超级工程,中国北斗!

财经国家周刊 财经国家周刊 2020-06-23


 今日(6月23日)9时43分,北斗三号最后一颗全球组网卫星在西昌卫星发射中心点火升空,卫星状态正常,发射任务圆满成功。北斗三号全球卫星导航系统星座部署全面完成!


▲ 视频直击升空瞬间(@人民日报微博)

▲ 9时43分!点火!摄影:胡煦劼(图片来源:中国新闻网)

▲ 摄影:胡煦劼(图片来源:中国新闻网)

 “收官之星”开始升空(图:央视新闻客户端直播

▲ 成功星箭分离

▲ 太阳翼展开

▲ 来自于三级发动机上的镜头:以地球为背景,送卫星远行


中国北斗,为你骄傲!



 北斗三号系统强在哪儿?

  • 北斗三号的服务区域将扩展至全球,拥有自主知识产权和核心技术,北斗导航卫星单机和关键元器件国产化率达到100% 

  • 北斗三号的短报文通信能力显著提升,信息发送能力从一次120个汉字提升到一次1200个汉字,突发情况时无需字斟句酌,足以将情节一次性说清楚,还可发送图片等信息,应用场景更为丰富

  • 其中GEO“吉星”家族(地球静止轨道卫星)具备无线电导航、无线电测定、星基增强、精密单点定位、功率增强、站间时间同步和定位六大本领,可为我国及周边地区用户提供定位导航授时、短报文通信、星基增强、星间通信与测量、站间同步、精密单点定位等多样化服务。

 数十载耕宇牧星,中国北斗达到了什么水平?有哪些关键技术?能实现什么功能?来看 ▼


数十载耕宇牧星,北斗全球组网部署完成


文/《瞭望》新闻周刊记者 袁元

图/中国航天科技集团有限公司第五研究院供图


  6月23日,由中国航天科技集团有限公司第五研究院(下文简称“五院”)抓总研制的第55颗北斗导航卫星成功发射,北斗三号全球卫星导航系统星座部署全面完成。


  “‘嚞(音“哲zhé)星’发射成功,标志着北斗卫星全球导航系统星座部署完美收官。”五院北斗三号卫星总设计师陈忠贵说。


  “嚞星”,是五院对北斗三号第30颗卫星的昵称。它是北斗卫星导航系统第55颗卫星,也是北斗三号卫星导航系统中的第三颗地球同步轨道卫星(GEO卫星)。


  “GEO系列卫星数量不多,但作用关键,五院北斗人称其为‘吉星’。”五院北斗三号研制团队的科研人员告诉记者,因在“吉星”家族中排行第三,第55颗北斗导航卫星被叫作“嚞星”。


  如今,“嚞星”携带着诸多“神器”,驻守在高轨天疆,肩负显著增强北斗三号整体技术指标的职责。随着“嚞星”在北斗全球组网“大棋局”的落子定盘,北斗三号30颗组网卫星已全部到位,北斗全球组网部署完成


▲ 北斗导航卫星组网图


卫星导航系统达到国际先进水平


  “高性能、高可靠的北斗全球卫星导航系统建设,既是对北斗区域系统的完善与升级,更是聚焦世界一流卫星导航系统的攀登与跨越。”五院北斗三号工程副总设计师、卫星首席总设计师谢军说,系统建成后性能与美国GPS相当,使我国卫星导航系统达到国际先进水平。


  相对于北斗二号区域系统,北斗三号的服务区域将扩展至全球,同时,实现了下行导航信号升级与改造等关键技术的突破,完成了与北斗二号下行导航信号的平稳过渡,并在此基础上增加了新的导航信号,为用户提供更为优质的服务。


▲ 北斗三号卫星翱翔在太空中


  据介绍,北斗三号全球卫星导航系统MEO卫星(地球中圆轨道卫星)、IGSO卫星(倾斜地球同步轨道卫星)和GEO卫星(地球静止轨道卫星)三种不同轨道的卫星组成,包括24颗MEO卫星,3颗IGSO卫星和3颗GEO卫星。


  作为北斗家族中的大个子,GEO“吉星”家族驻守在36000公里的天疆,为北斗导航系统的技术指标提升提供增强服务。


  据介绍,“吉星”家族采用的卫星平台是五院研制的东方红三B(导航)卫星平台,是我国现役规模较大的卫星平台之一。


  强大的承载能力让“吉星”家族具备无线电导航、无线电测定、星基增强、精密单点定位、功率增强、站间时间同步和定位六大本领,可为我国及周边地区用户提供定位导航授时、短报文通信、星基增强、星间通信与测量、站间同步、精密单点定位等多样化服务。


