作者:张蕾 王斯敏 来源:光明日报 发布时间:2020/7/3 9:03:26
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他们,用接续奋斗托举起“中国北斗”
——北斗全球导航系统背后的科研工作者故事

 

2020年6月23日9时43分,北斗三号最后一颗全球组网卫星在西昌卫星发射中心点火升空,约30分钟后进入预定轨道,发射任务取得圆满成功。至此,我国北斗工程完成了“三步走”战略,55颗导航卫星在天疆部署出一盘“大棋局”。

这些闪耀在苍穹的北斗卫星,每一颗都凝聚着科研人员的心血与奉献。几代北斗人经过近30年探索实践,见证了北斗系统从无到有,从有源定位到无源定位,从服务中国到服务亚太,再到全球组网的发展历程。

选择自力更生、自主创新的道路,需要志气和勇气,更需要执着和热忱。北斗人始终坚持“自主创新、团结协作、攻坚克难、追求卓越”的精神,用匠心打造精品,创造出“中国北斗”一个又一个奇迹——他们,才是夜空中最亮的星。

永葆北斗的风骨与灵魂

讲述人:北斗一号卫星总设计师、中国工程院院士 范本尧

听闻北斗三号最后一颗全球组网卫星发射成功的消息,我既欣慰,又兴奋。从1994年立项开始,经过几代北斗人的艰苦奋斗、攻坚克难,我们终于建成了世界一流、有中国特色、自主创新的北斗卫星导航系统。

如果说自力更生是北斗的风骨,那么自主创新则是北斗的灵魂。

北斗卫星导航系统的先进性和独创性主要表现为:

首次成功采用了由“3颗地球静止轨道(GEO)卫星+3颗倾斜地球同步轨道(IGSO)卫星+24颗中圆地球轨道(MEO)卫星”组成的多轨混合星座,提高了我国周边地区的定位精度,明显优于美国GPS,同时大大提高了星座的鲁棒性(即系统的健壮性)和生存能力;

在世界上首次成功采用了ROSS+RNSS导航双体制,不仅具备了系统的备份,同时又具有报文通信功能;

成功采用了先进的Ka频段星间链路,部分卫星首次使用了激光星间链路,组成了高、中、低轨星座间以及地面站间的通信链路,不仅提高了定位精度,也解决了国外无法建站的难题;

打破技术封锁,自主成功研制出导航卫星的关键部件,特别是核心部件星载高精度原子钟;

经过刻苦攻关,北斗卫星部件已100%实现国产化,打破了核心部件长期依赖进口、受制于人的局面。

我国发展卫星导航的起点可追溯到1969年,当时美国已根据多普勒测速原理,研制了“子午仪”卫星导航系统,为船舶实现一定量级的定位精度。我国也适时开展了卫星导航工程研制,命名为“灯塔一号”,至20世纪70年代末已完成技术攻关和初样阶段的整星各项地面试验。考虑到当时国外已开始了更先进的GPS导航系统研发,中央决定终止“灯塔一号”正样研制工作。项目研制虽然停止了,但通过“灯塔一号”,我们不仅积累了经验,还培养了一批高素质科研人员,为后来北斗卫星导航工程的研制打下了基础。

1983年,中国卫星测量、控制技术奠基人陈芳允院士首次提出“双星定位”原理。1990年前后,在他的主持下,我国利用在轨的两颗东方红二号甲通信卫星成功地进行了原理验证。后来,在航天五院童铠院士的组织下,又完成了卫星导航全系统的地面模拟实验,验证了工程大系统的可行性。1990年前后,我组织开展了双自旋导航卫星平台的技术攻关。1994年2月,北斗卫星导航系统工程正式立项。1995年,时任东方红三号通信卫星总设计师的我,为尽早满足用户导航定位的迫切需求,提出了导航卫星改用大容量的东方红三号三轴稳定卫星平台的建议,这样既能提高一倍使用率,延长三分之一寿命,还可缩短研制周期。由于第一颗东方红卫星定点失败,部分同志对此有顾虑。我详细分析了定点失败的原因,指出不是卫星方案和分系统的问题,而是局部质量问题,只要把好质量关,肯定能成功。最终,改用东三平台的建议得到了上级主管部门批准。

