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中國大國重器北斗三號衛星究竟是怎樣煉成的?

http://dailynews.sina.com/bg/   2017年11月12日 20:55   中國青年報

  圖表:北斗系統“三步走” 視覺中國供圖

  任何一個大國重器的誕生,似乎都避免不了和發達國家同類産品拼力比試、同台競爭甚至“掰手腕”的命運,作為要走進尋常百姓家的導航利器,北斗更是如此。11月5日晚,我國最新一代導航衛星北斗三號首次發射后,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“火箭發射有多厲害”“飛天衛星有什麼用”等問題,至於其背后技術含量、研製人員辛勞程度則鮮有問津。不過,這一點並不完全適用於北斗,因為要真正说清楚它和GPS的區別,一些技術細節甚至是技術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綫,就是在之后的追趕過程中,也不能说完全躋身到了同一個賽道上。以導航系統的地面站建設為例,美國打造GPS,可以在全世界“布點設站”,而中國囿於種種原因只能在“天上”想辦法,攻堅衛星之間、星座之間的鏈路技術。

  這正應了人們常说的那句 “既是挑戰,也是機遇”。太空是個大舞台,在這個舞台上亮相的各種衛星,扮演着生旦凈末醜不同的“角色”,但是無論什麼樣的角色,都有其基本功以及獨門手藝,北斗也不例外。中國青年報·中青在綫記者就此採訪有關專家,揭秘走向全球的中國北斗究竟是怎樣煉成的。

  “大腦”:數十顆北斗衛星“天上漂”如何不擅離職守?

  作為北斗三號衛星的打造者,中國航天科技集團五院的專家給出過這樣一個比方——

  如果把衛星類比成人的話,那麼衛星的控制系統就相當於人的“大腦與神經組織”,指揮肢体完成各種工作;衛星推進系統相當於人的“肌肉組織”,推動肢体完成各種工作;而能源系統相當於人的“血液循環組織”,為大腦和肢体提供能量。

  而為整個衛星提供時間基準、維持時間準確性的守時設備——原子鐘,則相當於人的“心臟”,可謂“沒有原子鐘就沒有全球導航”。衛星之間的鏈路技術,相當於人的“靈魂”,讓人與人遠距離之間也能夠相互感應,彼此惦記,做到“心有靈犀”。

  先说“大腦與神經組織”。這關乎不少人的一個疑問,即“數十顆北斗衛星同時在天上漂,他們如何做到不擅離職守?”

  答案是,他們非常“自律”,知道自己該待在什麼地方。而這種“自律”就得益於被稱作衛星“大腦與神經組織”的控制系統。

  按照中國航天科技集團五院北斗三號副總設計師高益軍的说法,控制系統就是衛星在天上保持正確軌道、正確姿態的“總指揮”,它實時搜集衛星的軌道和姿態信息,一旦發現有所偏離,就指揮自己回到正常狀態。

  高益軍说,有了這個北斗三號的控制分系統,就相當於增加衛星“至少60天”的完全自主運行能力。這意味着,一旦地面測控站出現故障期間,北斗衛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’範圍外對衛星的控制。並大大降低系統的運行管理成本,當然這也給衛星控制系統的設計和實現帶來了很大的難度。”高益軍说。

  值得一提的是,此次北斗三號研製任務中,控制系統國産化單機達100%,分系統國産化元器件占90%以上——這是高益軍透露的一組數據。他说:“控制系統裏沒有一台進口産品。”

  至於衛星的“血液循環組織”,有一個重要的組成部分,名為“二次電源”,它將衛星上一次太陽能或電池的電能進行轉換,並通過星上線纜網——相當於衛星的“血管系統”,輸送到各種電子設備。

  按照中國航天科技集團五院510所專家的说法,電子設備有什麼樣的口味,他們就有什麼樣的“電能菜譜”,讓衛星電子設備“大快朵頤”,來完成在太空中的表演。

  “心臟”:精確定位的前提是一隻“300萬年1秒誤差”的鐘

  不少人談及北斗、GPS等衛星導航系統,第一個疑問就是“天上的‘星星’是如何‘看到’我們的位置,又怎麼能如此精準地‘指引’我們的方向?”

