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北斗三号收官之星发射成功!

2020-06-24

  交汇点讯 随着北斗三号GEO-3卫星的成功发射,我国北斗卫星导航系统建设项目圆满完成,星阵已列,全球“天网”成功织就,今后“北斗三号”将给我们的生活带来哪些改变?前后经过30多年的实践探索,我国为何对于“北斗”系统的建设如此执着?媒体采访了南京航空航天大学航天学院的闻新教授和康国华教授,一起探秘北斗的前行之路。

  你早就用上了北斗,只是你可能不知道——

  很多人知道我国发射了北斗卫星,却不清楚北斗早已经提供给人民使用,并向全世界开放。

  如果你留心观察,不难发现,你的智能手机总是能够精准报时,几乎不会像手表那样,偶尔会“走快了”或是“走慢了”,帮助你“对表”的,正是北斗卫星导航系统。

  南京航空航天大学航天学院教授康国华告诉记者,“北斗”不仅仅是发射到天空的一颗颗卫星,而是一个庞大的系统工程。看似遥不可及,其实与我们的生活息息相关。“从上个世纪80年代开始,全世界都一直在用美国的GPS。有了北斗系统后,GPS在全球卫星定位领域的绝对主导地位受到了挑战,现在我们大部分手机都已开始采用北斗导航系统。”

  他拿出自己的手机,给记者演示了手机APP所显示的卫星天顶图,图中显示了全球四大卫星导航系统各自卫星在当地天顶上运动的情况,他们分别是美国的全球导航定位系统(GPS),俄罗斯的格洛纳斯系统(GLONASS)、欧盟的伽利略系统(Galileo),还有中国的北斗系统。“其中彩色的能收到信号的在轨卫星,而黑白的则是暂时收不到信号。“

  北斗卫星每一颗重850KG,载荷重量:300Kg,承载着三项功能——定位、授时和短报文。康国华说,定位是导航的基础,导航是定位的应用;定位是“告诉你在哪”,导航是“告诉你如何从现在所处的位置,去你想要去的地方”。

  授时,顾名思义就是“给出准确的时间”,对一些仪器设备来说就是进行时间的校准,只要用了北斗授时功能,即使分布在全球不同地方,依然可以保持时间的“同步”。康国华告诉记者,时间同步是一个国家安全的保障,如高铁、电网、计算机网络通信等等,都需要时间同步。如高铁准时发车、按时到站、安全交会等,都需要有“同步时间”作为基准。比如依靠北斗的精准定位,高铁从时速350公里一次制动到停车,最后停准误差能控制在10厘米之内。

  短报文则是中国北斗的独有特色,与GPS接收机只能单向接收卫星信号不同,北斗接收机不仅可以实现定位,而且可以类似手机收发短信,通过卫星进行双向的文字信息传递。

  在2008年的汶川地震救援中,当时地面通信设施遭到严重破坏,甚至瘫痪,救援部队利用北斗短报文,发出了来自灾区的第一条信息,将灾情和受灾位置准确地报告给救灾抢险指挥部,发挥了巨大作用。而当时“北斗一号”的精度其实还不够高,其双向通讯功能已经大显神通,挽救生命难以计数。

  “斗转星移”,20多年织就一张“天网”

  逐梦“北斗星”的背后是几代人的接力奋斗,从无到有,从弱到强,“北斗”星光日渐耀眼。

  南京航空航天大学航天学院闻新教授告诉记者,国人关于北斗卫星导航系统的设想,可以追溯到1983年。著名航天专家陈芳允院士首次提出双星定位的概念和设想。

  “给北斗卫星导航系统定下三步发展规划的总设计师则是我国‘两弹一星‘元勋孙家栋。”闻新介绍,1994年我国启动了北斗卫星导航试验系统建设,即为“北斗一代”,第二步则是在2004年,启动北斗卫星导航系统建设,2012年形成区域无源服务能力。而第三步正是在今年,形成全球无源服务能力。“从2007年到2010年,一颗颗组网卫星不断发射升空,在天空中‘织’出了一张信息网。”

  由于“北斗一代”采用的是双星定位方法,所以“北斗一代”在定位精度、授时精度、服务区域等方面都有不小的提升空间,特别是信号传输延时大等问题。”闻新举例,“北斗一代”的定位精度是水平20米,这也就意味着,距离小于20米的两个物体,“北斗一代”是无法从遥远的太空“看清”并且计算出它们的位置差别。

  康国华介绍,目前我们的手机里一般还是集成了两三个甚至四个国家的卫星系统。“为什么我们不单独用中国的北斗系统?因为北斗二号系统着重覆盖亚太地区,在全球其他地区的服务还不是很稳定。”

  康国华把北斗卫星的多次发射比作“拼图”, 北斗一号是试验星,只有4颗,仅在我们中国的上空,目前已经全部退役;之后的北斗二号是区域组网卫星,覆盖亚太地区共20颗卫星。“北斗三号”卫星导航系统空间段由27颗中地球轨道卫星、5颗同步轨道卫星、3颗倾斜同步轨道卫星组成,共计35颗星。

  从北斗二号首颗星起算,我国已发射54颗北斗导航卫星,从6月开始已经正式入网工作。而6月23日发射的最后一颗组网卫星,便是整个北斗卫星导航系统中的第55颗。

  康国华说,尽管此次我们发射的是拼图中最后一颗星,但其实北斗系统中的卫星一直都在更替当中,“每一颗卫星都是有寿命,平均大概8—10年需要退役,北斗三代建设以来,已经有不少卫星退役和新增。 最后第55颗星的意义,是让北斗系统真正成为全球的北斗,在地球任何一个地方都可以用北斗来定位。”

  最亮的中国星,让天上的星星“参北斗”

  中国航天人对于“北斗”卫星的执着,意义何在?

