北斗導(dǎo)航服務(wù)覆蓋全球
——北斗三號導(dǎo)航衛(wèi)星首席總設(shè)計師謝軍和他的同事們

□ 本刊特約記者 鄭 蔚

阿波羅登月、航天飛機和衛(wèi)星導(dǎo)航，這是20世紀(jì)人類航天事業(yè)的三大杰出貢獻(xiàn)。就其對人類日常生活影響而言，尤以衛(wèi)星導(dǎo)航為最。

今年6月23日9時43分，長征三號乙運載火箭在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心升空，將第55顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星送入預(yù)定軌道。這是北斗三號最后一顆全球組網(wǎng)衛(wèi)星。

在航天科技集團(tuán)五院總體部，北斗二號導(dǎo)航衛(wèi)星總設(shè)計師、現(xiàn)任北斗三號工程副總設(shè)計師、北斗三號導(dǎo)航衛(wèi)星首席總設(shè)計師謝軍告訴記者，至此，北斗三號實現(xiàn)了覆蓋全球、服務(wù)全球的跨越。

7月31日上午，北斗三號全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建成暨開通儀式在北京舉行。中共中央總書記、國家主席、中央軍委主席習(xí)近平出席儀式，宣布北斗三號全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正式開通。

“4小時的沖刺”，源于跨世紀(jì)的夢想

2007年4月16日，是謝軍和他的團(tuán)隊永遠(yuǎn)也忘不了的一天。

此前兩天——4月14日，凌晨4時11分，從西昌衛(wèi)星發(fā)射中心沖天而起的長征三號甲運載火箭，將北斗二號第一顆MEO（中圓軌道）飛行試驗星送上太空；5時16分，太陽翼帆板展開。兩天后，衛(wèi)星經(jīng)過3次遠(yuǎn)地點變軌等控制，于16日進(jìn)入衛(wèi)星工作軌道。

“16日晚上20時14分，試驗星上的有效載荷產(chǎn)品開始加電開機?！敝x軍如數(shù)家珍般地告訴記者，“那晚，所有參與北斗二號導(dǎo)航衛(wèi)星接收終端產(chǎn)品研發(fā)的單位，都將自己的接收設(shè)備放在一個操場上，等待衛(wèi)星發(fā)送信號。從21時46分起，地面系統(tǒng)先后準(zhǔn)確接收到了衛(wèi)星播發(fā)的B1、B2、B3導(dǎo)航信號，所有在場的同志都高興得跳了起來！當(dāng)時，我在西安衛(wèi)星測控中心，也非常激動！我們終于實現(xiàn)了2007年4月17日前激活北斗導(dǎo)航信號的目標(biāo)，確保了北斗二號系統(tǒng)申請的衛(wèi)星導(dǎo)航信號頻率與軌位資源！此時，距離國際電聯(lián)規(guī)定的空間頻率申請失效僅有不到4個小時?！?/p>

太空浩瀚，但頻率資源有限。此前，國際電聯(lián)曾規(guī)定，任何國家申請空間軌道和信號頻率資源是有時限的，如超過7年還不能將所設(shè)計的衛(wèi)星發(fā)射上天，所申請的頻率資源作廢。當(dāng)時，美國的GPS和俄羅斯的格洛納斯導(dǎo)航衛(wèi)星已經(jīng)使用了大量頻率，所剩下來的有限資源為歐洲導(dǎo)航衛(wèi)星“伽利略”和中國導(dǎo)航衛(wèi)星“北斗”所分享，誰先完成發(fā)射誰擁有使用頻率的優(yōu)先權(quán)。國際電聯(lián)“先到先得”“逾期作廢”的規(guī)定，給了中國航天人很大的壓力。

“我是在2006年3月時，才聽說我們2000年向國際電聯(lián)申請的導(dǎo)航信號頻點，到2007年4月17日要過期?！敝x軍說，當(dāng)時確實有點緊張，“因為當(dāng)時我們衛(wèi)星的研發(fā)還未全部完成，擔(dān)心時間不夠。唯有優(yōu)化流程，抓緊研發(fā)?！?/p>

之前，北斗一號雖然已在2002年完成了雙星定位，但按照國際電聯(lián)的標(biāo)準(zhǔn)，北斗一號仍是“試驗系統(tǒng)”，它與北斗二號衛(wèi)星播發(fā)的導(dǎo)航信號技術(shù)體制完全不同，使用信號的頻率資源不同。為了確保這一國家任務(wù)的如期完成，航天科技集團(tuán)要求“標(biāo)準(zhǔn)不能降，流程不能減”。剩下能壓縮的，只有休息時間，“我們只能以跑百米的速度來跑馬拉松，”謝軍說。

