中國北鬥橫空出世紀實
2020年08月03日05:31

原標題:中國北鬥橫空出世紀實

中國北鬥橫空出世紀實

邱晨輝

  中國人的全球衛星導航系統——“北鬥”終於建成了!

  2020年7月31日,中國向全世界鄭重宣告,中國自主建設、獨立運行的北鬥三號全球衛星導航系統已全面建成,中國北鬥開啟了高質量服務全球、造福人類的新篇章。

  撫今追昔,從北鬥一號工程立項開始,二十六載風雨兼程,幾代北鬥人接續奮鬥、數十萬建設者聚力托舉,一次又一次刷新“中國速度”、展現“中國精度”、彰顯“中國氣度”。回望來路,這份沉甸甸的北鬥成績單來之不易。

傳說中的“五千萬工程”和30萬無名北鬥人

  目光回到上世紀末。

  1994年,無論在世界還是中國衛星導航發展史上都是極具特殊意義的一年。這一年,世界首個全球衛星導航系統GPS全面建成;而此時,中國北鬥一號系統則剛剛立項。

  很多人沒有想到,有朝一日中國能獨立建成與美俄歐衛星導航系統比肩的世界一流系統。

  2000年,北鬥一號構建起兼具定位授時和短報文通信服務的雙星定位系統,我國成為繼美國、俄羅斯之後世界上第三個具有衛星導航系統的國家;2017年11月,北鬥三號系統首組雙星發射;2020年6月,北鬥全球組網成功,僅用不到3年時間便完成星座部署,讓全世界再一次領略到中國集中力量辦大事的硬核實力。

  這一次,中國不僅兌現了承諾,還比原定計劃提前了半年。

  談及北鬥圓夢全球,北鬥工程總設計師楊長風感慨萬千:“北鬥是黨和國家調動千軍萬馬幹出來的,是工程全線幾十萬人團結一心拚出來的,是廣大人民群眾堅定支援共同托舉起來的。”

  據中國衛星導航系統管理辦公室統計,北鬥工程啟動以來,在全國範圍內先後調集了400多家單位、30餘萬名科技人員參與研製建設。陳芳允、孫家棟兩位“兩彈一星”元勳和幾十名兩院院士領銜出征。

  在這項大國重器橫空出世的背後,還有無數普通人辛勤付出。每逢重要節點,數以萬計的公安民警、警衛人員和通信、電力、氣象、交通、醫療等行業員工堅守各自崗位,共同築起堅固的安全保障;成千上萬科研人員的家人,默默扛起照顧家庭的重擔,為他們撐起堅強後盾。

  “我們常說,北鬥是‘五千萬工程’,調動了千軍萬馬,經曆了千難萬險,付出了千辛萬苦,要走進千家萬戶,將造福千秋萬代。”楊長風說。

  中國衛星導航系統管理辦公室主任冉承其介紹,北鬥系統由衛星、火箭、發射場、測控、運控、星間鏈路、應用驗證等七大系統組成,是跨部門、跨學科、跨行業、跨地域的複雜系統工程。

  建設全球系統與區域系統相比,不是簡單的規模擴容,而是全面的整體升級,對工程全線尤其是衛星系統帶來空前挑戰。事前據專家論證測算,以當時的研製能力,如果仍由一家單位抓總研製,即便“5+2”“白+黑”連軸轉,也很難在2020年年底前完成30顆衛星的研製生產,更別提全部發射入軌、完成星座組網。

  2017年11月到2020年6月,31個月時間,我國成功發射30顆北鬥三號組網星和兩顆北鬥二號備份星,成功率達100%,以超過月均1顆星的速度,創造世界衛星導航系統組網發射新紀錄。

既不能故步自封,也不能照搬盲從

  20世紀90年代初,國際局勢複雜多變,人們愈發強烈地意識到,擁有自己的衛星導航系統已經成為世界大國的重要標誌、大國競爭的科技製高點。

  楊長風說,同樣是建設全球衛星導航系統,美、俄和歐盟選擇搞“一步建全球”。而我國起步晚、底子薄,明智地選擇分步走,先解決有無、滿足急需,切實做到“把每個銅板都用在刀刃上”。

