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北斗系统全面建成,千军万马功不可没!

管理员 国内 2020-07-31 12:16:39 8 0    管理员QQ:8638516
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【环球时报-环球网报道   记者刘扬】2020年7月31日,北斗三号全球卫星导航系统建成暨开通仪式在人民大会堂隆重举行。中国向全世界郑重宣告,中国自主建设、独立运行的全球卫星导航系统已全面建成,中国北斗自信开启了高质量服务全球、造福人类的崭新篇章。从北斗一号工程立项开始,二十六载风雨兼程,为了实现共同的梦想,几代北斗人接续奋斗、数十万建设者聚力托举,在北斗三号全球卫星导航系统开通之际让我们一起来回顾和盘点一下北斗是如何从无到有锻造出来的。

“北斗是调动千军万马干出来的“

目光回到上世纪末。1994年,无论在世界还是中国卫星导航发展史上都是极具特殊意义的一年。这一年,世界首个全球卫星导航系统GPS全面建成;而此时,中国北斗一号系统则刚刚立项。

当时,我国的经济和技术基础都比较薄弱。2000年,北斗一号又省又快地构建起兼具定位授时和短报文通信服务的双星定位系统,使我国成为继美国、俄罗斯之后世界上第三个具有卫星导航系统的国家。

2017年11月,北斗三号系统首组双星发射;2020年6月,北斗全球组网成功,仅仅不到3年时间便完成星座部署,让全世界再一次领略到社会主义中国集中力量办大事的硬核实力。这次,中国不仅兑现了承诺,还比原定计划提前了半年!

北斗系统是国家重大科技工程,是我国迄今为止规模最大、覆盖范围最广、服务性能最高、与百姓生活关联最紧密的巨型复杂航天系统。

“北斗是党和国家调动千军万马干出来的,是工程全线几十万人团结一心拼出来的,是广大人民群众坚定支持共同托举起来的。”谈及北斗圆梦全球,工程总设计师杨长风感慨万千。

在建设航天强国伟大事业的感召下,天南海北的建设者们怀揣激情和梦想汇聚到北斗研制建设一线。据统计,工程启动以来,在全国范围内先后调集了400多家单位、30余万名科技人员参与研制建设。陈芳允、孙家栋两位“两弹一星”元勋和几十名两院院士领衔出征。

国内卫星导航与位置服务领域企事业单位数量在14000家左右,从业人员数量超过50万,形成珠三角、京津冀、长三角、鄂豫湘、川陕渝五大产业区。

每次发射任务,当神箭腾飞之际,无论白昼黑夜还是酷暑严寒,无论顶风冒雪还是大雨滂沱,发射首区和火箭残骸落区多个省市区的数十万人民群众都自觉服从大局,积极进行疏散。

北斗系统由卫星、火箭、发射场、测控、运控、星间链路、应用验证等七大系统组成,是跨部门、跨学科、跨行业、跨地域的复杂系统工程。统帅“千军万马”,离不开科学顶层设计和高效组织领导。

“将钱学森总体设计部思想贯穿研制建设全过程,建立起科学完善的组织管理体系,这是北斗取得成功的重要经验。”中国卫星导航系统管理办公室主任冉承其介绍说。

在顶层,国家有关部门联合成立领导小组,并设立管理办公室,具体承担国家卫星导航领域主管机构职能,对北斗系统建设、应用产业、国际合作实施归口管理。

实践证明,在这个庞大的工作体系里,从总体层到系统层,从管理线到技术线,从建设口到应用口,从设计方到施工方,不同类型、不同隶属的单位之所以能有机融为一体,得益于高效有力的总体设计部,以及与之匹配的体制机制和文化传承。

建设全球系统与区域系统相比,不是简单的规模“扩容”、而是全面的整体“升级”,对工程全线尤其是卫星系统带来空前挑战。事前据专家论证测算,以当时的研制能力,如果仍由一家单位抓总研制,即便“5+2”“白+黑”地连轴转,也很难在2020年底前完成30颗卫星的研制生产,更别提全部发射入轨、完成星座组网。

为如期“交卷”,工程全线大力整合各方力量,通过强化产品多家布局,特别是采取卫星“双总体”,让两个卫星总体单位分别组织队伍、同步抓总研制,极大调动了各方资源力量,极大促进了优势互补、协同共进,极大加速了关键核心技术突破,推动形成良性互利的发展局面,为确保北斗三号全球系统快速高效组网发挥了重要作用。