2000年10月和12月,我国连续成功发射两颗北斗卫星,标志着我国第一代北斗卫星导航系统的建立,使我国成为世界上第三个拥有卫星导航系统的国家。

20多年来,从方案到途径、路线再到功能,北斗始终保持着中国特色,而“自主创新、团结协作、攻坚克难、追求卓越”的北斗精神也始终在一代又一代北斗人身上得以彰显。

目前,北斗四代正在论证中。如何进一步提高导航定位精度?如何与大数据、人工智能等领域创新融合,形成统一的国家时空基准系统?北斗作为其中的核心力量,任重道远。

朝着北斗出发,前行永无止境

讲述人:北斗二号卫星系统总指挥、总设计师 杨慧

参与北斗一代工作,是在北斗一号正式立项之后。北斗一号是我成长的摇篮,我对它充满了感恩之心。

2003年下半年,北斗要再立项,北斗一号总指挥李祖洪副院长和总设计师范本尧院士奉命组建队伍,我前往北斗二号报到。项目论证了约一年时间,2004年8月31号正式立项,我们马上着手设计工作。北斗二号虽已完成可行性技术论证,但还面临很多挑战。例如,作为时间维持系统中的关键技术,原子钟的活动受温度影响极大,为了让它稳定工作,技术要求是0.2℃的波动。然而在太空中,没太阳的时候是-273℃,太阳一照则达到150—160℃。在这样的温差环境下,要求原子钟每24小时只能变化0.2℃,难度较大。

面对一个又一个问题,我们不断提出想法,再验证,再推翻,一点点向前推进。那段时间用“激情燃烧”来形容一点也不为过。到了晚上,办公室的灯光总是特别亮。

我们就这样不停地连轴转,直到2007年4月,我们顺利把试验星“打”到了天上。

北斗是一个庞大的系统工程,需要高度的专业协作。卫星一入轨,就要展开20多米的太阳翼,这需要一系列操作。很多卫星在200公里的高度就与火箭分离了,我们要用自己的推进系统让它一步步“爬”到35780公里的高度上去。即便卫星完全入轨交付使用,也不代表大功告成。卫星在轨的寿命是十来年,在此过程中还有很多事情要做,包括如何避免它在太空中经历“狂风骤雨”(太阳风、电磁辐射、高能粒子辐射等)而“伤风感冒”。我们要一直呵护它,直至它寿命终结,再把它安全送入“坟墓轨道”,以免影响后来的卫星在同样的轨道上工作。

十几年来,我们一直默默地奋斗。无论白天还是黑夜,所有管在轨的同事24小时待命,因为遇到问题时响应要快,我们的处置标准是接到电话10分钟内必须发出指令单和要求。

记得去年北斗二号“打”最后一颗收官卫星,凌晨3点左右,我们下山去食堂吃夜宵。食堂为我们准备了庆功的啤酒。借着那瓶啤酒,我让自己嚎啕大哭了一次,本以为会如释重负,但在那一刻,心情却很复杂。

我们曾写过一篇文章,叫《北斗的“三生三世”》。从北斗一号到北斗三号,从无到有,从区域服务到全球服务,我们的灵魂、追求、目标、初心没变,却一次次脱胎换骨。建设北斗一号,是为了从无到有“求生存”,在我们的领空范围内有安全保障。建设北斗二号,是为“再生再世”服务。我们追求的是有效服务,即服务精度,以中国为中心覆盖1/3个地球。到了北斗三号,就是“三生三世”,北斗再一次脱胎换骨,系统精度更高,并且覆盖全球。

最近,北斗三号最后一颗导航卫星实现全球组网,好几代人的夙愿在我们这一代人手里实现了。然而,人们对于时间和位置的精度要求永无止境,这就要求北斗系统继续往前走。我们也将一直前行,朝着北斗,永无止境。

北斗人,用导航定位人生

讲述人:中国空间技术研究院西安分院导航所所长 蒙艳松

自2005年正式步入航天领域,我已与北斗工程结缘15年。加入北斗团队后,我潜心钻研,很快就开始负责多个星间链路预研和北斗二号试验星等型号任务。

2009年前后,北斗三号启动建设,目标是到2020年实现由区域向全球的跨越,建成“自主可控、服务全球、富有特色、局部领先”的世界一流卫星导航系统。中国空间技术研究院西安分院作为卫星有效载荷研制的主力军,曾负责北斗一号、北斗二号全部有效载荷的研制任务,当然要积极承担起北斗三号这一难度大、要求高的工程。当时,工程组织星间链路可行性论证,国家重大项目立项也进入了关键期,我们义无反顾地接过了北斗全球导航系统先期论证的重任,同时承担了涉及星间链路的全部三个重大专项研发课题。

北斗三号起点很高,要实现100%国产化,2到3年内要完成所有组网星的交付,难度可想而知。其中,建立星间链路是北斗系统实现由区域向全球跨越的基础和关键。

论证北斗三号全球导航系统星间链路的日子是难忘的。为了获得更优的比测结果,我们不断调整测试方案,反复梳理测试流程。正是在这种精益求精、追求极致的过程中,我们突破了一个又一个技术瓶颈,实现了性能指标从优到更优的跨越。

