中國北斗,是繼“兩彈一星”之后的又一戰(zhàn)略工程。豪情萬丈的北斗人,用較短時間即形成覆蓋亞太地區(qū)的區(qū)域服務(wù)能力。2017年下半年起,北斗系統(tǒng)開啟全球組網(wǎng)大幕,預(yù)計年內(nèi)將發(fā)射6顆左右衛(wèi)星,2020年前將完成30顆衛(wèi)星發(fā)射,形成全球運行服務(wù)能力。
衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是大國強國的“標準配置”,也是核心利益所在。作為我國空間信息基礎(chǔ)設(shè)施、國家戰(zhàn)略設(shè)施,北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)使我國擺脫了對國外衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的依賴,掌握了時空基準控制權(quán)、國際規(guī)則制定話語權(quán),為國家安全和現(xiàn)代國防提供了戰(zhàn)略保障。
11月5日,西昌衛(wèi)星發(fā)射中心,“北斗三號”第一、二顆衛(wèi)星以“一箭雙星”的方式發(fā)射升空,標志著北斗導(dǎo)航系統(tǒng)正式拉開全球組網(wǎng)序幕。
朝受命,夕飲冰
——“我們不能生活在某一天因為某種理由GPS可能關(guān)閉的危險之下”
從古至今,人類一直在孜孜追求導(dǎo)航的技術(shù)。從早期的司南定向,到航海時代的星盤、六分儀、航海鐘,再到現(xiàn)代無線電導(dǎo)航,直至近幾十年,隨著科學(xué)技術(shù)的進步,尤其是航天技術(shù)的發(fā)展,人類進入到衛(wèi)星導(dǎo)航的時代。
衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)簡稱為GNSS系統(tǒng),在全球GNSS俱樂部中一共有4位VIP會員:美國的GPS系統(tǒng)、俄羅斯的GLONASS系統(tǒng)、歐盟的“伽利略”系統(tǒng)以及我國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。
GPS系統(tǒng)是最早建成并投入使用的。當GPS在歐洲開始推廣應(yīng)用時,歐洲空間局敏銳地意識到:“我們不能生活在某一天因為某種理由GPS可能關(guān)閉的危險之下?!庇纱?,歐洲開始了建設(shè)“伽利略”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的漫漫征途。
的確,在涉及國家安全核心部位、核心數(shù)據(jù)、核心技術(shù)上,絕不會天上掉餡餅,尤其衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),不管是軍用、民用,不管是發(fā)展經(jīng)濟、還是維護國家安全,導(dǎo)航系統(tǒng)未來都具有越來越大的作用。
法國前總統(tǒng)希拉克曾感慨地說:“沒有自己的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),歐洲將不可避免地成美國的附庸。”歐洲都不能幸免,其他國家就將是玩偶。只是建設(shè)這樣一個龐大的系統(tǒng),技術(shù)和資金如同太行、王屋兩座大山,不是誰想搬走就能搬走的。
但中國必須得搬走。不是因為我們有“愚公”,而是因為作為一個大國,我們必須把命運掌握在自己的手里。
追趕世界高科技前沿,中國的起步其實并不晚。上世紀60年代,美國專為軍隊研制的一種子午儀衛(wèi)星定位系統(tǒng)投入使用,這個系統(tǒng)就是GPS全球定位系統(tǒng)的前身,雖然在定位精度方面不盡如人意,但驗證了由衛(wèi)星系統(tǒng)進行定位的可行性。幾乎同一時段,中國開始了自己的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計,取名為“燈塔”。但是由于國家財力等原因工程擱淺。
1983年,“兩彈一星”元勛陳芳允提出了雙星定位設(shè)計方案。這在當時是公認的最優(yōu)方案,科研人員開始積極立項論證,但因種種原因又擱置下來。
1991年爆發(fā)的海灣戰(zhàn)爭把中國人警醒了,美軍的GPS在作戰(zhàn)中應(yīng)用非常成功。高層領(lǐng)導(dǎo)深刻意識到以后打仗沒這東西是真的不行,雙星定位方案啟動。
1994年,美國完成GPS系統(tǒng)24顆衛(wèi)星全部星座布局。這一年,黨中央、國務(wù)院、中央軍委作出獨立自主研制北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的重大戰(zhàn)略決策。“朝受命,夕飲冰;晝無為,夜難寐。”意氣風(fēng)發(fā)的北斗人,從四面八方匯聚在一起,朝著一個共同的目標奮勇攀登。
