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北斗系统总设计师:北斗整体核心指标已超GPS

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发表于 2023-8-6 00:00:15 | 显示全部楼层 |阅读模式

北斗系统总设计师:北斗系统整体核心指标已超GPS

中国经济周刊

2020年6月23日9时43分,伴随西昌卫星发射中心一声巨响,北斗系统第55颗导航卫星成功发射。标志着北斗三号全球卫星导航系统星座部署圆满完成,这个时间,足足比计划提前了半年。

同年7月31日,中国向世界郑重宣布——北斗三号全球卫星导航系统建成并开通,中国成为世界第三个独立拥有全球卫星导航系统的国家。

中国北斗,“星火”燎原。

三年间,作为重大时空基础设施,北斗系统已广泛应用于国家经济社会发展各行业领域,助力各行业转型升级、提质增效。

同时,作为联合国认可的四大全球卫星导航系统之一,北斗系统已服务全球200多个国家和地区用户,在民航、海事、搜救等领域积极履行国际义务,为推动构建人类命运共同体贡献中国力量。

近日,在北斗三号全球卫星导航系统建成并开通三周年之际,《中国经济周刊》记者独家采访卫星系统研发团队、中国卫星导航定位协会,实地调研多家北斗产业及相关领军企业,与北斗系统总设计师、行业协会、上市公司、资深从业者等深度对谈,畅谈产业发展现状及问题,收集关于产业发展的建议,共谋北斗产业高质量发展。

“天上建好,地上用好”,是北斗系统的口号。

时至今日,北斗系统广泛应用于国家经济社会发展各行业领域,助力各行业转型升级、提质增效,产生显著的经济效益和社会效益。

2020年,在北斗三号全球卫星导航系统正式开通后,《中国经济周刊》记者专访了北斗三号卫星系统总设计师、中科院微小卫星创新研究院副院长林宝军,听这位“北斗狂人”亲身讲述北斗的“世界领先”是如何炼成的。

时隔三年,如今北斗卫星运行效果怎样?下一阶段的任务是什么?近日,《中国经济周刊》再次对话林宝军,探寻答案。

北斗三号卫星系统总设计师、中科院微小卫星创新研究院副院长林宝军

北斗三号卫星系统总设计师、中科院微小卫星创新研究院副院长林宝军

摄影:《中国经济周刊》首席摄影记者 肖翊

北斗系统精度比GPS高一个量级

世界四大卫星导航系统分别为美国的全球定位系统(GPS)、俄罗斯的格洛纳斯定位系统(GLONASS)、欧洲的伽利略卫星定位系统(Galileo)和中国的北斗卫星导航系统(BDS)。

“这四大导航系统里,原来北斗的目标是争二保三。但现在来看,北斗系统运行效果超出预期,整体核心指标已经超过GPS,是世界一流的。”林宝军激动地说。

他回忆道,一次调研中当他向别人说出同样答案时,对方震惊地质疑:“GPS是美国航天三个里程碑式成果之一,你们才干十几年,是不是一些指标在特定的情况下比别人好,就说成是超过别人了?”

林宝军坚定地回答“不是”。

导航系统中,用于计量时频(时间和频率统称为时频)的精密仪器——星载原子钟,可谓卫星的“心脏”,也是技术制高点。它的每一次跳动都直接决定着卫星定位、测速和授时功能的精度。某种程度上,谁的原子钟做得更好,谁的导航系统就做得更好。

曾经,在北斗二号系统研制初期,星载原子钟在国内尚属技术空白,想从国外引进,却被好几家厂商以“保密”为由,一口回绝。

“北斗之父”、中国科学院院士孙家栋说:“我们再也不能对进口产品存在依赖性了。星载原子钟必须下决心自己搞,就是砸锅卖铁也要做出自己的品牌。”

如今,北斗三号组网星装上了“中国心”,还“豪横”地采用了“一星两钟”,即同时配置两个氢钟和两个铷钟。林宝军详解:“我们发明并采用原子钟无缝切换技术——让氢钟和铷钟同时工作,一旦任何一方出现问题,立刻切换至另一方,切换时相位误差仅为20皮秒(1皮秒等于一万亿分之一秒),用户毫无感觉。”

对于这项技术优势,三年前,林宝军说:“北斗卫星的精度比美国GPS导航系统高约10倍,每300万年才会差一秒。”

经过三年的在轨验证,他给出更加确定的回答——“在时频精度上,北斗卫星比GPS高出近一个量级”。

此外,为了使北斗从区域走向全球,北斗系统全球首创突破了Ka频段这种测量型的星间链路技术。这项技术使我们所有北斗卫星连成一个大网,每颗星之间可以“通话”,可以测距,一星通、星星通,使卫星定位的精度大幅度提高。

据介绍,导航卫星不同于其他功能卫星,精准度高度依赖实时的测运控。测运控可简单理解为,对运行中的导航卫星进行跟踪、测量和控制,并负责整个卫星导航系统的运行控制。

我国国土资源有限,很多卫星无法实时进行监测,精度就无从保证。通过Ka相控阵星间链路技术,让能看到的星和看不到的星进行通话和传输。

“一开始所有人都认为,这种解决方案只是个研究方向,连美国人都还没做出来,中国人不可能做出来。事实证明,我们不仅做出来了,而且这种基于国内测站实现全球星座运营的创新方式,还是稳定可信、世界领先的。”林宝军说。

