北斗，爭當(dāng)天上最亮的“星”（逐夢·十年奮進路）

 

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)模型。

 

新華社記者 林善傳攝

 

 

2020年6月23日，中國北斗三號全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)最后一顆組網(wǎng)衛(wèi)星在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心點火升空。

 

新華社記者 江宏景攝

 

2020年6月23日9時43分，西昌衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射場“轟”的一聲巨響，一枚 “長三乙”運載火箭冉冉升起，將北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)第五十五顆衛(wèi)星，也是北斗三號最后一顆全球組網(wǎng)衛(wèi)星送上太空。至此，北斗三號全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)星座部署全面完成，比原計劃提前半年。

 

完美收官，星耀全球。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)終于邁入全球時代！

 

為了這一天，北斗人奮斗了二十六年。為了這一天，國家組織千軍萬馬，北斗人克服千難萬險、歷經(jīng)千辛萬苦?，F(xiàn)在，北斗終于開始走進千家萬戶、造福千秋萬代。聽到這個消息，北斗人所有的艱辛與付出，都化作了欣慰：“這輩子能參與北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)，是人生的幸運與幸福！”

 

一

 

2015年3月30日晚，一枚“長三丙”運載火箭劃破西昌衛(wèi)星發(fā)射中心沉寂的夜色，帶著美麗的尾焰直刺星光閃爍的夜空，將肩負(fù)北斗全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)重大核心關(guān)鍵技術(shù)試驗任務(wù)的第十七顆北斗衛(wèi)星送入預(yù)定軌道。

 

“太陽能帆板順利打開”的消息傳來，發(fā)射指揮大廳里一片歡騰，記者們開始現(xiàn)場采訪。一名記者走到時任北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)總設(shè)計師助理、工程總體室主任的郭樹人面前。

 

“北斗二號啟動已經(jīng)滿十年了，這十年，您最大的欣慰是什么？”記者問道。

 

郭樹人答道：“通過不計其數(shù)的計算、論證設(shè)計出的方案，終于得到肯定，取得統(tǒng)一意見。”

 

在科研工作中，常常會有不同的意見和看法。郭樹人作為工程總體室主任，主要任務(wù)之一就是通過積極協(xié)調(diào)，統(tǒng)一大家的意見。

 

建設(shè)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，需要在太空布設(shè)數(shù)十顆北斗衛(wèi)星。首先需要解決的問題，就是這些衛(wèi)星采用什么樣的星座結(jié)構(gòu)。

 

GPS導(dǎo)航衛(wèi)星全部采用距離地球兩萬千米左右的中地球軌道衛(wèi)星（MEO）。但北斗衛(wèi)星星座設(shè)計團隊帶頭人許其鳳帶領(lǐng)團隊對其覆蓋性、性價比、管理模式進行細(xì)致分析、深入測算后，發(fā)現(xiàn)它根本不適合北斗二號區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。團隊根據(jù)北斗導(dǎo)航“三步走”戰(zhàn)略特點，通過縝密推演、細(xì)致計算，在國際上首次將距離地球三萬六千千米的地球靜止軌道衛(wèi)星（GEO）、傾斜地球同步軌道衛(wèi)星（IGSO）運用于衛(wèi)星導(dǎo)航，設(shè)計了世界上第一個“GEO+IGSO+MEO”混合星座。

 

郭樹人帶領(lǐng)總體團隊，通過計算、論證，認(rèn)為混合星座對亞太地區(qū)覆蓋率高，投入性價比高，建設(shè)速度快，技術(shù)風(fēng)險小，而且見效快、易管理，完全符合區(qū)域系統(tǒng)特點，并能夠給未來的全球系統(tǒng)建設(shè)準(zhǔn)備廣闊空間。

 

但這一創(chuàng)舉與用戶部門、研制部門的意見大相徑庭，遭到不少反對。

 

為了統(tǒng)一內(nèi)部意見，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航工程領(lǐng)導(dǎo)小組和總設(shè)計師系統(tǒng)（以下簡稱北斗“兩總”）把各系統(tǒng)專家召集到航天城協(xié)作樓，進行集中討論。大會小會不下百次，郭樹人也先后一百多次上臺解答各種疑問，大家依然存在分歧。