基于我國國情,北斗建設(shè)者創(chuàng)造性提出“先區(qū)域、后全球,先有源、后無源”的建設(shè)思路,按照“三步走”發(fā)展戰(zhàn)略推進,先建立雙星定位試驗系統(tǒng),形成區(qū)域有源定位與導(dǎo)航服務(wù)能力;然后完成3種軌道10余顆衛(wèi)星的發(fā)射,建成區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng),形成區(qū)域無源服務(wù)能力,向亞太地區(qū)提供定位、導(dǎo)航、授時,以及短報文通信服務(wù);最后建成由3顆靜止軌道衛(wèi)星和30顆非靜止軌道衛(wèi)星組成、覆蓋全球的北斗全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),形成全球無源服務(wù)能力。
300多次艱苦談判
——“頻率是國家戰(zhàn)略資源,要像捍衛(wèi)國土一樣捍衛(wèi)頻率資源”
1994年,52歲的譚述森離開奮斗29載、功績顯赫的軍事測繪戰(zhàn)線,投身這項巨大的工程建設(shè)中。
擺在譚述森等科技人員面前的,是尚未起跑就已落后20多年的現(xiàn)狀,以及還不夠雄厚的經(jīng)濟實力、技術(shù)基礎(chǔ)和人才的匱乏……
“在接受這項工作的時候,我就很清楚,‘北斗’的研發(fā)工作只能成功,不能失敗。盡管技術(shù)儲備薄弱,但我們必須要迎難而上?!闭窃谶@樣的條件下,譚述森和他的團隊一起,開始了這項國家戰(zhàn)略工程的起跑。對于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)來說,導(dǎo)航頻率資源是它的“生命線”,如同土地之于大樹,沒有頻率,衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)無地“扎根”。
在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)初始階段,頻率資源相對比較充沛,建設(shè)時間較早的GPS系統(tǒng)和GLONASS系統(tǒng)不存在頻率資源的沖突問題。到了北斗系統(tǒng)和“伽利略”系統(tǒng)建設(shè)的時候,頻率爭奪戰(zhàn)就非常明顯了。
而當時“伽利略”系統(tǒng)提前申請了頻率資源,并發(fā)射衛(wèi)星占領(lǐng)了軌位。盡管后來歐洲出現(xiàn)經(jīng)濟危機,“伽利略”系統(tǒng)資金鏈斷了,但根據(jù)國際電信聯(lián)盟“先占先得”的規(guī)定,哪一個國家能夠先把這顆衛(wèi)星發(fā)射上去,并且衛(wèi)星向下發(fā)射這個頻率的信號,以后這個頻率資源就是他的了。這就不可避免地遇到了衛(wèi)星軌道和頻率爭奪的問題。
北斗系統(tǒng)尚未開始研發(fā),發(fā)達國家就已經(jīng)將衛(wèi)星導(dǎo)航頻率瓜分得所剩無幾。爭奪頻率資源是北斗系統(tǒng)建設(shè)面臨的第一座大山?!邦l率是國家戰(zhàn)略資源,要像捍衛(wèi)國土一樣捍衛(wèi)頻率資源?!弊T述森心急如焚。
作為北斗頻率設(shè)計與國際協(xié)調(diào)首席專家,譚述森以和平利用太空為依據(jù),經(jīng)過復(fù)雜的頻率設(shè)計與周密的干擾仿真計算,創(chuàng)造性地提出了衛(wèi)星導(dǎo)航頻譜共用與兼容性評估準則。經(jīng)過與幾十個國家300多次艱苦的談判,“北斗”終于爭取到了系統(tǒng)發(fā)展所必需的寶貴頻率資源。
2007年4月17日,是北斗系統(tǒng)申報的頻率資源的最后期限,要求北斗試驗星必須提前發(fā)射。
衛(wèi)星發(fā)射通常只有延遲,沒有提前。為了爭奪這個戰(zhàn)略資源,經(jīng)過各個部門的通力協(xié)作,截至4月14日長征三號甲火箭完成所有準備工作,在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心豎起等待發(fā)射。然而4月14日凌晨4點07分,現(xiàn)場又發(fā)現(xiàn)新的問題,火箭有一個連接器沒有按照規(guī)定脫落,如果三分鐘內(nèi)不能解決這個問題的話,對火箭、衛(wèi)星甚至發(fā)射場都會是滅頂之災(zāi)。
當時的發(fā)射指揮員在一分鐘內(nèi)下了7道指令,4點07分發(fā)現(xiàn)的問題,4點11分的時候,火箭帶著北斗試驗星成功升空。
4月14日發(fā)射北斗試驗星,4月15日衛(wèi)星實現(xiàn)變軌,4月16日衛(wèi)星開始向下發(fā)送信號,在距離4月17日北斗申請的頻率資源失效前24個小時內(nèi),中國正式啟用了北斗申報的頻率資源,標志著我國自主研制的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)進入新的發(fā)展建設(shè)階段。
攻克核心技術(shù)
——“3個月內(nèi),我們一定拿出‘抗體’!”