  “最鲜明的特色是有源定位和短报文通信,这是中国北斗系统的创举。”谢军介绍,有源定位利用无线电测定技术,是北斗的“基因”。通过两颗GEO导航卫星联手,不仅能回答用户“我在哪”,还能告诉关注着用户行踪的相关方“你在哪”,在搜救、渔业等领域被广泛使用,是保障民生安全的“千里眼”。


  北斗三号的短报文通信能力也显著提升,信息发送能力从一次120个汉字提升到一次1200个汉字,突发情况时无需字斟句酌,足以将情节一次性说清楚,还可发送图片等信息,应用场景更为丰富。同时,北斗三号的服务能力较北斗二号拓展了10倍,在通信、电力、金融、测绘交通、渔业、农业、林业等领域,更多人可以享受到北斗导航系统的普惠服务。


  在大众应用方面,从手机定位到手表授时,从共享单车到无人驾驶;从交通导航到防灾减灾,从无人耕作到助力抗疫;从车联网到物联网,从智能港口到聪明钻机,随着5G商用时代的到来,北斗正在与新一代移动通信、区块链、人工智能等新技术加速融合,北斗应用的新模式、新业态、新经济不断涌现,将深刻改变着人们的生产生活方式。


  今年3月份,北斗三号第二颗GEO卫星就位后,北斗系统新体制下有源定位功能得到验证,拉开了无线电测定功能全面升级的序章。随着“嚞星”的入列,北斗三号“吉星”三兄弟在太空团聚,将在赤道上拉开更大距离,为一带一路沿线更广阔的区域提供服务,北斗特色将跃升到新高度。


▲ 五院的设计师们在工作现场针对具体问题展开讨论


北斗“三步走”连战连捷


  “上世纪80年代,中国开始探索适合国情的卫星导航系统发展道路,形成了‘三步走’发展战略。”陈忠贵说,北斗系统经历了北斗一号、二号、三号系统3个建设阶段。


  1983年,以我国“两弹一星功勋奖章”获得者、国家“863计划”的主要提出者陈芳允院士为代表的专家学者提出了利用两颗地球同步轨道卫星来测定地面和空中目标的设想。


  1994年,北斗一号系统工程启动建设。2000年,两颗地球静止轨道卫星成功发射,系统建成并投入使用;2003年和2007年,完成了第3颗、第4颗地球静止轨道卫星的发射,进一步增强了系统的性能。北斗一号系统采用有源定位体制,为中国用户提供定位、授时、广域差分和短报文通信服务,使我国成为继美俄后第三个拥有自主卫星导航系统的国家。


  2004年,北斗二号系统工程启动建设。到2012年底,完成组网发射,成功建成国际上首个混合星座区域卫星导航系统,服务区域覆盖亚太,北斗系统成为国际卫星导航系统四大服务商之一。


  2009年,北斗三号系统启动关键技术攻关与工程建设。2018年,北斗三号基本系统建设完成,正式向“一带一路”及全球提供基本导航服务,中国北斗向全球组网的目标迈出了实质性的一步;2019年12月底,全球系统核心星座部署完成;2020年6月23日,第55颗北斗导航卫星成功发射,北斗三号全球卫星导航系统星座部署全面完成。


  “随着‘嚞星’的成功发射和在轨稳定运行,意味着北斗系统走出中国,走向世界。”谢军说。


  “几十年来,北斗系统的服务定位精度、系统稳定性、功能全面性不断提升,成为国家重要的空间基础设施,全面支撑国家安全和经济社会发展的需要。”陈忠贵说,展望未来,计划2035年以北斗系统为核心,建设完善更加泛在、更加融合、更加智能的国家综合定位导航授时体系。


▲ 卫星转运到发射塔架,“吉星”队伍与星箭合影


自主可控肩负强国重任


  “北斗是国之重器,事关国防现代化建设和国民经济发展,自主可控至关重要。”陈忠贵说,作为重要的时间和空间信息,如果由别人提供,安全感何来?比如,当前的热点“新基建”,将是我国建设发展下一阶段的重要方向,时间基准和空间位置基准就是至关重要的基础,北斗导航系统是“新基建”的基建、基础的基础。