 

各系統(tǒng)專家大多是各科技領(lǐng)域的名家，其中不少是“兩院”院士。而郭樹人當(dāng)年只有三十多歲，是年輕后輩，他帶著團隊大會解惑、小會釋疑、個別溝通。一次不行，兩次；兩次不行，三次；三次不行，四次……不厭其煩、反反復(fù)復(fù)從各個角度用客觀的數(shù)據(jù)回答各種疑問，終于使大家基本接受了“混合星座”方案。

 

郭樹人說：“大家都是為北斗好。每個人看問題的角度不同，我的任務(wù)就是把大家的意見統(tǒng)一起來。”

 

“GEO+IGSO+MEO”混合星座是中國首創(chuàng)，被外國學(xué)者稱為“中國星座”。

 

事實證明，“GEO+IGSO+MEO”混合星座非常適合北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)特點，為北斗導(dǎo)航確保“中國特色”、躋身世界一流奠定了堅實基礎(chǔ)。

 

二

 

星座模式好不容易確定下來，尋找北斗衛(wèi)星向地面發(fā)射信號的頻率又遭遇“寒冬”。

 

太空茫茫，無邊無際，但它并不是一片任人類信馬由韁、肆意馳騁的無邊草原，而是一條條“狹路”。比如衛(wèi)星導(dǎo)航頻率，可供人類使用的無線電頻譜非常有限，而且其中絕大部分已被航天強國搶占。

 

北斗二號2004年立項時，只有一段頻率可用于導(dǎo)航衛(wèi)星通信。中國北斗、歐盟伽利略同時申報了該段頻率使用權(quán)。按照國際電信聯(lián)盟規(guī)則，誰先把衛(wèi)星發(fā)射升空并在地面收到衛(wèi)星信號，誰就能優(yōu)先使用該頻率。國際電信聯(lián)盟同時規(guī)定，自申報之日起，必須在七年內(nèi)使用頻率，逾期視為自動放棄。

 

這時，歐盟伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航已經(jīng)進入衛(wèi)星發(fā)射階段，而北斗的申報時間已經(jīng)過去四年。這意味著三年內(nèi)中國必須把北斗衛(wèi)星發(fā)射升空，并搶在歐盟伽利略之前在地面收到衛(wèi)星發(fā)回的信號，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航建設(shè)才能贏得主動權(quán)。否則，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航建設(shè)將處處受制于人，甚至面臨夭折的風(fēng)險。

 

能否打贏這場頻率爭奪戰(zhàn)，關(guān)鍵在于能否盡快研制出北斗衛(wèi)星。而這時，進口核心關(guān)鍵技術(shù)設(shè)備星載銣鐘談判又宣告失敗。

 

銣鐘作為導(dǎo)航衛(wèi)星的頻率基準(zhǔn)，直接決定著導(dǎo)航衛(wèi)星定位、測距、授時的精度，是整個導(dǎo)航衛(wèi)星的“心臟”。

 

北斗“兩總”緊急布局國產(chǎn)星載銣鐘研制，組建研制團隊，對星載銣鐘這個衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域的技術(shù)制高點發(fā)起了頑強的攻勢。

 

在銣鐘研制過程中，中國空間技術(shù)研究院時頻基準(zhǔn)類產(chǎn)品首席專家賀玉玲和她的團隊功不可沒。

 

曾有銣鐘研究領(lǐng)域的前輩說過：“銣鐘的研制是一項耗費生命的事業(yè)。”這不僅指它的難度，還指研制它需要花費的時間。就拿銣鐘穩(wěn)定指標(biāo)的測試來說，要得到一次測量值，需要連續(xù)監(jiān)測十六天，這期間任何異常都會影響測試指標(biāo)。賀玉玲每天上班第一件事及下班最后一件事，一定是去實驗室看測試數(shù)據(jù)，認(rèn)真檢查各個遙測數(shù)據(jù)、檢查各個儀器設(shè)備的運行情況、維護鐘房的穩(wěn)定運行。星載銣鐘的精度相對于地面產(chǎn)品提升了約三個量級，這就決定了必須充分考慮各個部組件的細(xì)微差異，通過整機的精細(xì)調(diào)整使產(chǎn)品性能最優(yōu)。整機每調(diào)試一個參數(shù)，都需要放到真空罐里測試較長時間才能看到結(jié)果。銣鐘研制隊伍里的人常說：“我把這個調(diào)完再走，這樣明天就能看到數(shù)據(jù)了。”但等到調(diào)完、測好、再多觀察一會兒，走出樓門時早已夜深。