與頭發(fā)花白的譚述森相比,王飛雪實在太年輕。1994年北斗全面啟動時,王飛雪23歲,正在國防科技大學(xué)攻讀精確制導(dǎo)專業(yè)的研究生。
第二年,北斗系統(tǒng)建設(shè)遇到一個瓶頸問題——信號快速捕獲。從海灣戰(zhàn)爭就已密切關(guān)注國際定位導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展的王飛雪,在一次調(diào)研中知道此事,當晚徹夜未眠。他把以前掌握的資料和實驗數(shù)據(jù)研究對比,另辟蹊徑,從數(shù)學(xué)理論上尋找解決辦法。
連續(xù)熬了幾個通宵,反復(fù)推理論證,王飛雪提出了一個新的算法。當他紅著眼睛把方案擺到時任系主任莊釗文的案頭時,莊教授眼睛一亮。
這套“全數(shù)字化快速捕獲信號與接收技術(shù)方案”,得到了陳芳允院士的高度關(guān)注,專門組織專家開會論證。
自此,王飛雪正式踏上北斗導(dǎo)航定位的逐夢之旅。他和同學(xué)雍少為、歐鋼,在一個不到10平方米的倉庫里,用東挪西湊的儀器設(shè)備做實驗,經(jīng)過3年不懈拼搏,難題成功破解。當顯示器上脈沖閃耀,信號捕捉成功的一刻,業(yè)內(nèi)20多位專家簡直不敢相信自己的眼睛。
2006年,國家準備對北斗一號導(dǎo)航系統(tǒng)體制進行升級。當時,北斗一號已成功運行多年,系統(tǒng)運行穩(wěn)定,大家一致主張,繼續(xù)沿用原來的技術(shù)指標和基本參數(shù),只需適當增強入站鏈路抗干擾能力、提升系統(tǒng)在某些特殊場合的穩(wěn)健性即可。
在王飛雪眼里,這是一次北斗一號服務(wù)性能全面升級的絕佳機會。連續(xù)數(shù)十個晚上的挑燈夜戰(zhàn),王飛雪和團隊大膽提出了一套最新的編碼理論改造應(yīng)用方案。經(jīng)過論證后應(yīng)用到北斗二號上,帶動了整個北斗短消息服務(wù)系統(tǒng)效能的躍升:所有的終端設(shè)備功耗降低一半,抗干擾性能提升一倍,各項參數(shù)達到最優(yōu)值。
2007年底,北斗二號試驗星進入亞洲某一區(qū)域時,受復(fù)雜電磁干擾與地面失去聯(lián)系。失去聯(lián)系就意味著喪失功能、前功盡棄。如果這一難題不能解決,不但下一顆星不能發(fā)射,即將組網(wǎng)的十數(shù)顆衛(wèi)星發(fā)射將無限期推遲。
王飛雪再次請戰(zhàn)?!?個月內(nèi),我們一定拿出‘抗體’!”憑借著頑強的意志與驚人的戰(zhàn)斗力,他和團隊拿出了具有強大抗干擾能力的衛(wèi)星載荷,使衛(wèi)星抗干擾能力提升1000倍,避免了國家巨額損失。
結(jié)緣北斗的20多年,王飛雪和團隊先后研制出世界領(lǐng)先的監(jiān)測接收機、精密測距碼模塊及注入系統(tǒng)、主控站測量及通信系統(tǒng)、時間同步注入站、星載上行測距終端等,攻克了一系列北斗系統(tǒng)核心關(guān)鍵技術(shù)。
砍掉掐住北斗脖子的手
——“三天三夜不合眼,那種上眼皮如同墜了鉛的感覺大家一開始很不適應(yīng),有了第二回、第三回后大家都習(xí)以為常了。”
衛(wèi)星導(dǎo)航的原理,簡單來說,就是衛(wèi)星對地面發(fā)送含有時間基準和位置基準的導(dǎo)航定位信息,用戶接收機接收信號。因此精確的時間基準和位置基準,就成了導(dǎo)航系統(tǒng)的關(guān)鍵。星載原子鐘為衛(wèi)星提供高穩(wěn)定的時間基準信號,正是由于它的極端重要性,有人將其比作是導(dǎo)航衛(wèi)星的“心臟”。
要建設(shè)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),首先得有星載原子鐘??涩F(xiàn)實卻很殘酷,在建設(shè)北斗之前我國原子鐘技術(shù)非常薄弱,原子鐘產(chǎn)品全靠進口。進口鐘不僅價格昂貴,而且關(guān)鍵技術(shù)掌握在別人手里,將使北斗系統(tǒng)潛伏巨大安全隱患。能否突破原子鐘技術(shù)關(guān)乎北斗系統(tǒng)建設(shè)成敗。
原子鐘工作原理涉及量子力學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)以及光學(xué)等學(xué)科,指標要求相當苛刻。中科院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所、航天科技集團空間技術(shù)研究院、航天科工集團二院203所等單位對星載銣原子鐘一系列關(guān)鍵技術(shù)開展攻關(guān)。北斗系統(tǒng)總師、“兩彈一星”元勛孫家棟多次深入科研一線指導(dǎo),他堅定地說:“我們自己的導(dǎo)航衛(wèi)星一定要用我們自己研制的原子鐘!”