  1983年,“兩彈一星”元勳、“863計劃”倡導者之一陳芳允院士創造性地提出“雙星定位”構想。這一方案能以最小星座、最少投入、最短週期實現“從無到有”。

  後來,“兩彈一星”元勳、北鬥系統首任工程總設計師孫家棟院士進一步組織研究提出“三步走”發展戰略,決定先建試驗系統,再建區域系統,最後建成全球系統——

  2000年建成北鬥一號試驗系統,使我國成為世界上第三個擁有自主衛星導航系統的國家。2012年建成北鬥二號區域系統,為亞太地區提供服務。2020年建成北鬥三號全球系統,實現了中國人孜孜以求的“全球夢”。

  據楊長風介紹,與其它全球衛星導航系統採取單一軌道星座構型相比,北鬥系統獨樹一幟,堅定選擇走混合星座的特色發展之路。北鬥一號建設時,在國際上首次實現地球靜止軌道衛星提供導航定位服務。

  北鬥二號系統則繼承北鬥一號用地球靜止軌道衛星實現區域導航定位覆蓋的成功經驗,在國際上首創以地球靜止軌道和傾斜地球同步軌道衛星為骨幹,兼有中圓軌道衛星的混合星座。北鬥系統高級顧問、原工程副總設計師李祖洪說,對區域衛星導航系統而言,這種“混搭”組合可以用最少衛星數量實現最好的覆蓋效果,已獲得國際認可。

  李祖洪告訴記者,北鬥三號系統將“混合星座構型”發揚光大,建成擁有24顆中圓軌道衛星、3顆地球靜止軌道衛星、3顆傾斜地球同步軌道衛星組成的全球系統,為建設全球衛星導航系統提供了全新範式。

  楊長風說,北鬥系統建設的經驗再次證明,任何時候、任何情況下,都要堅定自信、保持定力,堅定不移走中國特色發展之路,既不能故步自封,也不能照搬盲從。

最後時刻“壓哨破門”,瀕臨絕境倒逼自主創新

  空間頻率資源是戰略資源,沒有合法可用的頻率,衛星就如同沒有土地使用許可的高樓大廈,缺少立身之基。

  “北鬥起步之時,國際上優質頻率資源已經所剩無幾,經過艱苦談判,終於推動國際電聯從航空導航頻段中,辟出兩小段資源作為衛星導航合法使用頻段。”楊長風說。國際電聯規定,各國均可平等申請新資源使用權,但必須在7年有效期內發射導航衛星,併成功接收傳回信號,逾期則自動失效。

  楊長風回憶,為保住2007年4月17日這一最後“窗口”,工程上下進行全系統總動員和大會戰,搶在2月底完成衛星研製。然而臨射前,衛星上的應答機突現異常。為確保萬無一失,工程試驗隊果斷將已矗立塔架的星箭組合體拆開,取出衛星應答機,72小時不眠不休,成功排除故障。

  4月14日4時11分,這顆肩負重要使命的衛星發射成功;17日20時許,北京終於清晰地接收到來自這顆衛星的信號。這一刻,距離頻率失效最後期限已不到4個小時。

  中國北鬥在最後時刻“壓哨破門”,拿到了進軍全球衛星導航系統俱樂部的“入場券”。

  “面對缺乏頻率資源、沒有自己的原子鐘和芯片、區域布站條件下實現全球服務等看似難以踰越的‘婁山關’‘臘子口’!”楊長風說,北鬥人憑藉滾石上山的毅力和勇氣,讓北鬥走出了一條自主創新、追求卓越的發展道路。

  星載原子鐘是導航衛星的心臟,是衛星導航領域“皇冠上的明珠”,其性能對系統定位和授時精度具有決定性作用。

  北鬥工程建設之初,國內星載原子鐘技術比較薄弱。當時,全世界只有少數國家有能力研製高性能星載原子鐘,進口存在諸多困難和不確定性。

  “不能等,不能靠,就自己幹!”楊長風說,為儘早“讓中國的北鬥用上最好的鍾”,工程總體下定決心,集中全力打攻堅戰,組織相關科研單位和企業,成立3支研發隊伍同步攻堅。不到兩年時間,3支隊伍全都取得成功,自主研發出達到國際先進水平的原子鐘。

  缺少“中國芯”,一直是困擾我國高科技領域的一塊心病。冉承其說,對於北鬥系統工程建設和應用來說,擁有國產芯片,對於確保其安全性、穩定性、可靠性至關重要。甚至可以說,搞北鬥三號全球系統,全面國產化是頭等大事。

  據他介紹,通過深入動員,北鬥工程上下形成寧可國產化產品“指標低點、價格高點,也要大膽使用”的堅定共識;工程總體研究製定行動規劃,將自主可控要求落實到關鍵技術攻關、產品研發、競爭採購等各環節……

