献率为80%。预计到2020年,中国卫星导航产业规模将超过4000亿元,北斗将拉动2400亿元-3200亿元规模的市场份额。

5月23日,第九届中国卫星导航技术与应用成果展在哈尔滨举行,全方位展示了天线、芯片、模块、终端等最新北斗应用基础产品。

  “北斗既是中国的,也是世界的。”北斗已走出国门,正加速融入世界。

  7月10日,国家主席习近平在中阿合作论坛第八届部长级会议开幕式上提出,“推动中国北斗导航系统服务阿拉伯国家建设”,并“做强北斗导航论坛机制”。

  近年来,中国与南亚、中亚、东盟、阿盟、非洲等国家和组织建立了导航方面密切的合作机制。此外,北斗已加入国际民航、国际海事、3GPP移动通信三大国际组织,还将为全球提供免费搜索救援服务。

  目前,北斗导航系统覆盖了50多个国家、30多亿人口,国产北斗产品输出80多个国家和地区。

  党员先行,攻坚克难

  ——北斗人一步一个脚印,朝着全球组网的目标踏实前行

  北斗卫星导航系统发展跨越了数十年,特别是我们国家起步晚、技术基础薄弱,其中的艰辛可以想见。但北斗人愣是用智慧和拼劲,攻克了一个又一个难关。

  杨长风讲述了这样一个“生死时速”故事。很多人可能不知道,导航卫星发射上天的前提是要有合法的轨道位置和频率资源。2000年时,我国在国际电联组织争取到了轨道位置和频率资源,但这不是永久的,必须要在7年有效期内发射卫星成功并收到信号,才算是真正占有这块“太空国土”。

  2007年4月,北斗二号第一颗卫星即将发射。在发射前3天突然发现异常,信号很不稳定。当时所有人都进退两难,时间紧、任务重、难点重重,怎么办?绝不能带着隐患发射上天!最终北斗人“整整三天,七十二小时没有合眼,通过各种各样试验,把这个问题找出来并解决了。在频率只有四个小时的期限下,我们的卫星准确发射了第一组信号。”

  精益求精、勇攀高峰,优秀品质一脉相承,铸就了北斗人身上的鲜明印记。

航天科技集团五院北斗三号总体主任设计师刘家兴在卫星总装车间。(裴英 摄)

  2017年的一个夏夜,航天科技集团五院北斗三号总体主任设计师刘家兴遇上了一个困扰他的“小瑕疵”。在一份关于北斗三号第9颗卫星某关键单机测试的异常问题报告上显示,在整星测试阶段,该单机的伪码相位一致性指标超出了不到一纳秒。

  一纳秒什么概念?即十亿分之一秒!日常生活用不到如此小的计量,甚至对于绝大部分高精尖设备而言,它也短暂到可以忽略不计。但对于刘家兴来说,则是困扰在心中的一根刺。“不能放过,必须找出原因,把这根刺拔掉。”

  在后续3个月时间里,他和研究团队一起连续奋战,全面细致对比了单机研制和整星测试阶段在测试环境、测试设备、数据处理方法等方面的差异,终于发现了两个阶段数据处理方法分别存在的错误和不足,解决了这个不到“一纳秒”的误差问题。

  党员身份亮出来,我是党员我先行。

  攻关北斗导航系统的主力军,是航天科技集团五院总体部导航领域党支部。3年内,他们创造了14颗导航卫星连战连捷的佳绩。

航天科技集团五院总体部导航领域党支部书记张旭介绍支部党员情况。(裴英 摄)

  “我们党支部现有员工73人,党员占了90%。重大任务、关键时刻,都是党员冲在前头,大家团结起来一起干。”航天科技集团五院总体部导航领域党支部书记张旭说,新老党员传帮带,给新人配备一名督导师,是支部多年来的传统。

  有着5年党龄的王海红,是星间链路技术主要研发人员之一。8年前,他刚来五院工作,对卫星导航领域还很陌生。这时候,北斗三号卫星总设计师、有着30年党龄的老党员陈忠贵成了他的督导师。在陈忠贵的指导和鼓舞下,王海红每天在电脑前埋头写程序,做了200多次仿真试验。经过5年研制,2015年7月,北斗三号试验星发射成功,星间链路技术也得到了验证。

航天科技集团五院科研人员在对北斗导航卫星进行精心测试。

  多年来,以老带新、积淀传承的制度,推动全体党员凝聚起强大战斗力。如今,北斗导航团队正向着2020年全球组网目标踏实前行。

  “按照我们的发展战略,将在2020底建成北斗三号全球卫星导航系统。”王平向我们描绘了未来的发展蓝图,北斗三号建成以后,还将继续不断改进、完善,提高导航卫星功能。计划在2035年左右,要再发展下一代卫星导航系统,努力形成国家综合定位、导航、授时体系,实现室内、室外,天空、地、海的无缝连接,构建高精度的位置服务系统。(中央纪委国家监委网站 兰琳宗丨供图:航天科技集团五院、视觉中国)

视频
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专访

航天科技集团五院北斗三号卫星总设计师 王平

  问:实现技术产品自主可控,是北斗卫星导航系统的重要目标。北斗三号在卫星关键器部件国产化方面取得了怎样的成果?

  答:在北斗卫星导航系统工程建设初期,我们就制定了关键器部件要自主可控的发展目标。从北斗一号、北斗二号,到北斗三号,我们一直朝着这个方向努力。在北斗一号导航卫星中,我们实现了动量轮、地球敏感器和太阳帆板驱动机构国产化。北斗二号在北斗一号的基础上,又实现了原子钟关键部件国产化,同时对控制系统非常重要的某元器件也实现了国产化。北斗三号在北斗一号、二号基础上,又实现了长足进步。目前北斗三号卫星上所有部件,全部实现了国产化。在实现部件国产化的同时,卫星关键元器件的国产化也进步非常大,做到了“北斗星、中国芯”。

  问:作为一名科技工作者,您觉得需要有怎样的科研精神?

  答:作为一名科技工作者,我觉得,一是要淡泊名利。对于科学目标,要有一种执着而纯粹的追求。为了这种追求,要沉得住气,静下心来认真科研,不能急功近利。因为科学和利益,往往是矛盾的。应该把功名看得很淡,不是为了利益才去努力奋斗,而是要有崇高的科学理想、科学追求。二是要有实事求是精神。航天工程系统庞大、技术复杂、充满风险,在工作中要践行精益求精的工匠精神,一丝不苟、严慎细实,严把质量关,做到“零缺陷”。三是要有自主创新、自力更生的精神。坚定自信,不断创新,敢为人先。努力做到把个人理想自觉融入国家发展伟业,在科学前沿孜孜求索,在重大科技领域不断取得突破。

  问:习近平总书记多次强调,关键核心技术是要不来、买不来、讨不来的,要把关键核心技术掌握在自己手中。回顾北斗发展历程,对于加强自主创新、掌握核心技术,您有怎样的思考和体会?

  答:我体会,关键技术、核心技术掌握在自己手中,最重要的是我们要有这方面的决心和意志。我觉得中国人是很聪明的,我们只要下决心做,我们都能够做出来,关键是有没有决心和意志。在北斗发展初期,是不是完全自主创新,我们有过一些动摇。后来,我们下定决心走自主发展道路,努力攻关核心技术,反而取得了更快的发展进步。所以,我们一方面要有国际视野,学习研究国外的先进技术,另一方面还要依托自身,靠自己来独立研制,走自力更生、自主可控的道路。