攻關(guān)難度大,挑戰(zhàn)異常艱巨。這是一項非?!鞍救恕钡墓ぷ?,為了保證24小時不間斷地測試,科研人員經(jīng)常是白天調(diào)試,晚上盯在測試儀器前,觀察數(shù)據(jù),一測就是一整夜。在日夜兼程進行調(diào)試的階段,大家就像上了發(fā)條的“鐘”一樣連軸轉(zhuǎn)。人的精力是有限的,但拼搏精神可以創(chuàng)造無限,“三天三夜不合眼,那種上眼皮如同墜了鉛的感覺大家一開始很不適應(yīng),有了第二回、第三回后大家都習(xí)以為常了?!?/p>
為了搞定微波信號溫度系數(shù)、伺服系統(tǒng)穩(wěn)定性等技術(shù)難題,團隊“白+黑”進行實驗、驗證;環(huán)境試驗時,團隊成員多班倒,日夜守護和記錄數(shù)據(jù)。大家都有過這樣的經(jīng)歷,做夢經(jīng)常會夢到原子鐘聯(lián)調(diào)的情景:如何接線、如何搭電路、示波器上如何顯示,如同真實的工作場景一般。有時,技術(shù)人員一覺醒來,立馬翻身下了在辦公室里的行軍床,趕緊將夢中的情境記錄下來,驗證、調(diào)試,困擾多日的問題竟然解決了。
在項目攻關(guān)階段,微波穩(wěn)定性一調(diào)就是十幾天,不停地仿真、試驗論證、做溫度試驗,整個過程需要特別精細,不能容忍任何瑕疵。銣原子鐘性能指標已經(jīng)接近了極限,想再提高一點非常困難。他們將計算機仿真參數(shù)拿到電路系統(tǒng)上,看調(diào)試結(jié)果與仿真結(jié)果是否能達到預(yù)期效果,并在溫度變化范圍內(nèi)鑒定穩(wěn)定性,通過一遍又一遍摸索不斷精益求精。
為了保障更多的工作時間,兩任項目負責(zé)人李春景和楊同敏,都是從剛剛?cè)胱〉膶挸髁恋男录?,搬到單位附近的筒子樓,家人埋怨,他們頂住壓力,坦然說道:“住得近方便,反正我經(jīng)常加班,房子夠她們娘倆住得了。”
2005年,203所交付了我國首批兩臺星載銣原子鐘工程化初樣鑒定機,標志著我國原子鐘自主化邁出一大步。2007年我國自主研制的星載銣原子鐘上天服役。
科技創(chuàng)新永無止境,奮斗拼搏永不停步??蒲腥藛T向更高的科技高峰不斷攀登,讓北斗成為世界上最精最準最穩(wěn)的導(dǎo)航定位系統(tǒng)——15年的堅守與執(zhí)著,他們?yōu)楸倍废到y(tǒng)交付的13個批次26臺自主研制的原子鐘,創(chuàng)造了所有批次零故障的運行紀錄,實現(xiàn)了衛(wèi)星關(guān)鍵部件的自主可控。
不靠任何外人,掐住北斗脖子的手被砍掉了!目前,我國已完全掌握了星載原子鐘的研制技術(shù),并達到了世界一流水平,擺脫了國外導(dǎo)航原子鐘的束縛,扭轉(zhuǎn)了核心技術(shù)受制于人的被動局面,實現(xiàn)了從跟跑者到領(lǐng)跑者的轉(zhuǎn)變。
超越常規(guī)導(dǎo)航思路
——“八萬多人干了20多年,我們走了一條絕無僅有的路?!?/strong>
2014年3月8日,馬航MH370失聯(lián),事件暴露出快速定位搜救能力不足,導(dǎo)航、定位與通訊功能結(jié)合的需求愈加凸顯。第二年8月,美國在國際上提出建立航空器位置監(jiān)視和搜救標準,要求各國使用“銥星(美國通信衛(wèi)星)+GPS”的方案。不久,歐洲也宣布要實行“海事衛(wèi)星+伽利略”的類似標準。
相比之下,中國的北斗,從北斗一代開始就獨具一格,具備定位和通信功能。北斗一代創(chuàng)造性集定位、通信和授時三大功能于一體,豐富拓展了世界衛(wèi)星導(dǎo)航理論實踐,使我國僅用兩顆衛(wèi)星和地面高程數(shù)據(jù)庫就實現(xiàn)了國土及周邊地區(qū)的定位服務(wù)。而北斗二代獨有的有源定位和短信服務(wù),超越了常規(guī)衛(wèi)星導(dǎo)航的發(fā)展思路。