  作为国之重器,北斗是我国重大空间基础设施,以建设我国时空基准网和导航信息网为目标,是我大国地位和战略利益的重要支撑。“可以说,越早建设,就越由占据战略的优势。”康国华举例说,”卫星定位需要从天上发射特定频点的无线电波到地面,由于只有特定频点电磁波穿透大气过程中出现衰减最少,因此这些频点就成为重要的战略资源”,根据当前国际电联对频点分配采取“先占先得”的规则,美国由于最早建设GPS,因此选择的频段是最优的。

  卫星导航的竞争不仅是是技术体制的竞争,同时也是星座与信号的竞争。中国与欧洲、美国就卫星频点和轨位问题经历了多年的协调工作,甚至“明争暗斗”,背后充满了大国航天的“博弈”。

  北斗二号导航系统就曾经历了这样的紧迫时间。按照国际电联的相关规定,北斗二号导航系统必须在七年之内完成卫星导航信号在轨向地面发播,否则就取消导航频率的优先使用权,需要重新申请频率和开展相关国际协调,如此一来,我国将失去了发展全球卫星导航系统的最佳机会。

  面对紧迫的研制任务,南京航空航天大学校友、时任北斗二号卫星副总设计师的陈忠贵带领党员突击队,改进集成测试验证方法,一周“5+2”、每天“白+黑”,奋战8个月。2007年4月16日,在成功发射的两天后,北京从飞行试验星获得清晰信号,此时距离空间频率失效仅剩下不到4个小时——正是这次壮举,有效地保护了我国卫星导航系统的频率资源,拉开了北斗区域导航系统建设的序幕。

  “如今,北斗三号”全球卫星导航系统的成功组网,标志着我国在卫星导航系统领域,有了和美国GPS导航系统实力PK的“资本。北斗不仅是一项国家工程,也是民族工程。‘北斗’有着多个‘第一次’。”闻新列举,北斗卫星导航系统第一次采用了三种轨道(GEO、IGSO、MEO)的混合星座的体制;第一次达到元器件100%国产化要求;第一次提出合作与兼容……这些都让中国的航空航天和卫星监测技术在世界上更有底气。

  比如作为导航卫星“心脏”的星载原子钟,在中国曾经一度是技术空白。而无线电波传递和接收有一个时间差,时间差乘以光速就是距离,只要误差一秒,那么距离就会相差30万公里。 在北斗二号研制时,曾引进过瑞士一家公司,但后来欧盟要求该公司提供的原子钟要比“伽利略”导航系统低一个数量级的精度,这让陈忠贵及设计团队更深刻认识到“关键核心技术买不来、要不来、讨不来”。

  如今,我国已经攻克了铷原子钟、氢原子钟的关键技术,并在北斗导航卫星上使用了这两种原子钟搭配来实现时间基准的建立。其中, 星载铷原子钟实现了元器件100%国产化,目前的精度可达到300万年误差仅为1秒,被动型星载氢原子钟,1000万年才误差1秒。

  目前,北斗三号卫星在定位服务、广域增强服务、全球短报文服务、搜索救援服务等方面都形成了鲜明的北斗特色,并在系统信号性能、系统传输和测距性能、星载原子钟性能、关键产品和元器件国产化等方面实现了对国外技术的局部领先。在南京航天航天大学校友总师思政公开课上,陈忠贵就充满自信地指出,“北斗三号系统的核心就是以更高精准,更高性能服务全球”,让中国的北斗也是世界的北斗!”

  “北斗+”时代开启, 既要天上好用,也要地上用好

  北斗全球组网后,具有定位、授时和短报文服务的北斗系统融入老百姓生活的速度会加快。“北斗+”生活将加速来临。

  “它将会成为像类似于像水网、电网一样基础设施,日常生活再也离不开它;如你点一个外卖、叫一辆网约车,都需要用到卫星定位确定你当前的位置。” 康国华说,但接下来,北斗还要解决可靠性、精度、稳定性等各方面的问题。

  “北斗现在最大的问题是应用推广。”康国华说,毕竟GPS比我们早发展了20多年,用户使用具有了粘性和惯性;以手机为例,将GPS芯片换成北斗芯片,就要增加很多而外成本,商家就没有动力去更换;因此在一些GPS应用的本来就成熟的领域,替换北斗往往会遇到比较大的阻力。但北斗只有用的人越多,成本才会越低,迭代改进速度越快,形成正反馈。

