北斗,爭當(dāng)天上最亮的“星”
2020年6月23日9時(shí)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(yùn)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(jì)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(shí)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(xiǎn)、歷經(jīng)千辛萬苦。現(xiàn)在,北斗終于開始走進(jìn)千家萬戶、造福千秋萬代。聽到這個(gè)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(yùn)與幸福!”
一
2015年3月30日晚,一枚“長三丙”運(yùn)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(yàn)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(shí)任北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)總設(shè)計(jì)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(jì)其數(shù)的計(jì)算、論證設(shè)計(jì)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(jì)團(tuán)隊(duì)帶頭人許其鳳帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)對其覆蓋性、性價(jià)比、管理模式進(jìn)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(tuán)隊(duì)根據(jù)北斗導(dǎo)航“三步走”戰(zhàn)略特點(diǎn),通過縝密推演、細(xì)致計(jì)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(yùn)用于衛(wèi)星導(dǎo)航,設(shè)計(jì)了世界上第一個(gè)“GEO+IGSO+MEO”混合星座。
郭樹人帶領(lǐng)總體團(tuán)隊(duì),通過計(jì)算、論證,認(rèn)為混合星座對亞太地區(qū)覆蓋率高,投入性價(jià)比高,建設(shè)速度快,技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)小,而且見效快、易管理,完全符合區(qū)域系統(tǒng)特點(diǎn),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(jì)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(jìn)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(tuán)隊(duì)大會解惑、小會釋疑、個(gè)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(gè)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(gè)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(shí)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(diǎn),為北斗導(dǎo)航確保“中國特色”、躋身世界一流奠定了堅(jiān)實(shí)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(qiáng)國搶占。
北斗二號2004年立項(xiàng)時(shí),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(shí)申報(bào)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(shí)規(guī)定,自申報(bào)之日起,必須在七年內(nèi)使用頻率,逾期視為自動放棄。
這時(shí),歐盟伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航已經(jīng)進(jìn)入衛(wèi)星發(fā)射階段,而北斗的申報(bào)時(shí)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(xiǎn)。
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(shí),進(jìn)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(shí)的精度,是整個(gè)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(tuán)隊(duì),對星載銣鐘這個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域的技術(shù)制高點(diǎn)發(fā)起了頑強(qiáng)的攻勢。
在銣鐘研制過程中,中國空間技術(shù)研究院時(shí)頻基準(zhǔn)類產(chǎn)品首席專家賀玉玲和她的團(tuán)隊(duì)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(xiàng)耗費(fèi)生命的事業(yè)。”這不僅指它的難度,還指研制它需要花費(fèi)的時(shí)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(shí)驗(yàn)室看測試數(shù)據(jù),認(rèn)真檢查各個(gè)遙測數(shù)據(jù)、檢查各個(gè)儀器設(shè)備的運(yùn)行情況、維護(hù)鐘房的穩(wěn)定運(yùn)行。星載銣鐘的精度相對于地面產(chǎn)品提升了約三個(gè)量級,這就決定了必須充分考慮各個(gè)部組件的細(xì)微差異,通過整機(jī)的精細(xì)調(diào)整使產(chǎn)品性能最優(yōu)。整機(jī)每調(diào)試一個(gè)參數(shù),都需要放到真空罐里測試較長時(shí)間才能看到結(jié)果。銣鐘研制隊(duì)伍里的人常說:“我把這個(gè)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(shí)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(gè)馬拉松”。
連續(xù)九個(gè)月,團(tuán)隊(duì)全體成員平均加班八百多個(gè)小時(shí),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(gè)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)芸煅兄仆瓿伞?/p>
2007年4月14日4時(shí)11分,隨著指揮員一聲“點(diǎn)火”命令,托舉北斗二號首星的“長三甲”運(yùn)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(shí),十多臺地面接收機(jī)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(shí)間只有四小時(shí)!