對此,孫家棟院士說:“有源與無源兩種體制的結(jié)合,是中國北斗的最大特色和亮點,也是中國北斗的優(yōu)勢所在?!薄氨倍肥前巳f多人干了20多年,我們走了一條絕無僅有的路,別人都沒走過的,我們走成了?!北倍范柨傇O(shè)計師助理郭樹人說。
時下,北京大街小巷的公交站,候車乘客習(xí)慣性拿出手機查詢到下一趟車的到站時間。而數(shù)千里之外的南海海域,外出作業(yè)的漁船主正在往家里通報情況。而這一切,都歸功于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。
隨著北斗芯片及終端的小型化、低成本等技術(shù)的發(fā)展和車聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等產(chǎn)業(yè)快速興起,北斗系統(tǒng)與大數(shù)據(jù)、云計算、移動互聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)融合發(fā)展,北斗導(dǎo)航產(chǎn)品正全面走向大眾化應(yīng)用,“高大上”的北斗系統(tǒng)與普通百姓的生活越來越緊密聯(lián)系。
走出國門,北斗系統(tǒng)免費向亞太地區(qū)提供公開服務(wù),定位精度優(yōu)于10米,測速精度優(yōu)于0.2米/秒,授時精度優(yōu)于50納秒,其定位精度等技術(shù)參數(shù)與GPS民用信號相當。貢獻中國智慧,彰顯中國擔當,北斗正在獲得越來越多國家和國際組織的認可,成為一張閃亮的“中國名片”。
在不得不說的軍事領(lǐng)域,北斗應(yīng)用戰(zhàn)略意義非凡。作為精確武器制導(dǎo)和未來聯(lián)合作戰(zhàn)的關(guān)鍵技術(shù)保障,北斗系統(tǒng)確保了國家重要戰(zhàn)略平臺可靠的任務(wù)執(zhí)行能力。在導(dǎo)彈制導(dǎo)方面,北斗系統(tǒng)可作用于機動式彈道導(dǎo)彈、遠程巡航導(dǎo)彈、戰(zhàn)略轟炸機及彈道導(dǎo)彈核潛艇等全程或某些特殊時刻的精確定位與位置校準。對于固定目標的打擊,導(dǎo)彈可以根據(jù)北斗提供的坐標自動尋找和精準打擊目標,精度達到幾米,甚至更高。而在聯(lián)合作戰(zhàn)方面,北斗系統(tǒng)能夠為所有陸上突擊力量、海上打擊平臺、空中作戰(zhàn)單元,以及所有參戰(zhàn)人員提供導(dǎo)航和定位,通過數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)將它們?nèi)柯?lián)于一體,實現(xiàn)海陸空全譜系聯(lián)合作戰(zhàn)——北斗正在為我們構(gòu)筑和開拓一個全新的戰(zhàn)略邊疆。
北斗的發(fā)展和應(yīng)用,贏得了市場認可,得到了大眾認同;反過來,市場的巨大推動力量,也在再塑北斗的未來。2015年4月,在莫斯科舉行的第九屆國際導(dǎo)航論壇上,俄羅斯導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)界的領(lǐng)袖們在探討全球四大導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展水平時,一致把中國北斗排在俄羅斯GLONASS系統(tǒng)和歐盟“伽利略”系統(tǒng)之前。
星參北斗,位聯(lián)全球。今年下半年北斗全球組網(wǎng)拉開大幕,計劃2018年前后完成約18顆衛(wèi)星發(fā)射,率先為“一帶一路”沿線國家提供服務(wù);2020年前后形成全球服務(wù)能力,建成世界一流的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。
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