 

為讓“慢性子”的星載銣鐘研制跑出快節(jié)奏、高效率，他們只能“以百米沖刺的速度跑完一個馬拉松”。

 

連續(xù)九個月，團隊全體成員平均加班八百多個小時，沒有休息一天。他們提前一年拿出星載銣鐘正樣產(chǎn)品。

 

這是中國航天史上的第一個高性能星載銣鐘！

 

核心關(guān)鍵技術(shù)突破后，北斗衛(wèi)星研制順風(fēng)順?biāo)?，很快研制完成?/p>

 

2007年4月14日4時11分，隨著指揮員一聲“點火”命令，托舉北斗二號首星的“長三甲”運載火箭，在驚天動地的轟隆聲中，孔雀開屏般綻放出美麗的尾焰，扶搖直上，飛向蒼穹，漸漸融入黎明前漆黑的夜色……

 

4月17日20時，十多臺地面接收機相繼收到太空傳過來的衛(wèi)星信號，而且非常清晰！

 

這一刻，離“七年期限”截止時間只有四小時！

 

中國北斗成功占據(jù)最后一段衛(wèi)星導(dǎo)航頻率使用主動權(quán)，標(biāo)志著中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航建設(shè)終于突出重圍，完全擺脫了受制于人的被動局面。

 

在此后五年多時間里，北斗人先后將十六顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星送上藍天。

 

2012年12月27日，中國向世界宣告：北斗二號正式向亞太地區(qū)開通運行服務(wù)！

 

三

 

北斗二號勝利開通后，北斗人立刻向北斗三號進軍。有人為中國北斗的前途擔(dān)心：覆蓋國土的北斗一號和覆蓋亞太地區(qū)的北斗二號，對于中國來說不成問題，但覆蓋全球的北斗三號就有些麻煩了。

 

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航從覆蓋亞太到覆蓋全球這一步，的確太難走！

 

作為全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，不僅需要在太空布設(shè)數(shù)十顆衛(wèi)星，同時要在地球上各個地區(qū)建設(shè)眾多的地面站點。如GPS，就在全球各地建了眾多地面站。但中國難以在全球布設(shè)站點，建不成“地網(wǎng)”。這是北斗衛(wèi)星導(dǎo)航由區(qū)域向全球拓展面臨的首要亦是最大障礙。

 

不能在世界各地建設(shè)地面站點，北斗全球系統(tǒng)就不建了嗎？

 

北斗人通過艱苦探索，開創(chuàng)性設(shè)計出無須在亞太以外地區(qū)建設(shè)地面站點的星間鏈路方案。星間鏈路是航天器與航天器、航天器與地面站之間具有數(shù)據(jù)傳輸和測距功能的無線鏈路。即在星星之間、星地之間，織成一個“天羅地網(wǎng)”。

 

信息天路串并聯(lián)，從此天塹變通途。

 

星間鏈路，是典型的中國特色、北斗絕技！

 

但星間鏈路工程實現(xiàn)難度非常大：不僅測量距離、信息傳輸量增加了一個數(shù)量級，而且衛(wèi)星以每秒七八公里的速度運行，要相互對準(zhǔn)難度本來就很大，相隔幾萬公里的衛(wèi)星之間要實現(xiàn)厘米級距離測量，更是難上加難。

 

為此，國內(nèi)多個優(yōu)勢單位集成攻關(guān)，其中就有某研究院空間儀器工程團隊。

 

接到任務(wù)安排后，空間儀器工程團隊的郭熙業(yè)風(fēng)塵仆仆地前往成都中電集團某研究所，開始投身星間鏈路攻堅戰(zhàn)。

 