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(shí)間里,北斗人先后將十六顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星送上藍(lán)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(yùn)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(jìn)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(shí)要在地球上各個(gè)地區(qū)建設(shè)眾多的地面站點(diǎn)。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(diǎn),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(diǎn),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(jì)出無須在亞太以外地區(qū)建設(shè)地面站點(diǎn)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(gè)“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(shí)現(xiàn)難度非常大:不僅測量距離、信息傳輸量增加了一個(gè)數(shù)量級,而且衛(wèi)星以每秒七八公里的速度運(yùn)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(shí)現(xiàn)厘米級距離測量,更是難上加難。
為此,國內(nèi)多個(gè)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(tuán)隊(duì)。
接到任務(wù)安排后,空間儀器工程團(tuán)隊(duì)的郭熙業(yè)風(fēng)塵仆仆地前往成都中電集團(tuán)某研究所,開始投身星間鏈路攻堅(jiān)戰(zhàn)。
攻關(guān)難度超常,而完成任務(wù)還不能超時(shí)。郭熙業(yè)給自己定下了一個(gè)雷打不動的規(guī)矩:每周工作七天,每天十六個(gè)小時(shí);攻關(guān)遇到問題,不解決不下班;工作時(shí)間手機(jī)關(guān)機(jī)。而實(shí)際情況是,幾乎每天都會遇到難題,幾乎每月要熬十個(gè)通宵。
郭熙業(yè)的項(xiàng)目攻關(guān)完成一個(gè)階段后,上級前來檢查。看了他們的星間鏈路模擬演示后,孫家棟總設(shè)計(jì)師說:“你們要繼續(xù)加強(qiáng)攻關(guān),把一個(gè)個(gè)未知難題搞清楚,并進(jìn)行充分驗(yàn)證,確保在工程建設(shè)中好用、管用。”
孫家棟總設(shè)計(jì)師對他們前期工作的充分肯定和鼓勵(lì),讓這個(gè)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(jìn)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(jì)方案,檢測每個(gè)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(bǔ)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(jì)新的算法。前者實(shí)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(shí)半年,而距離下一場比測只有一個(gè)月時(shí)間!
郭熙業(yè)毫不猶豫地選擇了后者,用一個(gè)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(tuán)隊(duì)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(tuán)隊(duì)繼續(xù)加班加點(diǎn),完善改進(jìn)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(jì)、星地試驗(yàn)驗(yàn)證工作,才最終突破了關(guān)鍵技術(shù),實(shí)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(jì)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(shí)現(xiàn)全面飛躍。
以林寶軍為總設(shè)計(jì)師的上海微小衛(wèi)星工程中心北斗衛(wèi)星團(tuán)隊(duì),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(jì)了一項(xiàng)“看家本領(lǐng)”——在軌賦能:讓天上的衛(wèi)星“有錯(cuò)能改”“有病自治”“功能刷新”。
哪知林寶軍帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)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(shí),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(gè)系統(tǒng)需要兩三臺計(jì)算機(jī),整顆星的計(jì)算機(jī)多達(dá)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(tuán)隊(duì)大膽打破傳統(tǒng)的分系統(tǒng)模式,走“功能鏈”設(shè)計(jì),合并各分系統(tǒng)中的學(xué)科功能“同類項(xiàng)”,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(gè)分系統(tǒng),把過去的二十四臺計(jì)算機(jī),變魔術(shù)般濃縮為一臺。星載計(jì)算機(jī)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(gè)老思路設(shè)計(jì)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(tuán)隊(duì)經(jīng)過深入計(jì)算、反復(fù)驗(yàn)證,創(chuàng)造性地將衛(wèi)星正方體外形改為長方體設(shè)計(jì),把“豎著飛”變成“橫著飛”。這樣一來,衛(wèi)星幾個(gè)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(shí)45分,隨著指揮員一聲“點(diǎn)火”命令,“長三乙”運(yùn)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(lán)天。在組網(wǎng)最密集階段,平均半個(gè)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(xiàng)技術(shù)處于國際領(lǐng)先水平,并擁有短報(bào)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(diǎn)二米每秒、授時(shí)精度優(yōu)于二十納秒的免費(fèi)服務(wù),成功運(yùn)用于交通運(yùn)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(shí)現(xiàn)了“中國的北斗、世界的北斗、一流的北斗”“走進(jìn)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(gè)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(shí)(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(shí),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!