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揭秘中国北斗是怎样炼成的:能否和GPS一决高下
编辑:秦彦龙    2017-11-13 07:43:27    来源:中国青年报
原标题:揭秘中国北斗是怎样炼成的:能否和GPS一决高下

  中国北斗想和GPS一决高下

  大国重器北斗三号是怎样炼成的

  任何一个大国重器的诞生,似乎都避免不了和发达国家同类产品拼力比试、同台竞争甚至“掰手腕”的命运,作为要走进寻常百姓家的导航利器,北斗更是如此。11月5日晚,我国最新一代导航卫星北斗三号首次发射后,人们便迫不及待想知道走向全球的中国北斗,究竟能否和GPS一决高下。

  这可能也是航天活动不近人情的地方,在最抓眼球的火箭点火、呼啸苍穹之后,人们的好奇心大多留给了“火箭发射有多厉害”“飞天卫星有什么用”等问题,至于其背后技术含量、研制人员辛劳程度则鲜有问津。不过,这一点并不完全适用于北斗,因为要真正说清楚它和GPS的区别,一些技术细节甚至是技术路线问题是绕不开的。

  毕竟,中国北斗比GPS起步晚了20多年,不仅没能和后者站在同一条起跑线,就是在之后的追赶过程中,也不能说完全跻身到了同一个赛道上。以导航系统的地面站建设为例,美国打造GPS,可以在全世界“布点设站”,而中国囿于种种原因只能在“天上”想办法,攻坚卫星之间、星座之间的链路技术。

  这正应了人们常说的那句 “既是挑战,也是机遇”。太空是个大舞台,在这个舞台上亮相的各种卫星,扮演着生旦净末丑不同的“角色”,但是无论什么样的角色,都有其基本功以及独门手艺,北斗也不例外。中国青年报·中青在线记者就此采访有关专家,揭秘走向全球的中国北斗究竟是怎样炼成的。

  “大脑”:数十颗北斗卫星“天上漂”如何不擅离职守?

  作为北斗三号卫星的打造者,中国航天科技集团五院的专家给出过这样一个比方——

  如果把卫星类比成人的话,那么卫星的控制系统就相当于人的“大脑与神经组织”,指挥肢体完成各种工作;卫星推进系统相当于人的“肌肉组织”,推动肢体完成各种工作;而能源系统相当于人的“血液循环组织”,为大脑和肢体提供能量。

  而为整个卫星提供时间基准、维持时间准确性的守时设备——原子钟,则相当于人的“心脏”,可谓“没有原子钟就没有全球导航”。卫星之间的链路技术,相当于人的“灵魂”,让人与人远距离之间也能够相互感应,彼此惦记,做到“心有灵犀”。

  先说“大脑与神经组织”。这关乎不少人的一个疑问,即“数十颗北斗卫星同时在天上漂,他们如何做到不擅离职守?”

  答案是,他们非常“自律”,知道自己该待在什么地方。而这种“自律”就得益于被称作卫星“大脑与神经组织”的控制系统。

  按照中国航天科技集团五院北斗三号副总设计师高益军的说法,控制系统就是卫星在天上保持正确轨道、正确姿态的“总指挥”,它实时搜集卫星的轨道和姿态信息,一旦发现有所偏离,就指挥自己回到正常状态。

  高益军说,有了这个北斗三号的控制分系统,就相当于增加卫星“至少60天”的完全自主运行能力。这意味着,一旦地面测控站出现故障期间,北斗卫星仍能够正常在轨工作。

  “这样大大减少了对地面站的依赖,成就‘可视’范围外对卫星的控制。并大大降低系统的运行管理成本,当然这也给卫星控制系统的设计和实现带来了很大的难度。”高益军说。

  值得一提的是,此次北斗三号研制任务中,控制系统国产化单机达100%,分系统国产化元器件占90%以上——这是高益军透露的一组数据。他说:“控制系统里没有一台进口产品。”

  至于卫星的“血液循环组织”,有一个重要的组成部分,名为“二次电源”,它将卫星上一次太阳能或电池的电能进行转换,并通过星上线缆网——相当于卫星的“血管系统”,输送到各种电子设备。

  按照中国航天科技集团五院510所专家的说法,电子设备有什么样的口味,他们就有什么样的“电能菜谱”,让卫星电子设备“大快朵颐”,来完成在太空中的表演。

  “心脏”:精确定位的前提是一只“300万年1秒误差”的钟

  不少人谈及北斗、GPS等卫星导航系统,第一个疑问就是“天上的‘星星’是如何‘看到’我们的位置,又怎么能如此精准地‘指引’我们的方向?”