攻關(guān)難度超常，而完成任務(wù)還不能超時。郭熙業(yè)給自己定下了一個雷打不動的規(guī)矩：每周工作七天，每天十六個小時；攻關(guān)遇到問題，不解決不下班；工作時間手機關(guān)機。而實際情況是，幾乎每天都會遇到難題，幾乎每月要熬十個通宵。

 

郭熙業(yè)的項目攻關(guān)完成一個階段后，上級前來檢查?？戳怂麄兊男情g鏈路模擬演示后，孫家棟總設(shè)計師說：“你們要繼續(xù)加強攻關(guān)，把一個個未知難題搞清楚，并進行充分驗證，確保在工程建設(shè)中好用、管用。”

 

孫家棟總設(shè)計師對他們前期工作的充分肯定和鼓勵，讓這個三十出頭的小伙子感到萬分激動，也更加信心十足。

 

星間鏈路設(shè)備比測開始了。參加比測的幾家單位，都拿出自己精心生產(chǎn)調(diào)試的設(shè)備進行對抗式演示。讓郭熙業(yè)沒想到的是，第一場比測，他們竟然輸了！

 

怎么會這樣？郭熙業(yè)連續(xù)一周幾乎不眠不休，仔細(xì)梳理系統(tǒng)設(shè)計方案，檢測每個設(shè)備的技術(shù)狀態(tài)，終于找到問題的癥結(jié)所在。至于如何解決問題，他面臨兩種選擇：一是在原方案上打補丁，堵住漏洞，提升設(shè)備性能；二是推翻原有方案，另起爐灶，設(shè)計新的算法。前者實現(xiàn)容易，但性能提升空間有限；后者前景廣闊，但推倒重來需要耗時半年，而距離下一場比測只有一個月時間！

 

郭熙業(yè)毫不猶豫地選擇了后者，用一個月干完了原本需要半年才能完成的任務(wù)。

 

第二場比測，郭熙業(yè)的設(shè)備研制團隊反敗為勝，而且設(shè)備性能指標(biāo)大幅躍升。

 

但郭熙業(yè)沒有松勁，他帶領(lǐng)團隊繼續(xù)加班加點，完善改進設(shè)備，在第三場比測中，他們以絕對優(yōu)勢穩(wěn)占鰲頭。

 

比測工作后，又開展了大量的體制優(yōu)化設(shè)計、星地試驗驗證工作，才最終突破了關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)了有關(guān)技術(shù)性能的一系列跨越：主要技術(shù)指標(biāo)提升了數(shù)十倍；溫度控制性能比原計劃提高一倍；測距精度相當(dāng)于能看到兩千公里外的一根頭發(fā)絲！

 

四

 

星間鏈路技術(shù)的突破，對于北斗三號衛(wèi)星研制來說，只是萬里長征邁出一大步。北斗三號衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)覆蓋面比北斗二號更寬，不僅要求組網(wǎng)衛(wèi)星數(shù)量更多，而且衛(wèi)星技術(shù)性能要實現(xiàn)全面飛躍。

 

以林寶軍為總設(shè)計師的上海微小衛(wèi)星工程中心北斗衛(wèi)星團隊，為讓新一代北斗衛(wèi)星“有靈魂”“會思考”，在國內(nèi)第一次給衛(wèi)星設(shè)計了一項“看家本領(lǐng)”——在軌賦能：讓天上的衛(wèi)星“有錯能改”“有病自治”“功能刷新”。

 

哪知林寶軍帶領(lǐng)團隊歷盡坎坷才完成的衛(wèi)星在軌賦能設(shè)備，到衛(wèi)星載荷生產(chǎn)單位聯(lián)系生產(chǎn)時，卻遇到了不小阻力。有人說在軌賦能簡直是“異想天開”，是“瞎折騰”。

 

以往國內(nèi)做衛(wèi)星，都是走先分系統(tǒng)再組合的研制模式。這種“拼圖”式組合，使同一學(xué)科功能在分系統(tǒng)中重復(fù)出現(xiàn)，每個系統(tǒng)需要兩三臺計算機，整顆星的計算機多達二十多臺，帶來了星載大、故障多、能耗高等一系列弊端。