2013年,北斗三号试验星工程立项,需要在三种轨道30颗卫星星座中建立网络化、高精度测量型的星间链路,系统复杂、体制新、方案新、技术新,在国际上尚属首次。接下来的两年里,我们又开始与时间赛跑,跟技术较真,联合国内优势单位完成了三颗试验卫星载荷的研制、交付与在轨试验。我们在国际首次提出混合体制星间链路系统方案,突破了短信号精密测距、大规模相控阵天线在轨自主校准等全套关键技术,为北斗全球系统及时开展试验卫星工程在轨验证扫清了技术障碍。以星间链路为代表的关键技术均得到在轨验证,功能性能满足工程要求,使我国北斗导航卫星星间链路技术处于国际领先地位,圆满完成了试验任务。

试验星工程完成后,组网星任务接踵而至。我们努力推动组网星有效载荷性能的再次提升,同时打造了一支专业的人才梯队。如今,20颗组网星在轨运行稳定,我们通过打造出一批星上核心系统及产品,让全球定位导航授时精度全面满足用户要求,创造了导航卫星有效载荷的中国精度、中国质量与中国速度。

北斗人的工作并没有结束,我们将继续为北斗导航卫星系统的发展,为祖国的航天事业铸就新的辉煌。

“能提高北斗系统性能的事,我们干!”

2020年6月23日,北斗三号最后一颗组网星在西昌卫星发射中心成功发射。星箭分离71秒后,太阳翼成功展开,相比同轨道其他卫星缩短了约30分钟。这颗创新性地采用了太阳翼展开时序优化设计方案的卫星,通过箭载摄像头传回了“羽翼伸展,金光璀璨”的影像,为北斗全球组网留下了浓墨重彩的一笔。

为了实现这“精彩一展”,中国航天科技集团五院502所北斗三号控制分系统研制团队细心完善技术方案,多角度全方位验证,确保更改万无一失。

今年是我加入中国航天大家庭的第10个年头。10年来,我参与完成了31颗北斗导航卫星的研制,先后20次奔赴基地执行任务,经历了北斗二号、北斗三号的磨砺与洗礼,一步步成长为能够独当一面的北斗人。

2011年春,正值北斗二号密集发射期,我光荣地加入了北斗团队,参与到北斗二号研制任务中。正是在那里,我学到了职业生涯的第一课。

在发射场模飞测试北斗二号MEO(中地球轨道)双星时,开始很顺利,但从对日姿态转为对地姿态时,却出现了一个之前从未发生的现象,随后多次重复测试,该现象都不再复现。面对这个极小概率问题,团队并没有轻易放过。在主任设计师尹泉的带领下,我和另一位同事趴在测试间足足两天,仔细分析程序设计逻辑,再一一比对操作过程,终于找到了这个只可能在64毫秒极短时段内遇到的情况。问题解决了,我也从前辈似乎有些偏执的态度中深刻领会了北斗人“不放过任何疑点”的执着精神。正是这种精神,才确保了北斗任务一次又一次成功完成。

北斗三号组网初期,我被调入北斗三号研制团队。在主任设计师王雪涛和严嵘的带领下,我们以极少的人力完成了艰巨任务。

2015年,就在MEO试验双星发射前夕,型号队伍对卫星的姿态方案进行了优化论证,但这种方案在高轨卫星中从未使用过,而出厂前改状态更是犯了“禁忌”。要不要“吃这个螃蟹”?大家对此态度不一。作为负责软件的副主任设计师,我内心顾虑重重。争执不下之时,负责控制推进系统的北斗三号副总设计师高益军一锤定音:“能提高北斗系统性能的事,我们干!”

经过近一个月披星戴月的高强度工作,我们终于赶上了卫星在轨验证。看到完美的姿态曲线的那一刻,我真切地体会到了北斗人的担当。

今后,我和队友们将继续奋战在一线,把“打造更完美的北斗”理念应用于在轨管理,确保卫星在轨稳定运行并提供精准的服务。

“中国北斗”这样一路走来

1994年,北斗一号系统工程立项。

2003年,北斗一号系统建成,我国成为继美、俄之后第三个拥有自主卫星导航系统的国家。

2004年,北斗二号卫星工程立项。

2009年12月,北斗三号立项。

2012年,成功建成国际上首个混合星座区域卫星导航系统,北斗卫星导航系统正式提供区域服务,北斗系统成为国际卫星导航系统四大服务商之一。

2018年12月27日,北斗三号基本系统正式向“一带一路”国家和地区及全球提供基本导航服务。

2019年12月底,全球系统核心星座部署完成。

2020年6月23日,第55颗北斗导航卫星成功发射,北斗三号全球卫星导航系统星座部署全面完成。

 
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