  功夫不負有心人。國產北鬥芯片工藝由0.35微米提升到28納米,已在物聯網和消費電子領域廣泛應用。支援北鬥三號新信號的22納米工藝射頻基帶一體化導航定位芯片,體積更小、功耗更低、精度更高,已具備批量生產能力。

  截至2019年年底,國產導航型芯片出貨量已超1億片,北鬥導航型芯片、模塊高精度板卡和天線已輸出到120餘個國家和地區。

  按照傳統全球衛星導航系統的建設和運行模式,需要在全球範圍內建立眾多地面站。楊長風說,為解決北鬥系統國內建站實現全球運行和服務的難題,北鬥系統首創Ka頻段星間鏈路,創造性地提出高效解決方案。通過星間鏈路,所有在軌北鬥衛星連成一張大網,實現北鬥“兄弟”手拉手。

  北鬥三號全球系統星座部署完成後,澳州空間工程研究中心主任安德魯·登普斯特指出,北鬥是一項重大突破,因為它意味著中國可以完全獨立地使用自主導航系統,不再依賴任何人。

  楊長風說,一路走來,北鬥系統建設過五關斬六將,崎嶇坎坷、步步驚心,這也讓工程隊伍磨煉出堅毅的品格和堅強的信心,堅定不移走上自主創新之路。

如同水和電一樣,北鬥將無處不在、觸手可及

  有這樣一個比喻:如同水和電一樣,北鬥系統將成為人民日常生活中不可缺少的必需品,無處不在、觸手可及。

  楊長風說,衛星導航系統是重要的空間基礎設施,是事關國計民生的大國重器,對促進經濟社會發展、改善人民生產生活具有重要作用。發展到今天,從國內到國外,從區域到全球,北鬥服務將為更多國家和人民所共享,這張國家名片的知名度、影響力也將不斷增強,北鬥對人類的貢獻終將被全世界所理解認同。

  根據中國衛星導航系統管理辦公室統計,近年來,北鬥系統已全面服務交通運輸、公共安全、救災減災、農林牧漁、城市治理等各行各業,已經融入電力、金融、通信等國家核心基礎設施,綜合效益正在不斷顯現。

  以交通運輸為例,截至2019年12月,國內超過650萬輛運營車輛、4萬輛郵政和快遞車輛、36個中心城市的約8萬輛公交車、3200餘座內河導航設施、2900餘座海上導航設施已用北鬥,建成全球最大營運車輛動態監管系統。此外,近10年來,我國衛星導航產業產值年均增長約20%,2020年將有望超過4000億元。

  “北鬥作為國家重大空間基礎設施,提供的是公共服務產品,就如同電、無線網絡一樣,必須通過終端服務來實現價值。”楊長風告訴記者,“融合發展、萬物互聯”一直是北鬥應用推廣的基本方針。

  據他介紹,2020年第一季度,在中國入網的智能手機,已經有70%以上提供北鬥服務。共享單車配裝北鬥終端實現精細管理,牧民坐在家裡就能通過北鬥項圈放牧牛羊,支援北鬥系統的手錶、手環、學生卡更加方便和保護人們日常生活。通過“北鬥+支付”,能對1秒內成百上千的股票、車票購買申請進行精確排隊、按序辦理。

  在新冠肺炎疫情防控阻擊戰中,北鬥的貢獻更是有目共睹:北京、湖北的北鬥植保無人機被廣泛用於區域內消毒防疫,一架無人機單次噴灑面積可覆蓋5000平方米,並且能深入防疫車無法抵達的死角。在全國多個地方,數十萬台北鬥終端進入物流行業,通過北鬥精準定位,位置信息一目瞭然,一些物流企業還通過機器人向部分隔離小區提供物資運輸配送。

  冉承其以武漢火神山、雷神山醫院建設為例:“萬丈高樓平地起”,高精度定點定位是基準,快速精確測量是基礎。農曆大年三十晚上,北鬥人聞令而動,奔赴火神山醫院工地;北鬥高精度定位設備火速馳援,確保工地大部分放線測量一次完成,為醫院迅速施工爭取了寶貴時間。

  “北鬥應用只受想像力限製。”楊長風說。面向未來,這句話精闢地勾勒出北鬥應用發展的無限可能和廣闊前景。

鄧孟 中青報·中青網記者 邱晨輝 來源:中國青年報

2020年08月03日 01 版

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