葉峰屹 高曉雷 (北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部)
北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱北斗系統(tǒng))是中國(guó)著眼于國(guó)家安全和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需要,自主發(fā)展、獨(dú)立運(yùn)行的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),是為全球用戶提供全天候、全天時(shí)、高精度的定位、導(dǎo)航和授時(shí)服務(wù)的國(guó)家重要空間基礎(chǔ)設(shè)施。系統(tǒng)的建立將促進(jìn)衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)鏈形成,在測(cè)繪、電信、減災(zāi)救災(zāi)等諸多領(lǐng)域產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益,推動(dòng)衛(wèi)星導(dǎo)航在國(guó)民經(jīng)濟(jì)社會(huì)各行業(yè)的廣泛應(yīng)用。
中國(guó)空間技術(shù)研究院(簡(jiǎn)稱研究院)作為中國(guó)空間事業(yè)的主力軍,一直把“爭(zhēng)當(dāng)創(chuàng)新型國(guó)家建設(shè)排頭兵”作為自己的目標(biāo),通過(guò)實(shí)施“體系引領(lǐng)、集成創(chuàng)新、專業(yè)振興、協(xié)調(diào)共享”的創(chuàng)新發(fā)展策略,使創(chuàng)新的腳步不斷加快。研究院抓總研制的國(guó)家重大科技專項(xiàng)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),截至目前,已經(jīng)研制發(fā)射了27顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星。從北斗立項(xiàng)之初,我們就瞄準(zhǔn)著世界一流的建設(shè)目標(biāo),按照北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)“三步走”的發(fā)展戰(zhàn)略,秉承“探索一代,研發(fā)一代,建設(shè)一代”的創(chuàng)新思路,圍繞“原始創(chuàng)新、集成創(chuàng)新、自主創(chuàng)新”的理念,開(kāi)展工程整體建設(shè),不僅成為落實(shí)我國(guó)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略的重要成果,又為加快實(shí)施這一戰(zhàn)略提供了有益經(jīng)驗(yàn)。
我國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)發(fā)展的總體思路是“先區(qū)域”再“全球”,堅(jiān)持“三步走”的發(fā)展戰(zhàn)略,遵循開(kāi)放性、自主性、兼容性、漸進(jìn)性的建設(shè)發(fā)展特點(diǎn)。
北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展路線
第一步,建設(shè)北斗一號(hào)系統(tǒng)(也稱北斗衛(wèi)星導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng))。1994年,啟動(dòng)北斗一號(hào)系統(tǒng)工程建設(shè);2000年,發(fā)射2顆地球靜止軌道衛(wèi)星,建成系統(tǒng)并投入使用,采用有源定位體制,為中國(guó)用戶提供定位、授時(shí)、廣域差分和短報(bào)文通信服務(wù);2003年,發(fā)射第三顆地球靜止軌道衛(wèi)星,進(jìn)一步增強(qiáng)系統(tǒng)性能。
研究院面對(duì)專項(xiàng)人才、資金短缺,關(guān)鍵技術(shù)薄弱,基礎(chǔ)工業(yè)能力不足等困難,通過(guò)科學(xué)論證,確定了采用有源定位體制,進(jìn)行雙星導(dǎo)航定位的總體方案,通過(guò)研制成功新一代衛(wèi)星平臺(tái),攻克三軸穩(wěn)定等一系列的關(guān)鍵技術(shù),使電源、測(cè)控、姿態(tài)、軌道控制、推進(jìn)、熱控、結(jié)構(gòu)分系統(tǒng)能滿足導(dǎo)航衛(wèi)星的“苛刻要求”,建成了北斗導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng),使我國(guó)成為世界上繼美國(guó)、俄羅斯之后第三個(gè)擁有自主衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的國(guó)家,打破了國(guó)外衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域的壟斷,填補(bǔ)了我國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域的空白。