2007年的春節(jié)都沒有過完，大年初三，五院的大隊人馬就從北京飛往西昌，檢測設(shè)備安裝就位，馬不停蹄開始了連續(xù)6天6夜的不間斷加電測試，以模擬衛(wèi)星和有效載荷在太空連續(xù)工作的狀態(tài)。從院士、型號總師到技術(shù)人員，一刻不停地輪班盯著測試進(jìn)程，發(fā)現(xiàn)了問題及時解決。所有的問題都“歸零”之后，專家層決定：北斗二號首顆MEO試驗星14日發(fā)射。

“北斗二號的設(shè)計壽命是8年，但我們2010年1月17日發(fā)射的第一顆組網(wǎng)星，至今狀態(tài)良好，仍在使用。”謝軍頗感自豪。

星載原子鐘誤差1毫秒，定位精度會誤差300公里

謝軍在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心

2003年9月，兩個來自北京的電話改變了謝軍的人生。打第一個電話的是時任五院院長袁家軍，他說，“院里決定調(diào)你擔(dān)任北斗二號的技術(shù)總負(fù)責(zé)。”時任504所所長的謝軍，知道這副擔(dān)子不輕，不敢貿(mào)然答應(yīng)。幾天后，謝軍的老領(lǐng)導(dǎo)、五院常務(wù)副院長兼北斗二號總指揮李祖洪的電話來了：“你別猶豫，現(xiàn)在北斗二號的任務(wù)很緊迫，難度很大，趕緊來?！敝x軍明白，此乃航天用將之時。當(dāng)年12月，五院成立北斗二號項目辦，謝軍正式走馬上任。

既然已建成北斗一號，為什么國家還要接著上馬北斗二號？長期從事北斗系統(tǒng)建設(shè)工作的研發(fā)副總師周鴻偉告訴記者，北斗一號始建于上世紀(jì)90年代，陳芳允院士認(rèn)為國家實力有限，不可能像發(fā)達(dá)國家一樣一下子打幾十顆導(dǎo)航衛(wèi)星上天，提出了“雙星定位”的體制，用“2顆GEO星+地面站”的方式，實現(xiàn)了我國導(dǎo)航衛(wèi)星從無到有的飛躍，但其覆蓋區(qū)域和定位精度仍難以滿足國家發(fā)展和百姓生活的需求。

橫亙在謝軍和他的團(tuán)隊面前的，是從平臺到星上載荷的全新挑戰(zhàn)。北斗一號采用的是通訊式的有源定位，用戶機必須發(fā)送信息才能參與定位，這一轉(zhuǎn)發(fā)式體制不僅造成用戶容量受限，而且用戶機的成本很高；而北斗二號采用廣播式的無源定位，即用戶機可不發(fā)送信息，只要像收音機收聽廣播一樣接收和解讀4顆以上導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)來的數(shù)據(jù)，即可計算出其自身所在的位置，這一導(dǎo)航方式用戶數(shù)量可以不受限制，如同無數(shù)個收音機可以同時收聽一個電臺的播音節(jié)目。

而為了實現(xiàn)上述目標(biāo)，北斗二號必須以星載原子鐘來定時，方能實現(xiàn)定位。而此前，北斗一號的授時工作主要由衛(wèi)星地面站來完成，星上沒有原子鐘組。

周鴻偉說：“既然導(dǎo)航用戶是通過至少接收4顆以上導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)射的位置信息來計算出自身位置的，因此這4顆星的時間必須準(zhǔn)確而同步。衛(wèi)星導(dǎo)航的時間精度是50納秒。1納秒是千分之一微秒、百萬分之一毫秒、10億分之一秒。為什么需要這么精準(zhǔn)的時間？你知道光速是每秒30萬公里，如果有一只原子鐘慢了1秒，那計算機就會判讀你離這顆衛(wèi)星又遠(yuǎn)了30萬公里！1毫秒的誤差，在定位精度上造成的距離誤差為300公里；1微秒的誤差影響定位精度300米，1納秒的誤差是0.3米?！?/p>

“星載原子鐘哪里來？最初，我們也想過購買或引進(jìn)，”謝軍說，“但要么是發(fā)達(dá)國家不賣給我們，要么是價格貴得我們買不起。我們的經(jīng)費，只夠買北斗二號所需原子鐘數(shù)量的一半，還有一半必須我們自己動手造?！?/p>

