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瞭望 | 兩顆中國北斗新星,即將誕生!

發布時間:2023-05-09 14:16

  在中國邁上科技自立自強新征程的當下,無數科研奧秘在中國人手中一點點“解鎖”,無數前沿突破在中華大地一點點展開,無數人類科技圖譜在中國的實驗室、學校、企業中被持續豐富、拓展。

  見證、記錄、參與;描繪、揭秘、前瞻,我們愿與您一起,共同觸摸科技變革新脈動,分享科技成果背后的故事,以獨家畫面,探秘以往難以接觸到的團隊和科研現場;用細顆粒度文字,分解尖端高深的內容,共同去探索,去懂“點”科技,感悟未來。    

“我們用上了很多新技術,比如可以提供更高精度的時間基準,星間鏈路方面也做了很大的技術創新?!?/strong>  

“航天領域有個傳統,新技術不能超過30%。但我們有一百多項關鍵技術,幾乎70%都是新的?!?/strong>  

目前中國北斗的服務空間是地表到地表以上2000公里的范圍。預計到2035年,國家綜合定位導航授時體系將解決深空、室內和水下的導航問題   提到北斗衛星導航系統,很多人會好奇它給我們帶來什么影響?如果只能用一個詞來回答,或許是:安全感。 在廣袤的宇宙中,知道“我在哪”是生存的基礎。如同北斗七星為古人分辨方位,今天北斗衛星導航服務,讓我們有能力給自己精準定位。 中國北斗歷時二十余年實現了面向中國、覆蓋亞太、服務世界的“三步走”發展戰略,2020年7月31日北斗三號全球衛星導航系統開通,我國正式成為世界上第三個獨立擁有全球衛星導航系統的國家。 當下的每時每刻,在看不見的數萬里高空,30顆北斗三號衛星分秒不停地運轉。無論荒漠還是海洋,北斗始終伴隨我們左右。 近日,《瞭望》新聞周刊記者獨家探訪北斗三號衛星的誕生地之一——上海中國科學院微小衛星創新研究院。這里正在打造兩顆北斗衛星“新成員”,它們有望在今年年底或明年年初發射,進一步提升中國北斗的服務效能。   

北斗新星蓄勢待發 此次探星之旅,由年輕但資深的“85后”北斗人李紹前擔任向導,他是中國科學院微小衛星創新研究院導航衛星總體研究所副所長,2012年碩士研究生畢業后加入團隊,成為這支新進入中國航天領域年輕團隊中的一員。 “當時首顆北斗三號試驗衛星正在研發,我常問同事,這顆星什么時候發射?”山東小伙李紹前回憶說:“同事說2015年,當時很多人不相信?!?試驗衛星相當于北斗星座的開路先鋒,主要用于試驗航天新概念、新技術、新材料和新設備,代表著用新生力量突破未知。也許是某種奇妙的機緣,這項任務與這支年輕團隊完美契合:一共81人、平均年齡不到31歲,不僅如期發射首顆試驗衛星,還在那之后所向披靡、發發成功,陸續將10顆北斗衛星送入太空,占北斗衛星總數的三分之一。 時隔八年,兩顆北斗三號新星蓄勢待發。記者在研究院的“衛星工廠”看到,這兩顆衛星研制已近完成,只剩衛星的能量來源——太陽翼沒有安裝。目測衛星2米多高,由上下兩個艙體組成,下面是保障衛星運行的衛星平臺艙,上面則裝著實現定位、導航和授時功能的有效載荷。 李紹前介紹,它們原為北斗三號的組網備份星,因為此前“箭無虛發”,現在轉為運行備份星。北斗三號成功組網、穩定運行后,兩顆星迎來新使命,承擔起下一代北斗衛星新技術產品的驗證功能。 “我們用上了很多新技術,比如可以提供更高精度的時間基準,星間鏈路方面也做了很大的技術創新?!崩罱B前解釋說,時頻和星間鏈路是北斗三號得以成功的兩大技術突破與創新,也是下一代北斗衛星繼續提升的關鍵方向。 北斗系統目前向全球用戶提供定位導航授時、國際搜救、全球短報文通信等三種全球服務,向亞太地區提供區域短報文通信、星基增強、精密單點定位、地基增強等四種區域服務。以定位導航授時服務為例,定位精度、測速精度和授時精度是體現服務性能的核心指標。 團隊表示,兩顆新星正處于新技術產品的研制驗證階段,有望在今年年底或明年年初發射,未來北斗系統的星間測距精度和時間同步精度將進一步提升。   

守護健康,讓衛星更強、更長壽 進入運管大廳,緊張忙碌的氣氛撲面而來,中科院微小衛星創新研究院研制的在軌北斗衛星由這里守護。以運管主任設計師應俊為主心骨,十余人忙得腳底生風。 “我們正在開展在軌衛星的軟件重構工作?!睉〈髦坨R,完全素顏,長發隨意綁在腦后。 她一邊飛快按著鍵盤,一邊應對同事們不時來問技術問題。講到北斗衛星,這位干練的職場女性變得溫柔細膩。 從一張張設計圖紙、一個個小單機到一遍遍經歷各類地面測試,再到進入太空……“衛星工廠”制造出北斗衛星的實體,賦予衛星“生命”,運管工作則像北斗衛星高質量履行使命職責的“陪伴與守護”。運行設計師的工作重心是在軌北斗衛星技術支持,讓北斗衛星運行更穩定,系統服務能力更強。 所有關于衛星健康的實時數據都匯聚到運管大廳,十顆衛星的遙測參數有數萬條,每天產生的實時數據是海量的,警報常在半夜或節假日響起?!靶l星像小孩子一樣,太空環境不好的時候,它們會生病,會難受?!睉≌f,“每到這時,我們就馬上趕到運管大廳協助處置,幫助它盡快恢復正常?!?按設計壽命,部分北斗衛星已步入“中年”。應俊表示,衛星的設計壽命一般是10年,5歲相當于中年星,遇到問題會更多一點,更讓人操心,“希望通過我們的努力,能讓它們運行15年、20年,甚至更久”。 應俊介紹了兩個正在進行的努力方向:一是隨著技術進步,團隊能看到更多衛星運行情況,能更早發現、更快處理衛星的異常狀態;二是使用更多智能手段,分析和利用衛星在軌數據,“在軌5年產生了海量數據,充分利用這些數據將助力我們研制更好更強的下一代北斗衛星”。    

