2023年第14期《中國經(jīng)濟周刊》封面
2020年6月23日9時43分，伴隨西昌衛(wèi)星發(fā)射中心一聲巨響，北斗系統(tǒng)第55顆導(dǎo)航衛(wèi)星成功發(fā)射。標(biāo)志著北斗三號全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)星座部署圓滿完成，這個時間，足足比計劃提前了半年。
同年7月31日，中國向世界鄭重宣布——北斗三號全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建成并開通，中國成為世界第三個獨立擁有全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的國家。
中國北斗，“星火”燎原。
三年間，作為重大時空基礎(chǔ)設(shè)施，北斗系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于國家經(jīng)濟社會發(fā)展各行業(yè)領(lǐng)域，助力各行業(yè)轉(zhuǎn)型升級、提質(zhì)增效。
同時，作為聯(lián)合國認(rèn)可的四大全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)之一，北斗系統(tǒng)已服務(wù)全球200多個國家和地區(qū)用戶，在民航、海事、搜救等領(lǐng)域積極履行國際義務(wù)，為推動構(gòu)建人類命運共同體貢獻中國力量。
近日，在北斗三號全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建成并開通三周年之際，《中國經(jīng)濟周刊》記者獨家采訪衛(wèi)星系統(tǒng)研發(fā)團隊、中國衛(wèi)星導(dǎo)航定位協(xié)會，實地調(diào)研多家北斗產(chǎn)業(yè)及相關(guān)領(lǐng)軍企業(yè)，與北斗系統(tǒng)總設(shè)計師、行業(yè)協(xié)會、上市公司、資深從業(yè)者等深度對談，暢談產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及問題，收集關(guān)于產(chǎn)業(yè)發(fā)展的建議，共謀北斗產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。
《中國經(jīng)濟周刊》首席攝影記者 肖翊I攝
獨家專訪北斗三號衛(wèi)星系統(tǒng)總設(shè)計師林寶軍
北斗系統(tǒng)整體核心指標(biāo)已超GPS
《中國經(jīng)濟周刊》記者 賈璇| 上海報道
“天上建好，地上用好”，是北斗系統(tǒng)的口號。
時至今日，北斗系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于國家經(jīng)濟社會發(fā)展各行業(yè)領(lǐng)域，助力各行業(yè)轉(zhuǎn)型升級、提質(zhì)增效，產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。
2020年，在北斗三號全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正式開通后，《中國經(jīng)濟周刊》記者專訪了北斗三號衛(wèi)星系統(tǒng)總設(shè)計師、中科院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院副院長林寶軍，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。
時隔三年，如今北斗衛(wèi)星運行效果怎樣？下一階段的任務(wù)是什么？近日，《中國經(jīng)濟周刊》再次對話林寶軍，探尋答案。
北斗系統(tǒng)精度比GPS高一個量級
世界四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)分別為美國的全球定位系統(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，原來北斗的目標(biāo)是爭二保三。但現(xiàn)在來看，北斗系統(tǒng)運行效果超出預(yù)期，整體核心指標(biāo)已經(jīng)超過GPS，是世界一流的。”林寶軍激動地說。
他回憶道，一次調(diào)研中當(dāng)他向別人說出同樣答案時，對方震驚地質(zhì)疑：“GPS是美國航天三個里程碑式成果之一，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，就說成是超過別人了？”
林寶軍堅定地回答“不是”。
導(dǎo)航系統(tǒng)中，用于計量時頻（時間和頻率統(tǒng)稱為時頻）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。它的每一次跳動都直接決定著衛(wèi)星定位、測速和授時功能的精度。某種程度上，誰的原子鐘做得更好，誰的導(dǎo)航系統(tǒng)就做得更好。
曾經(jīng)，在北斗二號系統(tǒng)研制初期，星載原子鐘在國內(nèi)尚屬技術(shù)空白，想從國外引進，卻被好幾家廠商以“保密”為由，一口回絕。
“北斗之父”、中國科學(xué)院院士孫家棟說：“我們再也不能對進口產(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。”
如今，北斗三號組網(wǎng)星裝上了“中國心”，還“豪橫”地采用了“一星兩鐘”，即同時配置兩個氫鐘和兩個銣鐘。林寶軍詳解：“我們發(fā)明并采用原子鐘無縫切換技術(shù)——讓氫鐘和銣鐘同時工作，一旦任何一方出現(xiàn)問題，立刻切換至另一方，切換時相位誤差僅為20皮秒（1皮秒等于一萬億分之一秒），用戶毫無感覺。”
對于這項技術(shù)優(yōu)勢，三年前，林寶軍說：“北斗衛(wèi)星的精度比美國GPS導(dǎo)航系統(tǒng)高約10倍，每300萬年才會差一秒。”
經(jīng)過三年的在軌驗證，他給出更加確定的回答——“在時頻精度上，北斗衛(wèi)星比GPS高出近一個量級”。
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頻段這種測量型的星間鏈路技術(shù)。這項技術(shù)使我們所有北斗衛(wèi)星連成一個大網(wǎng)，每顆星之間可以“通話”，可以測距，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)度高度依賴實時的測運控。測運控可簡單理解為，對運行中的導(dǎo)航衛(wèi)星進行跟蹤、測量和控制，并負(fù)責(zé)整個衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的運行控制。
