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)達國家同類產品拼力比試、同臺競爭甚至“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(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,，一些技術細節(jié)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,。以導航系統(tǒng)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,。

　　這正應了人們常說的那句 “既是挑戰(zhàn)，也是機遇”,。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專家,，揭秘走向全球的中國北斗究竟是怎樣煉成的,。

　　“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)就相當于人的“大腦與神經組織”,，指揮肢體完成各種工作,；衛(wèi)星推進系統(tǒng)相當于人的“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,、維持時間準確性的守時設備——原子鐘,，則相當于人的“心臟”，可謂“沒有原子鐘就沒有全球導航”,。衛(wèi)星之間的鏈路技術,，相當于人的“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”。

　　先說“大腦與神經組織”,。這關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”,，知道自己該待在什么地方,。而這種“自律”就得益于被稱作衛(wèi)星“大腦與神經組織”的控制系統(tǒng)。

　　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,，當然這也給衛(wèi)星控制系統(tǒng)的設計和實現(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中,，控制系統(tǒng)國產化單機達100%,，分系統(tǒng)國產化元器件占90%以上——這是高益軍透露的一組數(shù)據(jù)。他說：“控制系統(tǒng)里沒有一臺進口產品,?！?/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行轉換，并通過星上線纜網——相當于衛(wèi)星的“血管系統(tǒng)”,，輸送到各種電子設備,。

　　按照中國航天科技集團五院510所專家的說法，電子設備有什么樣的口味,，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只“300萬年1秒誤差”的鐘

　　不少人談及北斗、GPS等衛(wèi)星導航系統(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)星導航系統(tǒng)總設計師楊長風說,，時間精度就是衛(wèi)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(wèi)星發(fā)展初期,，我國并不具備研制生產星載原子鐘的能力。楊長風說,，過去,，只有少數(shù)國家能夠制造衛(wèi)星導航系統(tǒng)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,，“這才倒逼我們研制能夠上星的原子鐘”。

　　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(wěn)定度，直接關乎導航衛(wèi)星的定位,、測速和授時功能的精度,，甚至可以說，直接決定著導航衛(wèi)星的成敗,。

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

　　中國航天科技集團五院北斗三號衛(wèi)星總設計師王平說，這一技術進步,，直接推動了我國全球導航系統(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制甚高精度銣原子鐘,，爭取未來將導航衛(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,，或將帶動新興產業(yè)和新興社會應用的出現(xiàn)。

　　“靈魂”：離“天地之間萬物互聯(lián)”不遠了

　　當然,，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多顆組網衛(wèi)星發(fā)射，才能構成全球衛(wèi)星導航系統(tǒng),，實現(xiàn)所謂的全球服務能力,。

　　另一個容易被忽略的細節(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,，同樣能和它們取得聯(lián)系。

　　五院西安分院北斗導航副總設計師張立新說,，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(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壓力。

　　當然,，星間鏈路并非只是“地面站難以大范圍建設”的權宜之計,，也是掌握著“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(wèi)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”,。

　　張立新說,，由于北斗導航衛(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,，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)星相關聯(lián),，聯(lián)網的數(shù)量可達上百顆,。張立新說：“這對于構建我國的天基綜合信息網，實現(xiàn)我國衛(wèi)星之間聯(lián)網具有不可小覷的作用,?！?/p>

　　他以遙感衛(wèi)星為例，遙感衛(wèi)星對全球的地面進行測繪,，但只有衛(wèi)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(wèi)星就能夠以北斗導航衛(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)”不遠了,。

　　中國青年報·中青在線記者 邱晨輝