錨定世界一流目標 除了問首顆試驗衛星什么時候發射,李紹前以前更常問,“我們中國北斗什么時候能建成?”大家心里都有一個共同的答案:2020年,建成世界一流的北斗。 短時間內完成如此艱巨任務令人難以置信。當時,全球三大導航系統,除歐洲的伽利略外,美國GPS和俄羅斯格洛納斯已面向全球服務,GPS更是美國航天三個里程碑式的成果之一,早在20世紀70年代就啟動了建設。 中國北斗必須解決更多現實障礙,比如無法在全球建地面站。導航衛星需要幾乎實時的測運控,無法全球建站意味著地球另一面的衛星無法工作。 這只能用創新來解決?!昂教祛I域有個傳統,新技術不能超過30%。但我們有一百多項關鍵技術,幾乎70%都是新的?!北倍啡栃l星總設計師林寶軍認為:“新技術不等于不可靠,我們要采用符合客觀規律的技術加成熟的工藝,加上充分的試驗,來推進新技術的快速發展?!?其中一個重要創新,是團隊改變了衛星建設傳統的分系統模式,轉而使用“功能鏈”設計。即合并衛星各分系統中的功能“同類項”,將以前的十個分系統改為有效載荷、結構熱、電子學和姿軌控四條功能鏈,過去的二十多臺計算機因此濃縮為一臺,不但衛星的重量、故障率、能耗等大幅優化,可靠性也大大增加。最終,不到1噸的衛星能實現原本3噸衛星的能力。 首顆北斗三號試驗衛星發射后,關鍵核心技術得到實戰驗證?!疤焐系倪\行結果表明創新不僅沒有產生問題,還解決了長期困擾我們的、跟著別人用傳統技術很難跨越的技術難題?!绷謱氒娬f。 北斗三號衛星實現了時頻、星間鏈路和導航衛星專用平臺三大技術突破與創新: ——在MEO衛星(地球中圓軌道衛星)上首次采用了國產氫原子鐘,同時為了保證北斗信號的可用、連續,發明了鐘組無縫切換技術,實現主備鐘20皮秒的無縫切換。 ——建衛星“微信群”,沖出亞太、邁向全球。使用Ka相控陣技術,構建衛星和衛星之間的通信鏈路,實現“一星通,星星通”,相當于用衛星替代了海外地面站的功能,因此只依靠國內布站就可以全球運行服務。 ——成功研制新型導航衛星專用平臺。在北斗三號的一百多項關鍵技術中,衛星平臺約占三分之一。中科院導航衛星專用平臺實現高可靠、長壽命、小型化,一批衛星關鍵器部件實現自主可控。   

聚焦未來北斗,開展技術攻關 一次次攀登科技高峰,一次次變不可能為可能,中國科學院微小衛星創新研究院研發北斗衛星的經歷充分展現了新時代北斗精神。 李紹前2012年加入團隊時,基本是北斗“小白”。他打趣說,那時翻開設計報告,里面的每個字都認識,但連起來意味著什么說不清。 初生牛犢不怕虎,敢闖敢拼敢于不走尋常路?!安欢覀兙腿?,有問題我們就想辦法解決,不一定非按傳統的衛星研制路子走?!崩罱B前說,“團隊領導敢于把問題拋給我們年輕人,讓年輕人先想辦法??傇O計師林寶軍經常跟我們說,‘只要在原理上把問題弄懂了,做出來的系統、設計出來的方案就肯定沒問題。你們就是要大膽去試,大膽去做?!?在中國科學院微小衛星創新研究院的“衛星工廠”里,一塊海綿見證了團隊的一個個不眠之夜。海綿是星箭分離沖擊試驗時用于減震的。造星最忙的那一年,團隊以“一箭雙星”的Hard模式將8顆北斗三號衛星送入太空,不少人夜以繼日,以實驗室為家,累了就以這塊海綿為床,小睡一會馬上又投入工作。 現在,北斗三號全球衛星導航系統已運行兩年多時間。生活中只需稍微留心就能看到中國北斗帶來的改變,比如行車導航時聽到“即將為您開啟北斗高精導航服務”,再比如有人徒步旅行因失去通訊信號而迷路,最終用手機發送北斗衛星消息而獲救,等等。 記者采訪了解到,北斗系統對外承諾的服務指標是10米定位精度,目前已經實現了5米甚至更優,在局部地區可以達到2米至3米的定位精度,授時精度對外服務的承諾是20納秒,現在可以提供10納秒授時精度。 中國科學院微小衛星創新研究院的北斗衛星團隊已經在開展新的技術攻關,他們充滿信心,將在更加泛在、更加融合、更加智能的國家綜合定位導航授時體系建設中發揮更大作用?,F在,中國北斗的服務空間是地表到地表以上2000公里的范圍。預計到2035年,國家綜合定位導航授時體系將解決深空、室內和水下的導航問題。 “我們主要是聚焦未來的北斗衛星開展技術攻關,讓北斗衛星提供更高精度、更加彈性、更加無時不在的服務?!绷謱氒娬f。

來源:新華網

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