  康国华教授目前带领团队开展的“低轨卫星导航增强”研究就与北斗的推广应用有关。“如果我们把北斗系统比做高速公路一样的主干网,它能提供优于10米定位精度;那我们工作就类似于在修‘省道’,在这个骨干网基础上,进一步提高精度”。

  康国华举例子说,当你在城市楼宇间穿梭时,由于楼宇形成的“峡谷”效应,你能看到的天很小,因此接收到卫星的信号少且弱。而低轨导航增强系统,就是在北斗星座下方再增加一层低轨星座,利用低轨卫星上的导航增强系统实现北斗信号增强和播发,从而提高信号的强度,将原来北斗道路级定位提升为车道级定位。以前我们可以知道人在哪,现在我还要知道你是迈出了左脚还是右脚。”康国华说。目前日本有一个“准天顶”卫星系统也具有类似的功能,但他们是基于GPS来做的,而我们团队是基于自己北斗系统来研究的。

  未来,北斗卫星导航系统在陆地、海洋、航空航天、大众消费等多个领域都有着广泛的应用。“举例,海洋渔业中,船只的导航、渔业综合信息服务网络的建立,都离不开北斗系统的定位信号。”闻新介绍说,在交通运输领域,先进的卫星导航技术应用是实现交通运输信息化和现代化的重要手段,对建立畅通、高效、安全、绿色的现代交通运输体系具有十分重要的意义。”

  记者了解到,北斗系统在我国的多个领域已经开始应用。如基于北斗系统的水文监测系统,实现了水文水情信息的实时传输,大大提高了雨情、水情、旱情和灾情信息采集的准确性及传输的时效性。已在我国陕南地区、长江流域、黄河流域,获得了广泛应用,用户数量达到4000多个。“在气象预报领域,经过多年气象数字报文传输应用实验,科研工作者研制的系列气象预报型北斗终端设备和系统应用解决方案,解决了国家气象局和各地市气象中心的气象站数字报文自动传输汇集、气象站地图分布可视化显示功能。目前,在气象领域的北斗应用终端已经达数千台。”

  微链接——“北斗三号”总师“南航造”

  “北斗三号”和江苏还有一层亲切的联系,它的总设计师陈忠贵是南京航空航天大学86级校友。

  “仰望星空,托起探索宇宙志向。努力拼搏,实现航天强国梦想。”在今年第五个“中国航天日”和“东方红一号”卫星成功发射50周年的日子里,陈忠贵为母校学子深情寄语。

  陈忠贵毕业后到航天五院工作已有31个年头,其中有20年都在从事与北斗相关的工作。北斗卫星导航系统从无到有,从弱变强,从区域到全球,他见证了8万北斗人夜以继日、呕心沥血的攻关与奉献。

  2018年12月,陈忠贵曾回到南航校园,为同学们带来了一场震撼的校友总师思政公开课《北斗导航卫星》。本科原是学矿山机械的陈忠贵,出于对航空航天梦的向往,在工作几年后辞去了工作,选择报考了南京航空学院(南京航空航天大学前身)的数理力学专业,师从朱明教授从事多体动力学研究。

  “南航的学风非常严格,尤其是专业基础课程的要求特别高,考试不含糊。”这是陈忠贵回忆读研学习生活时印象最深的事情。他还记得自动控制这门课程,“考试成绩不理想,老师还会找学生谈话,帮助学生分析原因,举一反三。”正是有这样的严谨学风与潜心育人的专业教师,陈忠贵在读研期间及时弥补了专业基础的差距,为后期的工作发展奠定了根基。

  在朱明老师的指导下,陈忠贵将研究生毕业论文瞄准多体动力学新型建模理论和分析软件开发方向。在毕业论文撰写过程中,他有了更多机会接触航天这个领域,而在当时,航天最缺的也正是从事动力学、热学等基础学科研究的专业人才。正是这样的机缘,陈忠贵“天然地”与航天形成了默契的关联,毕业后毅然选择了航天五院,这个他孜孜以求、热爱不已的领域。

  在给南航学生上的公开课中,陈忠贵全面回顾我国北斗卫星导航从一号至三号的发展历程,系统讲述了我国在卫星导航系统领域的技术沿革与重大创新成果。如今北斗卫星导航系统实现了组成卫星的单机产品100%国产化,核心元器件全部实现国产化,成为了继美国GPS、俄罗斯格洛纳斯系统、欧洲伽利略系统之后第四个成熟的卫星导航系统。

  相较于北斗二号,北斗三号要求的功能更全、指标更多、可靠性更高。如何在短时间内实现系统功能性能的跃升,是北斗三号论证团队面临的严峻挑战。陈忠贵带领研制团队查资料、对标准、建模型、做布局、编方案,最终形成了满足各方不同需求的技术论证报告。

  展望未来,他希望能够建设服务全球、重点突出、富有特色、局部领先、平稳过渡的北斗卫星导航系统,形成更加泛在更加融合、更加智能的基准时空体系。让中国的北斗也是世界的北斗,是他对卫星导航事业矢志不渝的事业目标,也是对我国航天强国事业的铮铮誓言。

(文章来自网络)

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