 

林寶軍帶領(lǐng)團隊大膽打破傳統(tǒng)的分系統(tǒng)模式，走“功能鏈”設(shè)計，合并各分系統(tǒng)中的學(xué)科功能“同類項”，將整星研制分為有效載荷、結(jié)構(gòu)熱、電子學(xué)和姿軌控等四條功能鏈，砍掉了六個分系統(tǒng)，把過去的二十四臺計算機，變魔術(shù)般濃縮為一臺。星載計算機的重量、故障率、能耗等，幾乎呈幾何級減少，從前幾噸重的衛(wèi)星一下子“瘦身”到一噸左右！

 

按衛(wèi)星研制的慣例，衛(wèi)星外形一般選用正方體，飛行姿態(tài)采用“豎著飛”。如果照這個老思路設(shè)計新一代北斗導(dǎo)航衛(wèi)星，散熱問題就非常棘手：新一代北斗衛(wèi)星功能要求非常高，功率也水漲船高，采用正方體外形，根本無法解決散熱問題。

 

林寶軍帶領(lǐng)團隊經(jīng)過深入計算、反復(fù)驗證，創(chuàng)造性地將衛(wèi)星正方體外形改為長方體設(shè)計，把“豎著飛”變成“橫著飛”。這樣一來，衛(wèi)星幾個面表面積有所不同，讓較小的面對著太陽，較大的面作為散熱面，有效減少熱輻射并提高散熱速度；“橫著飛”則把表面積最大的面作為對地面，使衛(wèi)星裝載更多導(dǎo)航天線，以提高衛(wèi)星信號發(fā)送、接收效率。

 

新一代北斗導(dǎo)航衛(wèi)星，終于以嶄新的容顏展現(xiàn)在大家面前。見過它的人，無一不被它的“美麗”所吸引：“衛(wèi)星居然還能做得這么漂亮啊，簡直就是一位身段苗條的‘飛天仙子’！”

 

2017年11月5日19時45分，隨著指揮員一聲“點火”命令，“長三乙”運載火箭瞬間變身為一只火鳳凰，展開絢爛的尾翼，牽手北斗三號第一、二顆組網(wǎng)衛(wèi)星扶搖直上，將它們準(zhǔn)確送入工作軌道。

 

這之后，北斗人將三十顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星送上藍天。在組網(wǎng)最密集階段，平均半個月發(fā)射一次衛(wèi)星，而且百分之八十采用“一箭雙星”發(fā)射模式，發(fā)射成功率百分之百，創(chuàng)造了世界航天的“中國速度”。

 

北斗三號全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，總體水平與GPS旗鼓相當(dāng)，星間鏈路等多項技術(shù)處于國際領(lǐng)先水平，并擁有短報文通信這一北斗特色功能。

 

目前，中國北斗向全球用戶提供定位精度優(yōu)于十米、測速精度優(yōu)于零點二米每秒、授時精度優(yōu)于二十納秒的免費服務(wù)，成功運用于交通運輸、災(zāi)害監(jiān)測、精細(xì)農(nóng)業(yè)、土地規(guī)劃等人類生活的方方面面，真正實現(xiàn)了“中國的北斗、世界的北斗、一流的北斗”“走進千家萬戶、造福千秋萬代”的建設(shè)目標(biāo)。

 

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航基本系統(tǒng)雖然全面建成和應(yīng)用，但對于中國衛(wèi)星導(dǎo)航發(fā)展事業(yè)來說，這只是一個階段性勝利，繼續(xù)完善、提升系統(tǒng)性能及推廣應(yīng)用的任務(wù)，依然非常艱巨。對于2035年前建成以北斗系統(tǒng)為核心的，更加泛在、更加融合、更加智能的國家綜合定位導(dǎo)航授時（PNT）體系這一宏偉目標(biāo)，北斗人深感使命崇高，任重如山！

 

到那時，北斗無疑是世界衛(wèi)星導(dǎo)航這片璀璨星空上最明亮、最耀眼的星星?。徥⑤x）

 

版式設(shè)計：沈亦伶