今年北斗收官发射正值疫情防控吃劲阶段,多支试验队伍、数百科技人员齐聚发射场,任务实施过程又一波三折。大家既要打赢组网收官战、又要打好防疫攻坚仗,两条线都不能出问题。

2017年11月到2020年6月,31个月时间,我国成功发射30颗北斗三号组网星和2颗北斗二号备份星,成功率100%,以超过月均1颗星的速度,创造世界卫星导航系统组网发射新纪录。

北斗建设之路是闯出来的

上世纪90年代初,国际局势复杂多变,让人们愈发强烈地意识到,拥有自己的卫星导航系统已经成为一个世界大国的重要标志、成为大国竞争的科技制高点。

同样是建设全球卫星导航系统,美、俄和欧盟选择搞“一步建全球”。而我国起步晚、底子薄,明智地选择分步走,先解决有无、满足急需,切实做到“把每个铜板都用在刀刃上”。

1983年,“两弹一星”元勋、“863计划”倡导者之一陈芳允院士,创造性地提出“双星定位”构想。这一方案,能以最小星座、最少投入、最短周期实现“从无到有”。

后来,“两弹一星”元勋、北斗系统首任工程总设计师孙家栋院士,进一步组织研究提出“三步走”发展战略,决定先建试验系统、然后再建区域系统,最后建成全球系统。

北斗系统建设坚持“一张蓝图绘到底”,一步一个脚印地向前迈进。2000年建成北斗一号试验系统,使我国成为世界第三个拥有自主卫星导航系统的国家。2012年建成北斗二号区域系统,为亚太地区提供服务。2020年建设北斗三号全球系统,实现了中国人孜孜以求的“全球梦”。中国计划在2035年左右,建成以北斗系统为基础,更加泛在、更加融合、更加智能的国家综合定位导航授时体系。

与其他全球卫星导航系统采取单一轨道星座构型相比,北斗系统独树一帜,坚定选择走混合星座的特色发展之路。北斗一号建设时,在国际上首次实现地球静止轨道卫星提供导航定位服务。

北斗二号系统充分继承北斗一号用地球静止轨道卫星实现区域导航定位覆盖的成功经验,在国际上首创以地球静止轨道和倾斜地球同步轨道卫星为骨干,兼有中圆轨道卫星的混合星座。北斗系统高级顾问、原工程副总设计师李祖洪说,对于区域卫星导航系统而言,这种“混搭”组合可以用最少卫星数量实现最好覆盖效果,已获得国际认可。

北斗三号系统将“混合星座构型”发扬光大,建成拥有24颗中圆轨道卫星、3颗地球静止轨道卫星、3颗倾斜地球同步轨道卫星组成的全球系统,为建设全球卫星导航系统提供了全新范式。

英国《每日电讯报》援引学者观点称,在亚太地区,北斗使用三种轨道卫星,该系统能有效抵制城市和森林等遮蔽环境造成的信号干扰。

北斗作为后来者,想赢得更多用户的青睐,除了应有扎实的“基本功”外,还得有自己突出的特点。

与其他卫星导航系统相比,北斗系统确有自己的“独门绝技”:除提供全球定位导航授时服务外,还能进行短报文通信,开创了通信导航一体化的独特服务模式,是名副其实的“多面手”。

从功能看,其他卫星导航系统仅能无源定位,因而用户只能知道“我在哪”。而北斗用户则不同,不但自己知道“我在哪”,还能告诉别人“我在哪”、“在干什么”。工程总设计师杨长风介绍说“这一招很管用,比如突发地震、海上遇险时,在其他通信手段失效的情况下,北斗短报文通信可以成为传递求救信息、拯救生命的最后保险索。”

如今,北斗三号全球系统一如既往走“跨界发展”之路,成为国际上第一个将多功能融为一体的全球卫星导航系统。这种多功能集成化设计,有利于取得差异化的竞争优势。

据悉,北斗三号全球系统在全面兼容北斗二号系统短报文通信服务的基础上,区域短报文发送能力从120汉字提高到1000汉字,支持用户数量从50万提高到1200万,而且能实现40汉字的全球短报文通信。此外,北斗三号全球系统还可以提供星基增强、国际搜救、精密单点定位、地基增强等多样化服务,能更好地满足用户的多元化需求。