“一開始，我們就想到過自主創(chuàng)新很難，但真沒想到這么難?！敝x軍回首這些年走過的創(chuàng)新之路時說，“有人問我，做總師最怕什么？就是怕自己做出決策后，解決不了產(chǎn)品的問題，而眼看著時間在一個月一個月地過去，這是最焦慮的。但為了完成國家的任務(wù)，再難我們也只能扛著?！痹撛嚎傮w部導(dǎo)航衛(wèi)星總體室副主任設(shè)計師康成斌說，為了解決星載原子鐘質(zhì)量這個“攔路虎”問題，謝總是用心去深入一線，那些原子鐘生產(chǎn)廠家的技術(shù)人員，他都叫得出名字。有時做產(chǎn)品試驗，他也一直守著，36個小時不合眼……周鴻偉評價道：“謝總是北斗二號天基時空基準(zhǔn)最重要的開創(chuàng)者?！?/p>

謝軍告訴記者，“北斗二號，從2004年立項到2012年完成，由5顆GEO（地球靜止軌道衛(wèi)星）、5顆IGSO（傾斜地球同步軌道衛(wèi)星）和4顆MEO實現(xiàn)組網(wǎng)，可為亞太區(qū)域提供導(dǎo)航服務(wù)。定位精度從北斗一號的20～30米，提高為水平和高程均為10米，接近當(dāng)時的GPS民用標(biāo)準(zhǔn)?！?/p>

星間鏈路，唯有自己成長為“巨人”

“北斗三號的預(yù)研，于2009年 啟 動。2017年11月5日，首次發(fā)射北斗三號的2顆全球組網(wǎng)衛(wèi)星?！敝x軍告訴記者，“北斗三號系統(tǒng)共有30多顆導(dǎo)航衛(wèi)星組成：3顆GEO、3顆IGSO和27顆MEO?！比蚪M網(wǎng)，全球服務(wù)，是北斗三號的目標(biāo)和承諾，也帶來了全新的挑戰(zhàn)。首先是我國的衛(wèi)星地面站基本都在我國境內(nèi)，衛(wèi)星在西半球上空時怎么辦？

謝軍帶領(lǐng)團(tuán)隊花了近5年的時間，不僅提出了星間鏈路高軌和中軌結(jié)合的方案，首創(chuàng)了星間鏈路和混合星座的架構(gòu)體系，還研發(fā)并突破與解決了原子鐘組、大功率微波產(chǎn)品、高精度測量等一系列重大難題。星間鏈路在空中為北斗三號的30多顆導(dǎo)航衛(wèi)星建了一個“群”：只要依靠國內(nèi)的地面站，就可管理全球的衛(wèi)星，解決了海外布站、衛(wèi)星境外監(jiān)測的難題，實現(xiàn)了所有導(dǎo)航衛(wèi)星的互聯(lián)互通。即使和地面聯(lián)系一時中斷，衛(wèi)星也能繼續(xù)提供服務(wù)。

康成斌告訴記者，北斗三號衛(wèi)星之間的信號不是采用廣播式發(fā)送的，而是采用更高頻段的窄波束，所以對衛(wèi)星天線的指向性要求非常之高。且由于雙方無時無刻不在運動之中，通信天線既要像“萬里穿針”般精準(zhǔn)，實現(xiàn)信號的快速捕捉、跟蹤和通信，還要把衛(wèi)星運動帶來的“多普勒效應(yīng)”出現(xiàn)的誤差補償?shù)?，這對我國首個創(chuàng)建的大型空間網(wǎng)絡(luò)來說，是極大的挑戰(zhàn)。更何況，在北斗三號的前期論證中，就提出了元器件和器部件全面實現(xiàn)國產(chǎn)化與自主可控的目標(biāo)，囊括了一顆星上近200臺（套）設(shè)備，國產(chǎn)設(shè)備不再是冗余系統(tǒng)的備份。

謝軍對研發(fā)團(tuán)隊反復(fù)強調(diào)：“誰也不要以國產(chǎn)化為理由，降低標(biāo)準(zhǔn)。”用于放大無線電信號的行波管放大器，之前一直使用進(jìn)口產(chǎn)品，按國產(chǎn)化要求有關(guān)單位開始自己研制。費了九牛二虎之力拿出了6臺產(chǎn)品，卻被謝軍全部退貨。

“當(dāng)時作出這個決定其實挺難的，”謝軍告訴記者，“我知道這個新產(chǎn)品用一兩年還是可以的，但我們北斗三號的壽命要求是提高到10～12年，如果它第3年出問題了怎么辦？和大家反復(fù)商量之后，還是決定拿下來重新研發(fā)?！彼麖娬{(diào)要把所有的創(chuàng)新建立在扎實可靠的數(shù)據(jù)上，新產(chǎn)品在地面上就要進(jìn)行全壽命不斷電的可靠性試驗，以充分掌握其長期性能，如發(fā)現(xiàn)問題必須進(jìn)行改進(jìn)“歸零”。

謝軍的助手們說，在北斗起步之時，我們也希望能站在“巨人的肩膀上”。但“巨人”可不是這么想的，對我們技術(shù)封鎖，不讓我們站在他的肩膀上。所以唯一的辦法，就是自己成長為巨人。謝軍他們做到了，他們是中國人的驕傲。