我國國土資源有限，很多衛(wèi)星無法實時進行監(jiān)測，精度就無從保證。通過Ka相控陣星間鏈路技術(shù)，讓能看到的星和看不到的星進行通話和傳輸。
“一開始所有人都認(rèn)為，這種解決方案只是個研究方向，連美國人都還沒做出來，中國人不可能做出來。事實證明，我們不僅做出來了，而且這種基于國內(nèi)測站實現(xiàn)全球星座運營的創(chuàng)新方式，還是穩(wěn)定可信、世界領(lǐng)先的。”林寶軍說。
CPU芯片是衛(wèi)星最為核心的元器件之一，北斗三號首次采用了國產(chǎn)龍芯。“實際在天上工作時，原本用的進口芯片大概一周會出現(xiàn)一次單粒子事件（空間高能粒子的影響，把芯片中的二進制數(shù)1打成0、0打成1），但龍芯在軌累計工作逾46萬小時，單粒子翻轉(zhuǎn)為0，保證了北斗系統(tǒng)的超高穩(wěn)定性。”
除了運行連續(xù)穩(wěn)定可靠，北斗系統(tǒng)的功能也更強大。
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，北斗三號還提供6項特色服務(wù)，即全球短報文、區(qū)域短報文、星基增強、地基增強、搜救服務(wù)和精密單點定位，性能方面達到“人無我有、人有我優(yōu)”。
發(fā)備份星是因為組網(wǎng)星出問題？
一般來說，對衛(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。
“高軌道衛(wèi)星的參與，讓中國及周邊地區(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)勢更為明顯。”林寶軍說。
他以自己在上海辦公室測試的可見星為例。“當(dāng)時接收到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?，F(xiàn)在大部分智能手機兼容四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，收集的所有信號共同解算位置，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49分，我國在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心用長征三號乙運載火箭，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年北斗三號全球組網(wǎng)以來發(fā)射的首顆，也是唯一一顆高軌備份衛(wèi)星。入軌并完成在軌測試后，將接入北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。
該衛(wèi)星將增強系統(tǒng)的可用性和穩(wěn)健性，提升系統(tǒng)現(xiàn)有區(qū)域短報文通信容量三分之一，還有助于用戶實現(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)備份星是因為組網(wǎng)星出了問題？”
對此，林寶軍給出明確回應(yīng)。一般來說，一年發(fā)2～3顆備份星是行業(yè)慣例。北斗三號組網(wǎng)星的設(shè)計壽命為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)任何問題。
他還用早期發(fā)射的北斗導(dǎo)航試驗衛(wèi)星為例，進一步證明北斗衛(wèi)星的超高性能。“2015年3月30日發(fā)射的首顆新一代北斗導(dǎo)航衛(wèi)星，設(shè)計壽命是3～5年，目前在軌運行8年，功能一切正?！，F(xiàn)在該星承載更多科學(xué)實驗，屬于超期服役。”林寶軍說。
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，進行了一些信號播發(fā)性能的提升。
林寶軍透露，除了這顆備份星，我國后續(xù)還計劃發(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，進一步提升和優(yōu)化北斗系統(tǒng)的穩(wěn)健性。
《中國經(jīng)濟周刊》首席攝影記者 肖翊I攝
有擔(dān)當(dāng)，真創(chuàng)新，謀跨越
目前中國北斗的服務(wù)空間是地表到地表以上數(shù)千公里的范圍。對于下一代北斗的建設(shè)發(fā)展，中國北斗人早在北斗三號系統(tǒng)開通服務(wù)時，便錨定了目標(biāo)。
2020年8月3日，國務(wù)院新聞辦舉行的新聞發(fā)布會上，中國衛(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、更加智能的國家綜合定位導(dǎo)航授時體系（PNT體系）。綜合定位導(dǎo)航授時體系是國家綜合定位、導(dǎo)航、授時的一個時空信息領(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)。特點是更安全、更高性能、更可靠。
簡單來講，PNT體系就是陸?？仗煲惑w、室內(nèi)室外無縫銜接、安全可靠、便捷實用的全方位的導(dǎo)航定位體系。
在林寶軍看來，實現(xiàn)目標(biāo)要“有擔(dān)當(dāng)，真創(chuàng)新，謀跨越”。
“航天領(lǐng)域有個傳統(tǒng)，一個航天器上采用的新技術(shù)不超過30%，但我們團隊研發(fā)的衛(wèi)星采用了100多項自主研發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)，幾乎70%都是新的。”他坦言，當(dāng)初提出要采用如此高比例的創(chuàng)新技術(shù)時，很多人都認(rèn)為無法實現(xiàn)，甚至覺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，難突破的不僅是技術(shù)，還有固有觀念。“很多年來，大家都認(rèn)為進口的東西更保險。我們團隊認(rèn)為只要理論行得通、驗證充分，國產(chǎn)不等于不可靠。三年的實踐也證明，自主創(chuàng)新經(jīng)得起考驗”。
秉持“真創(chuàng)新”的原則，他及團隊已經(jīng)在北斗三號衛(wèi)星上實現(xiàn)了多項“超前”布局的功能，“衛(wèi)星在軌程序重構(gòu)”就是其中一項。
據(jù)介紹，這項技術(shù)可實現(xiàn)將地面編好的程序上傳到星上，讓衛(wèi)星在軌升級內(nèi)部程序。做到不重新發(fā)新衛(wèi)星，就能擁有“新”衛(wèi)星。
（本文刊發(fā)于《中國經(jīng)濟周刊》2023年第14期）
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