第二步,建設(shè)北斗二號(hào)系統(tǒng)(也稱北斗衛(wèi)星區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng))。2004年,啟動(dòng)北斗二號(hào)系統(tǒng)工程建設(shè);2012年年底,完成14顆衛(wèi)星(5顆地球靜止軌道衛(wèi)星、5顆傾斜地球同步軌道衛(wèi)星和4顆中圓地球軌道衛(wèi)星)發(fā)射組網(wǎng)。北斗二號(hào)系統(tǒng)在兼容北斗一號(hào)技術(shù)體制基礎(chǔ)上,增加無(wú)源定位體制,為亞太地區(qū)用戶提供定位、測(cè)速、授時(shí)、廣域差分和短報(bào)文通信服務(wù)。針對(duì)這一階段目標(biāo),研究院自主設(shè)計(jì)了國(guó)際上首個(gè)以GEO/IGSO衛(wèi)星為主、有源與無(wú)源導(dǎo)航等多功能服務(wù)融合的衛(wèi)星方案,攻克了以高精度星載原子鐘、上行抗干擾為代表的多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù),打破了國(guó)外技術(shù)封鎖和壟斷,建成了國(guó)際上首個(gè)由地球靜止軌道、傾斜地球同步軌道、中圓地球軌道三種軌道衛(wèi)星構(gòu)建的混合星座區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。2012年系統(tǒng)開(kāi)通服務(wù),服務(wù)區(qū)覆蓋亞太,定位精度10m,測(cè)速精度0.2m,單向授時(shí)精度優(yōu)于50ns。導(dǎo)航定位性能與GPS系統(tǒng)相當(dāng),優(yōu)于GLONASS系統(tǒng)。
研究院不僅成功建設(shè)了北斗區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng),更為重要的是通過(guò)航天科技創(chuàng)新,牽引、支撐了我國(guó)國(guó)防科技工業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展,輻射、帶動(dòng)起我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)相關(guān)領(lǐng)域、行業(yè)的技術(shù)變革。
第三步,北斗衛(wèi)星全球?qū)Ш较到y(tǒng)具有星間鏈路和自主導(dǎo)航功能,系統(tǒng)主要特點(diǎn)為全球、三維、無(wú)源導(dǎo)航定位,系統(tǒng)建成后可在全球范圍內(nèi)提供高精度、全天候、全天時(shí)的導(dǎo)航、定位、授時(shí)服務(wù),并兼具短報(bào)文通信能力。研究院對(duì)標(biāo)國(guó)際科技前沿,自主研制新一代北斗導(dǎo)航衛(wèi)星,并于2015年成功發(fā)射3顆衛(wèi)星,全面驗(yàn)證了全新的導(dǎo)航信號(hào)體制、驗(yàn)證新型導(dǎo)航衛(wèi)星平臺(tái),突破了星間鏈路等關(guān)鍵技術(shù),穩(wěn)扎穩(wěn)打開(kāi)展全球組網(wǎng)建設(shè)。2017年11月5日,研究院抓總研制并成功發(fā)射北斗三號(hào)第一、二顆組網(wǎng)衛(wèi)星,開(kāi)啟了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)全球組網(wǎng)的新時(shí)代。
北斗系統(tǒng)的建設(shè)實(shí)踐,實(shí)現(xiàn)了在區(qū)域快速形成服務(wù)能力、逐步擴(kuò)展為全球服務(wù)的發(fā)展路徑,豐富了世界衛(wèi)星導(dǎo)航事業(yè)的發(fā)展模式。
北斗系統(tǒng)具有以下特點(diǎn):一是北斗系統(tǒng)空間段采用三種軌道衛(wèi)星組成的混合星座,與其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)相比高軌衛(wèi)星更多,抗遮擋能力強(qiáng),尤其低緯度地區(qū)性能特點(diǎn)更為明顯。二是北斗系統(tǒng)提供多個(gè)頻點(diǎn)的導(dǎo)航信號(hào),能夠通過(guò)多頻信號(hào)組合使用等方式提高服務(wù)精度。三是北斗系統(tǒng)創(chuàng)新融合了導(dǎo)航與通信能力,具有實(shí)時(shí)導(dǎo)航、快速定位、精確授時(shí)、位置報(bào)告和短報(bào)文通信服務(wù)五大功能。
(1)高精度原子鐘