發(fā)射暫停！驚心動魄的收官之戰(zhàn)

北斗三號的最后一顆全球組網(wǎng)星原定的發(fā)射時間，不是6月23日，而是6月16日。6月15日晚間，中央電視臺新聞聯(lián)播正式預(yù)告了此星的發(fā)射時間為次日上午。但出人意料的是，次日凌晨，官方一則公告打破了人們的期待：因為實施此次發(fā)射的長征三號乙運載火箭在臨射前的測試過程中，發(fā)現(xiàn)技術(shù)問題，發(fā)射時間推遲。

謝軍與團(tuán)隊成員探討技術(shù)細(xì)節(jié)

太突然了！太罕見了！按理說，既然能正式對外預(yù)告發(fā)射時間，那已經(jīng)有了近乎100%的把握。更何況，作為同一個系列的長三甲、長三乙、長三丙運載火箭，從2000年以來，承擔(dān)了北斗導(dǎo)航工程的全部發(fā)射任務(wù)，成功率高達(dá)100%，是名副其實的“北斗專列”。這次怎么會在收官之作的最后一射，遭遇意外？

記者事后得知，原來是6月15日晚間，長三乙火箭在進(jìn)行加電測試時，三級發(fā)動機的某分機的減壓閥壓力數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常，雖然異常數(shù)據(jù)與正常值相差無幾，但科研人員不敢大意：減壓閥是火箭的“心臟部件”，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，作用重要，出現(xiàn)一丁點差錯，就有可能無法將高壓轉(zhuǎn)換為低壓，從而釀成大錯。

發(fā)動機總裝車間的員工李君等3人立即鉆入火箭艙內(nèi)，果然在減壓閥的殼體上發(fā)現(xiàn)了一個極細(xì)微的“T”字形裂紋。時間異常緊迫，距離已公布的發(fā)射時間只有12小時，而留給他們更換減壓閥門的時間不過短短幾個小時。于是，一場在西昌衛(wèi)星發(fā)射場進(jìn)行的“搶險”戰(zhàn)斗開始了。既然故障原因已經(jīng)查明，換個減壓閥就可將故障“歸零”，這應(yīng)該不難吧？恰恰相反，很難。

難在何處？最難的環(huán)節(jié)用航天人的行話說，就是“多余物防控”。當(dāng)初安裝減壓閥門時，為滿足“氣密”要求，所有的連接處都用厭氧膠封閉，以防氣體泄漏。厭氧膠的特點是，24小時后它自行固化。而現(xiàn)在要拆除減壓閥，固化的厭氧膠就會摩擦成粉末，任何多余物——哪怕是粉末留在箭體內(nèi)，都有可能在發(fā)射過程中產(chǎn)生無法預(yù)料的后果。于是，他們3人只能在狹窄的火箭艙內(nèi)，極為細(xì)心地?fù)Q下減壓閥，然后用吸塵器和布袋將厭氧膠的粉末清理干凈。

當(dāng)他們渾身濕透地出艙，已經(jīng)是16日的零點。長三乙再次做好發(fā)射準(zhǔn)備。突然，一道新的命令下達(dá)：推遲發(fā)射。原因是，指揮員考慮到換上去的減壓閥與替換下來的減壓閥是同一個產(chǎn)品批次，萬一發(fā)射過程中再產(chǎn)生裂紋怎么辦？必須萬無一失，不抱任何僥幸心理。又是一聲令下：“換！”位于北京的航天一院發(fā)動機零部件生產(chǎn)車間和質(zhì)量處、工藝處連續(xù)作戰(zhàn)3天3夜，在規(guī)定的時間內(nèi)拿出了5套合格的減壓閥門。

“高風(fēng)險的航天領(lǐng)域，質(zhì)量和進(jìn)度、質(zhì)量和數(shù)量一直是一對矛盾?！敝x軍說，“但‘不帶疑點加注，不帶隱患上天’，這是我們航天的‘鐵律’?！?/p>

6月23日，北斗三號最后一顆組網(wǎng)星終于如愿進(jìn)入預(yù)定軌道，為北斗三號成功組網(wǎng)畫上圓滿的句號。

記者在采訪即將結(jié)束時問謝軍：“北斗三號服務(wù)范圍覆蓋全球后，你們還會研制新一代的北斗導(dǎo)航衛(wèi)星嗎？”他慨然應(yīng)答：“肯定會。衛(wèi)星的應(yīng)用，取決于人的想象力。我們期望能融合多種手段，為社會打造一個新的綜合性PNT（定位導(dǎo)航授時）體系。北斗未來，大有可為，敬請期待?！?/p>