  这就不得不提到被称作卫星“心脏”的原子钟,导航系统几乎都是依靠它来“掌握”时间的精度。北斗卫星导航系统总设计师杨长风说,时间精度就是卫星导航的“命门”,天地间时间越同步、误差越小,定位精度越高。

  然而,在北斗导航卫星发展初期,我国并不具备研制生产星载原子钟的能力。杨长风说,过去,只有少数国家能够制造卫星导航系统使用的高精度原子钟,但对我国实行严格限制,甚至直接禁运,“这才倒逼我们研制能够上星的原子钟”。

  直到北斗二号建设时,他国垄断才被彻底打破。如今,北斗三号建设大幕拉开,我们也迎来了最新一代原子钟——“铷原子钟”。

  所谓“铷原子钟”,是以铷原子跃迁为物理基础建立的一套极度精密的电子设备,简称“铷钟”。其稳定度,直接关乎导航卫星的定位、测速和授时功能的精度,甚至可以说,直接决定着导航卫星的成败。

  杨长风说,北斗三号所配备的铷钟,其稳定度达到E-14量级,“这相当于300万年只有1秒误差”。

  中国航天科技集团五院北斗三号卫星总设计师王平说,这一技术进步,直接推动了我国全球导航系统定位精度,由之前“区域系统”的10米,跨越到后续“全球系统”米级分辨率,测速和授时精度同步提高一个量级。

  五院原子频标领域首席专家贺玉玲博士透露,当前,中国航天科技集团五院西安分院正在研制甚高精度铷原子钟,争取未来将导航卫星的定位精度、授时精度再提高一个量级,届时,这种追求精度极致的探索,或将带动新兴产业和新兴社会应用的出现。

  “灵魂”:离“天地之间万物互联”不远了

  当然,只有一颗卫星不足以称之为系统。我们常说的北斗,是中国北斗卫星导航系统的简称,不是指一颗卫星,以北斗三号这一代为例,按照计划,要到2020年,完成30多颗组网卫星发射,才能构成全球卫星导航系统,实现所谓的全球服务能力。

  另一个容易被忽略的细节是,除了空间段这30多颗卫星,整个北斗系统还包括地面段和用户段,前者有地面基准站,后者有用户终端。

  这就引出一个问题,即我国很难像GPS那样,在全球大范围建立地面站,为解决境外卫星的数据传输通道,似乎只能从“星间链路”下手——在卫星之间搭建的通信测量链路,实现了卫星与卫星、卫星与地面站的链路互通。

  这就是说,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。

  五院西安分院北斗导航副总设计师张立新说,星间链路技术就好比让北斗三号“太空兄弟手拉手”,不仅相互间通信和数据传输,还能相互测距,自动“保持队形”,可以减轻地面管理维护压力。

  当然,星间链路并非只是“地面站难以大范围建设”的权宜之计,也是掌握着“主动出击”“自主导航”的关键。

  所谓自主导航,就是指“即使地面站全部失效,30多颗北斗导航卫星也能通过星间链路提供精准定位和授时,地面用户通过手机等终端仍旧能进行定位及导航”。

  张立新说,由于北斗导航卫星的地面站较少,地面系统的全球连续完好性监测,和实时告警的时间一般需要“数十秒到几小时”,而卫星上的直接监测预警,仅仅需要几秒钟的时间。

  在他看来,卫星自主完好性监测,是北斗三号的一项新技术,相较于美国的GPS、俄罗斯的格洛纳斯以及欧洲的伽利略等导航卫星系统,中国北斗在世界上首次实现了卫星的在轨完好性自主监测功能。

  此外,北斗三号的星间链路系统,还能与其他类型卫星相关联,联网的数量可达上百颗。张立新说:“这对于构建我国的天基综合信息网,实现我国卫星之间联网具有不可小觑的作用。”

  他以遥感卫星为例,遥感卫星对全球的地面进行测绘,但只有卫星经过国土境内时,才能将其收集到的图片信息传回地面,而在天基综合信息网中,遥感卫星就能够以北斗导航卫星的星间链路为“通道”,实现信息的实时传输,互通天地信息。

  如此,也就离我们所说的“天地之间万物互联”不远了。

  中国青年报·中青在线记者 邱晨辉


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