北斗系统建设的经验再次证明,任何时候、任何情况下,都要坚定自信、保持定力,坚定不移走中国特色发展之路,既不能固步自封、更不能照搬盲从。

濒临绝境倒逼自主创新

关键核心技术是花钱买不来的,即使买来了也是不可靠的,引进仿制的路子也走不远,只有坚定不移走自主创新之路,才能把命运牢牢掌握在自己手中。

阳光总在风雨后,无限风光在险峰,自主创新的过程注定是艰苦的。面对缺乏频率资源、没有自己的原子钟和芯片、区域布站条件下实现全球服务等看似难以逾越的“娄山关”“腊子口”,北斗人凭借滚石上山的毅力和勇气,北斗走出了一条自主创新、追求卓越的发展道路。

众所周知,空间频率资源是“不可再生”的战略资源,没有合法可用的频率,卫星就如同没有土地使用许可的高楼大厦,缺少立身之基。

北斗起步之时,国际上优质频率资源已经所剩无几,经过艰苦谈判,终于推动国际电联从航空导航频段中,辟出两小段资源作为卫星导航合法使用频段。国际电联规定,各国均可平等申请新资源使用权,但必须在7年有效期内发射导航卫星,并成功接收传回信号,逾期则自动失效。

为保住2007年4月17日这一最后“窗口”,工程上下进行全系统总动员和大会战,抢在2月底完成卫星研制。然而临射前,卫星上的应答机突现异常。为确保万无一失,工程试验队果断将已矗立塔架的星箭组合体拆开,取出卫星应答机,72小时不眠不休,成功排除故障。

4月14日4时11分,这颗肩负重要使命的卫星发射成功;17日20时许,北京终于清晰地接收到来自这颗卫星的信号。这一刻,距离频率失效后限已不到4个小时。中国北斗在最后时刻“压哨破门”,拿到了进军全球卫星导航系统俱乐部的“入场券”。

星载原子钟是导航卫星的“心脏”,是卫星导航领域“皇冠上的明珠”,其性能对系统定位和授时精度具有决定性作用。

建设之初,国内星载原子钟技术比较薄弱。当时,全世界只有少数国家有能力研制高性能星载原子钟,进口存在诸多困难和不确定性。

为尽早“让中国的北斗用上最好的钟”,工程总体下定决心集中全力打攻坚战,组织相关科研单位和企业,成立三支研发队伍同步进行攻坚。不到两年时间,三支队伍全都取得成功,自主研发出达到国际先进水平的原子钟。

很快北斗卫星上便批量搭载全国产化星载原子钟,并实现“双钟”相互备份,卫星可靠性和在轨寿命大幅提升。

缺少“中国芯”,一直是困扰我国高科技领域的一块“心病”。对于北斗系统工程建设和应用来说,拥有国产芯片,对于确保安全性、稳定性、可靠性至关重要。

搞北斗三号全球系统,全面国产化是头等大事。通过深入动员,工程上下形成宁可国产化产品“指标低点,价格高点,也要大胆使用”的坚定共识;工程总体研究制定行动规划,将自主可控要求落实到关键技术攻关、产品研发、竞争采购等各环节;建立由专项管理办公室牵头,多部门参加的自主可控协调小组,通过重点行业、区域应用示范工程,大力推广使用自主芯片、模块、软件产品,通过边建边用、反复迭代,有效提高产品质量水平。

功夫不负有心人。国产北斗芯片工艺由0.35微米提升到28纳米,已在物联网和消费电子领域广泛应用。支持北斗三号新信号的22纳米工艺射频基带一体化导航定位芯片,体积更小、功耗更低、精度更高,已具备批量生产能力。

截至2019年底,国产导航型芯片出货量已超1亿片,北斗导航型芯片、模块高精度板卡和天线已输出到120余个国家和地区。

按照传统全球卫星导航系统的建设和运行模式,需要在全球范围内建立众多地面站。为解决北斗系统国内建站实现全球运行和服务的难题,北斗系统首创Ka频段星间链路,创造性地提出高效解决方案。

为解决境外卫星的数据传输通道问题,工程专门组织研究团队攻克了星间链路关键技术,采取星间、星地测量和传输功能一体化设计,成功实现卫星与卫星、卫星与地面站的联络互通。

通过星间链路,所有在轨北斗卫星连成一张大网,实现北斗“兄弟”们手拉手、心相通,相互间可以“通话”、测距,能自动“保持队形”,这不仅减小地面站规模、减轻地面管理维护压力,而且还使卫星定位精度大幅提高。凭借这一“绝活”,工程实现了仅依靠国内布站情况下对全球星座的运行控制,以及全球服务能力与世界一流系统的比肩。

北斗三号全球系统星座部署完成后,澳大利亚空间工程研究中心主任安德鲁·登普斯特表示,北斗是一项重大突破,因为它意味着中国可以完全独立地使用自主导航系统,不再依赖任何人。


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