高精度原子鐘是北斗二號(hào)衛(wèi)星的核心產(chǎn)品,其國(guó)產(chǎn)化打破了國(guó)外壟斷,突破了國(guó)外技術(shù)封鎖,使我國(guó)導(dǎo)航衛(wèi)星核心部件擺脫了受制于人的困境,其技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先、國(guó)際先進(jìn)水平,為導(dǎo)航衛(wèi)星提供連續(xù)、穩(wěn)定、高精度的導(dǎo)航服務(wù)提供了時(shí)間與頻率基礎(chǔ)。
星載銣鐘采用非自激型光軸運(yùn)汽泡式銣頻標(biāo)方案,基本原理是:利用87Rb原子基態(tài)超精細(xì)能級(jí)0-0躍遷具有極窄的譜線和極穩(wěn)定的中心頻率的特性,通過(guò)銣原子光抽運(yùn)系統(tǒng)和電路的作用,將量子躍遷頻率的高穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度傳遞給晶振,從而獲得高穩(wěn)定的晶振輸出頻率,為時(shí)頻系統(tǒng)提供頻率基準(zhǔn)源。
星載銣原子鐘提出并設(shè)計(jì)了高精度微波功率自動(dòng)控制技術(shù)(ALC),有效地解決了微波功率波動(dòng)造成頻移的難題;采用熱輻射控制和多層隔熱墊技術(shù),實(shí)現(xiàn)了對(duì)產(chǎn)品熱阻的精確調(diào)整;采用多層磁屏蔽控制技術(shù),解決了衛(wèi)星環(huán)境中存在強(qiáng)磁力源及磁力場(chǎng)變化對(duì)銣鐘性能影響的難題;首次采用球形銣燈結(jié)構(gòu)和低溫指形吸收泡,提高了銣光譜燈的穩(wěn)定性;首次采用基于直接數(shù)字頻率合成技術(shù)的銣鐘掃描捕獲輔助鎖定方法,實(shí)現(xiàn)了快速捕獲鎖定。
(2)星間鏈路
全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)增加了星上自主運(yùn)行功能,采用星間鏈路技術(shù),設(shè)計(jì)合理的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和任務(wù)規(guī)劃,實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航星座的自主運(yùn)行管理,并保證導(dǎo)航星座星間鏈路長(zhǎng)壽命、高可靠、高精度測(cè)量。
(3)導(dǎo)航衛(wèi)星專用平臺(tái)
研發(fā)了適用于導(dǎo)航衛(wèi)星的專用平臺(tái),采用綜合電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)整星的信息綜合和功能控制;提出我國(guó)第一個(gè)主承力結(jié)構(gòu)桁架式衛(wèi)星平臺(tái)方案,使衛(wèi)星能夠適應(yīng)多種運(yùn)載的一箭多星發(fā)射,確保了星座快速組網(wǎng),實(shí)現(xiàn)了我國(guó)導(dǎo)航衛(wèi)星平臺(tái)能力的提升和跨越。該平臺(tái)經(jīng)與國(guó)外導(dǎo)航衛(wèi)星對(duì)標(biāo),在載荷平臺(tái)質(zhì)量比、平臺(tái)功率質(zhì)量比及結(jié)構(gòu)承載效率上均具有明顯優(yōu)勢(shì),達(dá)到了國(guó)際一流的水平。
(4)快速組網(wǎng)要求的衛(wèi)星系統(tǒng)設(shè)計(jì)與集成技術(shù)
為保障北斗導(dǎo)航衛(wèi)星研制、發(fā)射組網(wǎng),借助多種信息化手段,完成了衛(wèi)星組批研制生產(chǎn)的管理體系和技術(shù)體系建設(shè),縮短了研制周期,提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量。
北斗二號(hào)衛(wèi)星系統(tǒng)研制過(guò)程中構(gòu)建了全新的組批生產(chǎn)與測(cè)試模式,提高了衛(wèi)星研制效率,三年內(nèi)完成了14顆衛(wèi)星組批生產(chǎn)、密集發(fā)射的任務(wù),較單星生產(chǎn)模式縮短研制周期近三分之一,降低研制成本近20%,實(shí)現(xiàn)了我國(guó)衛(wèi)星研制模式由單星生產(chǎn)向組批生產(chǎn)的轉(zhuǎn)型。
北斗二號(hào)組批生產(chǎn)面對(duì)多星并行、狀態(tài)耦合、組織復(fù)雜等難題,創(chuàng)造性利用信息網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)信息共享,狀態(tài)受控;首次采用一顆初樣星完成GEO/MEO/IGSO三種軌道衛(wèi)星的熱平衡、力學(xué)試驗(yàn)等環(huán)境試驗(yàn),縮短了研制周期,節(jié)省了研制經(jīng)費(fèi)。