  這就不得不提到被稱作衛星“心臟”的原子鐘,導航系統几乎都是依靠它來“掌握”時間的精度。北斗衛星導航系統總設計師楊長風说,時間精度就是衛星導航的“命門”,天地間時間越同步、誤差越小,定位精度越高。

  然而,在北斗導航衛星發展初期,我國並不具備研製生産星載原子鐘的能力。楊長風说,過去,只有少數國家能夠製造衛星導航系統使用的高精度原子鐘,但對我國實行嚴格限制,甚至直接禁運,“這才倒逼我們研製能夠上星的原子鐘”。

  直到北斗二號建設時,他國壟斷才被徹底打破。如今,北斗三號建設大幕拉開,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建立的一套極度精密的電子設備,簡稱“銣鐘”。其穩定度,直接關乎導航衛星的定位、測速和授時功能的精度,甚至可以说,直接決定着導航衛星的成敗。

  楊長風说,北斗三號所配備的銣鐘,其穩定度達到E-14量級,“這相當於300萬年只有1秒誤差”。

  中國航天科技集團五院北斗三號衛星總設計師王平说,這一技術進步,直接推動了我國全球導航系統定位精度,由之前“區域系統”的10米,跨越到后續“全球系統”米級分辨率,測速和授時精度同步提高一個量級。

  五院原子頻標領域首席專家賀玉玲博士透露,當前,中國航天科技集團五院西安分院正在研製甚高精度銣原子鐘,爭取未來將導航衛星的定位精度、授時精度再提高一個量級,屆時,這種追求精度極致的探索,或將帶動新興産業和新興社會應用的出現。

  “靈魂”:離“天地之間萬物互聯”不遠了

  當然,只有一顆衛星不足以稱之為系統。我們常说的北斗,是中國北斗衛星導航系統的簡稱,不是指一顆衛星,以北斗三號這一代為例,按照計劃,要到2020年,完成30多顆組網衛星發射,才能構成全球衛星導航系統,實現所謂的全球服務能力。

  另一個容易被忽略的細節是,除了空間段這30多顆衛星,整個北斗系統還包括地面段和用戶段,前者有地面基準站,后者有用戶終端。

  這就引出一個問題,即我國很難像GPS那樣,在全球大範圍建立地面站,為解決境外衛星的數據傳輸通道,似乎只能從“星間鏈路”下手——在衛星之間搭建的通信測量鏈路,實現了衛星與衛星、衛星與地面站的鏈路互通。

  這就是说,雖然我們“看不見”處在地球另一面的北斗衛星,但通過北斗衛星的星間鏈路,同樣能和它們取得聯繫。

  五院西安分院北斗導航副總設計師張立新说,星間鏈路技術就好比讓北斗三號“太空兄弟手拉手”,不僅相互間通信和數據傳輸,還能相互測距,自動“保持隊形”,可以減輕地面管理維護壓力。

  當然,星間鏈路並非只是“地面站難以大範圍建設”的權宜之計,也是掌握着“主動出擊”“自主導航”的關鍵。

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

  張立新说,由於北斗導航衛星的地面站較少,地面系統的全球連續完好性監測,和實時告警的時間一般需要“數十秒到幾小時”,而衛星上的直接監測預警,僅僅需要幾秒鐘的時間。

  在他看來,衛星自主完好性監測,是北斗三號的一項新技術,相較於美國的GPS、俄羅斯的格洛納斯以及歐洲的伽利略等導航衛星系統,中國北斗在世界上首次實現了衛星的在軌完好性自主監測功能。

  此外,北斗三號的星間鏈路系統,還能與其他類型衛星相關聯,聯網的數量可達上百顆。張立新说:“這對於構建我國的天基綜合信息網,實現我國衛星之間聯網具有不可小覷的作用。”

  他以遙感衛星為例,遙感衛星對全球的地面進行測繪,但只有衛星經過國土境內時,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中,遙感衛星就能夠以北斗導航衛星的星間鏈路為“通道”,實現信息的實時傳輸,互通天地信息。

  如此,也就離我們所说的“天地之間萬物互聯”不遠了。(中國青年報·中青在綫記者 邱晨輝)

 

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