  “关键核心技术是要不来、买不来、讨不来的。”在北斗研制的道路上,这一点五院北斗人感触尤深。


▲ 五院北斗人精心操作


  “高精度的太空灯塔如何建立起来?自己的位置谁来测?怎么保持稳定?多颗卫星如何能安全、可靠地工作?”谢军说,这“四连问”涉及到从卫星本体构造、导航总体技术、核心单机研制、自主创新突破4个方面,北斗的国产化之路,步履艰辛,通过三代北斗系统的探索与实践,终不负时光,交出了一份闪亮答卷。


  “国产化是从北斗一号的太阳帆板做起的。”北斗一号总设计师范本尧院士回忆说,北斗一号系统建设时,国外对我们技术封锁,关键单机和元器件被一些国家“卡脖子”,而国内的部件厂家尚未成熟,北斗一号研制只能在摸索中起步。


  “当时北斗是第一个‘吃螃蟹’的,硬着头皮上。”范本尧说。不论是东方红三号平台的横空出世,还是影响长寿命的三大关键部件,凭借自力更生的创业精神,北斗一号解决了卫星最基本的问题。供配电的太阳帆板,为卫星提供由光转为电的部件,以及控制系统的转动机构,这些核心产品的国产化,让北斗卫星的身体有了一副“中国体格”。


  之后的国产化攻关更是一路披荆斩棘。


  北斗二号打破了国外的技术封锁,攻克了以导航卫星总体技术、高精度星载原子钟等为代表的多项关键技术,让卫星导航系统“心脏”跳动出“中国心率”。


  北斗三号开启了创新发展的新征程。五院卫星团队率先提出国际上首个高中轨道星间链路混合型新体制,形成了具有自主知识产权的星间链路网络协议、自主定轨、时间同步等系统方案,填补了国内空白;建立了器部件国产化从研制、验证到应用一体化体系,彻底打破了核心器部件长期依赖进口、受制于人的局面。


  北斗三号研制团队科研人员介绍,北斗三号系统有三大看点:


  一是,新突破实现联通无极限。由于我国北斗系统不能像美国GPS那样,在全球建立地面站,为了解决境外卫星的数据传输通道,五院北斗三号研制团队攻克了星座星间链路技术,采取星间、星地传输功能一体化设计,实现了卫星与卫星、卫星与地面站的链路互通。


  也就是说,虽然“看不见”在地球另一面的北斗卫星,但用北斗卫星的星间链路同样能与它们取得联系。用星间链路技术,不仅实现了卫星相互的通信和数据传输,还能相互测距,自动“保持队形”,可以减轻地面管理维护压力。星间链路技术的应用中,设计了全新的网络协议、管理策略和路由策略,解决了不能全球布站进行卫星境外监测的难题,是北斗全球导航系统建设的一大特色。


  二是,新技术实现卫星长寿命。“北斗是一个开放的系统,中国的北斗也是世界的北斗,中国发展卫星导航技术是国民经济的重要基础设施,也是为全人类提供时间坐标和空间坐标的基础设施,服务的连续性和稳定性十分重要。”五院北斗三号卫星总指挥迟军说,就像停水停电影响城市生活一样,卫星导航服务一旦中断,国家和社会的正常运行会受到很大的影响。因此,对卫星导航的可靠性、连续性提出了苛刻的设计要求。


  为了提高卫星在轨服务的可靠性,北斗三号卫星采取了多项可靠性措施,使卫星的设计寿命达到12年,达到国际导航卫星的先进水平,为北斗系统服务的连续、稳定提供了基础保证。


  三是,新“神器”让服务“零误差”。为了提高服务的精度,北斗三号配置了新一代原子钟,通过提升原子钟指标,提升卫星性能、改善用户体验。原子钟是利用原子跃迁频率稳定的特性保证产生时间的精准性,目前国际上主要有铷原子钟、氢原子钟、铯原子钟等。我国北斗卫星采用铷原子钟,同时还配置了性能更高的新研国产氢原子钟。氢原子钟虽然质量和功耗比铷原子钟大,但稳定性和漂移率等指标更优。相对于铷原子钟,我国起步更晚,2015年我国研制的氢原子钟首次在轨应用验证,为北斗全球导航系统进行了技术探索,至今功能、性能十分稳定。星载氢原子钟的在轨应用,对于实现北斗导航定位“分秒不差”发挥着重要作用。


  “‘嚞星’在国产化方面是集大成之作,拥有了自主知识产权和核心技术,北斗导航卫星单机和关键元器件国产化率达到100%。”谢军说,核心技术可控是中国空间事业创新发展的关键


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