隨著北斗系統(tǒng)建設(shè)和服務(wù)能力的發(fā)展,相關(guān)產(chǎn)品已廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸、海洋漁業(yè)、水文監(jiān)測(cè)、氣象預(yù)報(bào)、測(cè)繪地理信息、森林防火、通信時(shí)統(tǒng)、電力調(diào)度、救災(zāi)減災(zāi)、應(yīng)急搜救等領(lǐng)域,逐步滲透到人類社會(huì)生產(chǎn)和人們生活的方方面面,為全球經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展注入新的活力。
北斗團(tuán)隊(duì)成員探討技術(shù)細(xì)節(jié)
目前,正在運(yùn)行的北斗二號(hào)系統(tǒng)發(fā)播B1I和B2I公開(kāi)服務(wù)信號(hào),免費(fèi)向亞太地區(qū)提供公開(kāi)服務(wù)。服務(wù)區(qū)為55°(S)~55°(N)、55°(E)~180°(E)區(qū)域,定位精度優(yōu)于10m,測(cè)速精度優(yōu)于0.2m/s,授時(shí)精度優(yōu)于50ns。
與GPS相比,北斗系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)如下:
首先是兼容互操作。這將會(huì)給用戶帶來(lái)很多好處,因?yàn)橛脩粼谕粫r(shí)間可以收到更多導(dǎo)航衛(wèi)星的信息,解算自己的位置、速度、時(shí)間就更加方便,同時(shí)精度也更高。北斗系統(tǒng)做到與其他系統(tǒng)兼容后,你可以在北斗信號(hào)強(qiáng)的時(shí)候使用北斗,用GPS來(lái)幫助你修正,輔助提高導(dǎo)航服務(wù)精度。
其次,GPS現(xiàn)在所提供的服務(wù)是無(wú)源定位,也就是說(shuō)用戶不需要發(fā)射任何信號(hào),就可以免費(fèi)接收衛(wèi)星的信號(hào),實(shí)現(xiàn)對(duì)自己位置的定位。北斗系統(tǒng)提供的是兩種服務(wù),一種就是跟GPS相當(dāng),可以讓用戶免費(fèi)直接接收衛(wèi)星信號(hào);另一種是有源定位,用戶可以把自己的位置報(bào)告給其他的網(wǎng)絡(luò)或指揮控制中心,最終實(shí)現(xiàn)定位。北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的目標(biāo)之一就是在2020年建成有源導(dǎo)航定位、短報(bào)文功能,這是目前GPS,GLONASS等沒(méi)有的功能。短報(bào)文功能,是衛(wèi)星定位終端和北斗衛(wèi)星或北斗地面服務(wù)站之間能夠直接通過(guò)衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行雙向的信息傳遞,GPS只能單向傳遞(終端從衛(wèi)星接收位置信號(hào)),短報(bào)文功能最典型的例子就是在汶川地震過(guò)后,通訊基站遭到破壞,北斗終端通過(guò)短報(bào)文進(jìn)行緊急通訊,對(duì)于抗震救災(zāi)起到了關(guān)鍵作用。有源定位在調(diào)度系統(tǒng)及指揮系統(tǒng)上應(yīng)用非常廣泛,它能實(shí)現(xiàn)地面快速定位。這個(gè)優(yōu)勢(shì)在農(nóng)牧業(yè)領(lǐng)域中有廣泛應(yīng)用,比如,為了防止羊走丟,可在羊身上安裝北斗系統(tǒng)的芯片,實(shí)時(shí)監(jiān)控。
第三,用自主研發(fā)的系統(tǒng)更安全。任何一個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì),就包括現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)都有后門(mén),用別人的系統(tǒng)后門(mén)鑰匙在別人手里掌握,自主研發(fā)的系統(tǒng)更安全放心?,F(xiàn)在,我們衛(wèi)星上的一些大的部件都是我國(guó)自主研發(fā)的。
根據(jù)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)“三步走”的發(fā)展戰(zhàn)略,在2020年前后,計(jì)劃建成北斗全球系統(tǒng),向全球提供服務(wù)。目前,研究院著手論證《2030-2050年導(dǎo)航衛(wèi)星領(lǐng)域發(fā)展戰(zhàn)略研究報(bào)告》,為今后40年我國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展謀篇布局。未來(lái),衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正朝著高精度、高可靠性、強(qiáng)抗干擾能力、綜合型、多元化的方向發(fā)展。在北斗全球?qū)Ш叫l(wèi)星任務(wù)的能力基礎(chǔ)上,研究院正對(duì)深空導(dǎo)航、自主導(dǎo)航、脈沖星導(dǎo)航等一大批前沿課題進(jìn)行探索和研究。