CPU芯片是卫星最为核心的元器件之一,北斗三号首次采用了国产龙芯。“实际在天上工作时,原本用的进口芯片大概一周会出现一次单粒子事件(空间高能粒子的影响,把芯片中的二进制数1打成0、0打成1),但龙芯在轨累计工作逾46万小时,单粒子翻转为0,保证了北斗系统的超高稳定性。”

除了运行连续稳定可靠,北斗系统的功能也更强大。

据介绍,除具备其他三大导航系统都有的定位功能外,北斗三号还提供6项特色服务,即全球短报文、区域短报文、星基增强、地基增强、搜救服务和精密单点定位,性能方面达到“人无我有、人有我优”。

北斗三号

北斗三号

北斗三号

北斗三号


摄影:《中国经济周刊》首席摄影记者 肖翊

发备份星是因为组网星出问题?

一般来说,对卫星导航系统而言,可见星的数量和好的几何特性决定着定位的精确性。

从星座构成来讲,GPS、格洛纳斯和伽利略均采用中轨道地球卫星,卫星轨道距离地球表面约20000千米;北斗系统则采用低中高轨道结合的组网方式,除有24颗中轨道地球卫星外,还有6颗距离地表约36000千米的高轨道地球卫星。

“高轨道卫星的参与,让中国及周边地区北斗系统的可见星数更多,定位更快、精度更高,尤其在低纬度地区,特别在高楼林立的城市中,其性能优势更为明显。”林宝军说。

他以自己在上海办公室测试的可见星为例。“当时接收到20颗北斗卫星,十二三颗GPS卫星,八九颗格洛纳斯卫星。现在大部分智能手机兼容四大卫星导航系统,收集的所有信号共同解算位置,北斗的可见星多,就是北斗系统在起主要作用,特别是在国内。”

近期,北斗系统的高轨星座再添新成员。

2023年5月17日10时49分,我国在西昌卫星发射中心用长征三号乙运载火箭,成功发射第56颗北斗导航卫星。该卫星属地球静止轨道卫星,是2020年北斗三号全球组网以来发射的首颗,也是唯一一颗高轨备份卫星。入轨并完成在轨测试后,将接入北斗卫星导航系统。

该卫星将增强系统的可用性和稳健性,提升系统现有区域短报文通信容量三分之一,还有助于用户实现快速高精度定位。

然而,首颗备份星的发射,也让一些质疑声音出现:“发备份星是因为组网星出了问题?”

对此,林宝军给出明确回应。一般来说,一年发2~3颗备份星是行业惯例。北斗三号组网星的设计寿命为10年,在轨期间表现很好。备用星是在轨待命,组网星并未出现任何问题。

他还用早期发射的北斗导航试验卫星为例,进一步证明北斗卫星的超高性能。“2015年3月30日发射的首颗新一代北斗导航卫星,设计寿命是3~5年,目前在轨运行8年,功能一切正常。现在该星承载更多科学实验,属于超期服役。”林宝军说。

据介绍,最新“入列”的第56颗北斗导航卫星,采用更高处理能力的国产化核心处理器件,采用更优越的抗空间环境设计,进行了一些信号播发性能的提升。

林宝军透露,除了这颗备份星,我国后续还计划发射中圆地球轨道(即MEO卫星,是北斗全球组网的主力)的备份星,进一步提升和优化北斗系统的稳健性。

北斗三号卫星发射

北斗三号卫星发射


有担当,真创新,谋跨越

目前中国北斗的服务空间是地表到地表以上数千公里的范围。对于下一代北斗的建设发展,中国北斗人早在北斗三号系统开通服务时,便锚定了目标。

2020年8月3日,国务院新闻办举行的新闻发布会上,中国卫星导航系统管理办公室主任、北斗卫星导航系统新闻发言人冉承其表示,要在2035年前建成更加泛在、更加融合、更加智能的国家综合定位导航授时体系(PNT体系)。综合定位导航授时体系是国家综合定位、导航、授时的一个时空信息领域的体系化构建。它以卫星导航为核心和基础,并融合现有各种各样创新技术。特点是更安全、更高性能、更可靠。

简单来讲,PNT体系就是陆海空天一体、室内室外无缝衔接、安全可靠、便捷实用的全方位的导航定位体系。

在林宝军看来,实现目标要“有担当,真创新,谋跨越”。

“航天领域有个传统,一个航天器上采用的新技术不超过30%,但我们团队研发的卫星采用了100多项自主研发的关键技术,几乎70%都是新的。”他坦言,当初提出要采用如此高比例的创新技术时,很多人都认为无法实现,甚至觉得如此大胆的尝试近乎疯狂,他还被人称为“北斗狂人”。

在林宝军看来,难突破的不仅是技术,还有固有观念。“很多年来,大家都认为进口的东西更保险。我们团队认为只要理论行得通、验证充分,国产不等于不可靠。三年的实践也证明,自主创新经得起考验”。

秉持“真创新”的原则,他及团队已经在北斗三号卫星上实现了多项“超前”布局的功能,“卫星在轨程序重构”就是其中一项。

据介绍,这项技术可实现将地面编好的程序上传到星上,让卫星在轨升级内部程序。做到不重新发新卫星,就能拥有“新”卫星。


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